一种海底电缆监测系统的监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种海底电缆监测系统的监测方法，属于电缆设备保护领域。
背景技术
生产海缆时，厂家至少保留了20％以上的冗余光纤，可以利用复合海缆中冗余的光纤，采用光纤布里渊散射原理实施分布式监测海缆的温度及应力变化。这种利用复合海缆中的光纤，不改变现有的海缆结构，无需增加传感器，实现在线连续实时监测，可以预先发现海缆的故障隐患和故障趋势，防止事故突发所带来的被动影响。
由于已有保护方法都属于被动防护方式，对海缆的实际保护能力有限，尤其对于因电源质量、海缆自身质量等内部因素引起的故障无任何预防能力。由于海缆自身长度较长、连续工作、敷埋于泥土等特点，因此，实施的监测系统应具有分布式、实时监测能力。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种海底电缆监测系统的监测方法，同时利用光纤的振动、温度和应变信息，以及联合AIS模块和红外高清摄像机，能够对光纤实时监测，当光缆出现故障时，能够快速定位故障位置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种海底电缆监测系统的监测方法，包括以下步骤：
对海底电缆区域进行方格划分，方格划分原则为船舶往来频繁方格划分密度大，在每个方格中心布设红外高清摄像机，设定振动阈值；
在每根海底电缆中设置两根光纤，并对光纤进行标定；
在每根光纤的端部设置感应装置；
在一根海底电缆中的两根光纤分别设置第一光源和第二光源，第一光源依次与第一耦合器、电光调制器、第一光纤放大器、光电探测器、第一光开关和光纤连接，第二光源依次与第二耦合器、偏振控制器、可调光纤衰减器、光隔离模块、第二光开关和光纤连接，第一耦合器与第二耦合器分别与第三耦合器连接，第三耦合器与频率计连接，第一光开关和第二光开关分别与光时域反射仪连接；
感应装置与控制器连接，控制器与报警模块连接，控制器控制第一光源和第二光源发射激光，两条光纤输出第一激光和第二激光；
第一激光经过解调、窄带快速傅里叶变换、除燥、滤波，分离出振动信号S1，第二激光经过解调、滤波分离出振动信号S2，计算信号S1和S2之间的时间延迟△T，确定振动频率为f振动发生的位置Z；
(7)求取振动信号S1和S2的振幅m1和m2，当max(m1，m2)大于阈值时，报警模块报警，控制器读取该时刻T，根据振动位置Z确定红外高清摄像机，控制器同时读取视频信息和AIS模块信号，精确确定电缆故障位置。
作为优选，所述光源为泵浦光源，布里渊频移只与光纤承受的温度和应变有关，温度和应变关系为：
vB(T，0)＝vB(T0，0)+CT，v.(T-T0)
vB(T0，ε)＝vB(T0，0)+Cε，v.ε
式中：vB(T，0)为温度T下光纤无应变时对应的布里渊频移；vB(T0，ε)为在参考温度T0时无应变和应变ε下对应的布里渊频，CT，v和Cε，v.ε分别为布里渊频移的温度和应变系数，通过该方程，求解出应变的变化，当应变的变化超过应变阈值，控制器控制报警装置报警。
作为优选，所述步骤的除燥方法包含以下步骤：
选取合适的小波函数，并确定最优的小波分解层数，对初始信号进行M层的小波信号分解；
小波分解包含高频信号，对高频信号进行阈值处理，对M层高频系数作量化处理；
经过处理后的信号每层的低频信号部分作小波信号重构，得到降噪后所得的信号。
作为优选，所述阈值处理方法包含基于Sqtwolog规则的通用阈值、基于Rigrsure规则的Stein无偏似然估计阈值、基于Heursure规则的Stein无偏风险阈值和基于Minimaxi规则的最大最小准则阈值。
在本发明中，传感系统的脉宽决定了系统测量的信噪比和空间分比率，脉宽越大信噪比越高，应变和温度的测量精度也越高，但空间分辨率会简迪。在本发明中，脉冲宽度与温度、应变测量精度的关系为α＝79.05p-1.523+0.938，α是测量精度，单位MHz，p是脉宽，单位是ns，p>0。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的海底电缆监测系统的监测方法，同时利用光纤的振动、温度和应变信息，以及联合AIS模块和红外高清摄像机，能够对光纤实时监测，当光缆出现故障时，能够快速定位故障位置。
(2)本发明通过收集到的地形信息建立展示模型，并通过不断变化的地形数据，实时调整模型结构；对海缆分布区域内的地形模型进行划分，然后将海缆监测单元的监测数据进行可视化转换，进行可视化展示。
附图说明
图1为监测装置的系统原理图
具体实施方式
本发明的一种海底电缆监测系统的监测方法，包括以下步骤：
对海底电缆区域进行方格划分，方格划分原则为船舶往来频繁方格划分密度大，在每个方格中心布设红外高清摄像机，设定振动阈值；
在每根海底电缆中设置两根光纤，并对光纤进行标定；
在每根光纤的端部设置感应装置；
在一根海底电缆中的两根光纤分别设置第一光源和第二光源，第一光源依次与第一耦合器、电光调制器、第一光纤放大器、光电探测器、第一光开关和光纤连接，第二光源依次与第二耦合器、偏振控制器、可调光纤衰减器、光隔离模块、第二光开关和光纤连接，第一耦合器与第二耦合器分别与第三耦合器连接，第三耦合器与频率计连接，第一光开关和第二光开关分别与光时域反射仪连接；
感应装置与控制器连接，控制器与报警模块连接，控制器控制第一光源和第二光源发射激光，两条光纤输出第一激光和第二激光；
第一激光经过解调、窄带快速傅里叶变换、除燥、滤波，分离出振动信号S1，第二激光经过解调、滤波分离出振动信号S2，计算信号S1和S2之间的时间延迟△T，确定振动频率为f振动发生的位置Z；
(7)求取振动信号S1和S2的振幅m1和m2，当max(m1，m2)大于阈值时，报警模块报警，控制器读取该时刻T，根据振动位置Z确定红外高清摄像机，控制器同时读取视频信息和AIS模块信号，精确确定电缆故障位置。
在本发明中，所述光源为泵浦光源，布里渊频移只与光纤承受的温度和应变有关，温度和应变关系为：
vB(T，0)＝vB(T0，0)+CT，v.(T-T0)
vB(T0，ε)＝vB(T0，0)+Cε，v.ε
式中：vB(T，0)为温度T下光纤无应变时对应的布里渊频移；vB(T0，ε)为在参考温度T0时无应变和应变ε下对应的布里渊频，CT，v和Cε，v.ε分别为布里渊频移的温度和应变系数，通过该方程，求解出应变的变化，当应变的变化超过应变阈值，控制器控制报警装置报警。
在本发明中，所述步骤的除燥方法包含以下步骤：
选取合适的小波函数，并确定最优的小波分解层数，对初始信号进行M层的小波信号分解；
小波分解包含高频信号，对高频信号进行阈值处理，对M层高频系数作量化处理，所述阈值处理方法包含基于Sqtwolog规则的通用阈值、基于Rigrsure规则的Stein无偏似然估计阈值、基于Heursure规则的Stein无偏风险阈值和基于Minimaxi规则的最大最小准则阈值；
经过处理后的信号每层的低频信号部分作小波信号重构，得到降噪后所得的信号。
本发明的海底电缆监测系统的监测装置包括海缆监测单元1、数据传输单元2、数据库管理单元3、地形监测单元4、可视化转换单元5和可视化显示终端6；其中：
海缆监测单元1，将分布式监测组件沿着海缆分布区域进行设置，其中分布式监测组件包括测温组件、震动检测组件、船舶运行监控组件和海缆定位组件；
数据传输单元2，通过无线通讯连接模块21连接至海缆监测组件，并接收海缆监测单元1的监测信息，将信息进行过滤稳定并加密后传输至数据库管理单元3；
数据库管理单元3，将海缆监测单元1的监测信息记录到存储服务器内，并将存储服务器内的数据进行更新，删掉往期数据，替换新数据，将同期内的各分布式监测组件进行整合后发送至可视化转换单元5；
地形监测单元4，将分布式地形监测组件沿着海缆分布区域进行设置，对海缆所在的地形状态进行监测，通过收集到的地形信息建立展示模型，并通过不断变化的地形数据，实时调整模型结构；
可视化转换单元5，对海缆分布区域内的地形模型进行划分，然后将海缆监测单元1的监测数据进行可视化转换，对不同的区域进行颜色区分，将数据叠加到模型结构上，进行可视化展示；
可视化显示终端6，包括屏显展示终端61和移动个人终端62，方便工作人员随时查看海缆信息变化数据。
进一步的，所述海缆监测单元1连接至数据传输单元2，数据传输单元2连接至数据库管理单元3，数据库管理单元3连接至可视化转换单元5；所述地形监测单元4同样连接至可视化转换单元5，可视化转换单元5连接至可视化显示终端6。
进一步的，所述数据传输单元2包括无线通讯连接模块21、信息加密模块22和信息传输模块23；其中：
无线通讯连接模块21，连接在海缆监测单元1和数据库管理单元3之间，并且具有信号过滤稳定功能；
信息加密模块22，对无线通讯连接模块21获取的信息数据进行传输，保证传输过程中的信息安全性；
信息传输模块23，将信息数据传输至数据库管理单元3。
进一步的，所述数据库管理单元3包括数据记录模块31、数据更新模块32和数据同步整合模块33；其中：
数据记录模块31，将数据传输单元2传输的监测数据记录在存储服务器内，并分区域管理；
数据更新模块32，将存储服务器内的数据进行更新，删掉往期数据，替换新数据；
数据同步整合模块33，将海缆分布区域内的各分布式监测组件的监测结果进行同步整合。
进一步的，所述地形监测单元4包括地形数据获取模块41、地形模型建立模块42和模型调整模块43；其中：
地形数据获取模块41，包括洋流移动监测组件、海底地形变化移动监测组件和海面航道轨迹监测组件；
地形模型建立模块42，通过地形数据获取模块41收集到的地形信息建立展示模型；
模型调整模块43，根据地形数据获取模块41的更新数据，实时调整模型结构。
进一步的，所述可视化转换单元5包括区域划分模块51、数据可视化处理模块52和界面传输模块53；其中：
区域划分模块51，对地形模型进行区域划分，包括海洋活动频繁区域、船舶活动频繁区域、洋流活动频繁区域和次级监测区域；
数据可视化处理模块52，将同步后接收到的海缆监测信息进行可视化转换；
界面传输模块53，转换后的可视化界面传输至可视化显示终端6。
进一步的，所述可视化显示终端6包括屏显展示终端61、移动个人终端62和同步警示模块63；其中：
屏显展示终端61，通过远程无线传输模块将可视化转换单元5的显示界面传送到液晶屏幕上，工作人员通过计算机控制并调整液晶屏幕；
移动个人终端62，通过远程无线传输模块，将可视化转换单元5的显示界面传送至移动个人终端62，包括智能手机、智能手表和移动式电脑；
同步警示模块63，屏显展示终端61和移动个人终端62上均设置有同步警示模块63，当海缆监测数据出现异常时，进行语音和文字显示提醒工作人员。
进一步的，所述屏显展示终端61和移动个人终端62均设置有个人登录模块，工作人员通过注册个人账号登录屏显展示终端61和移动个人终端62，查看海缆监测数据。
工作原理：将分布式监测组件沿着海缆分布区域进行设置，其中分布式监测组件包括测温组件、震动检测组件、船舶运行监控组件和海缆定位组件；通过无线通讯连接模块21连接至海缆监测组件，并接收海缆监测单元1的监测信息，将信息进行过滤稳定并加密后传输至数据库管理单元3；
数据库管理单元3将海缆监测单元1的监测信息记录到存储服务器内，并将存储服务器内的数据进行更新，删掉往期数据，替换新数据，将同期内的各分布式监测组件进行整合后发送至可视化转换单元5；将分布式地形监测组件沿着海缆分布区域进行设置，对海缆所在的地形状态进行监测，通过收集到的地形信息建立展示模型，并通过不断变化的地形数据，实时调整模型结构；对海缆分布区域内的地形模型进行划分，然后将海缆监测单元1的监测数据进行可视化转换，对不同的区域进行颜色区分，将数据叠加到模型结构上，进行可视化展示；可视化显示终端6包括屏显展示终端61和移动个人终端62，方便工作人员随时查看海缆信息变化数据。
本发明实时监测海缆在海底的数据变化，并能够实时转换成可视化界面进行展示，方便工作人员进行随时查看，发现异常；将分布式监测组件沿着海缆分布区域进行设置，通过无线通讯连接模块连接至海缆监测组件，并接收海缆监测单元的监测信息，数据库管理单元将海缆监测单元的监测信息记录到存储服务器内，将同期内的各分布式监测组件进行整合后发送至可视化转换单元；通过收集到的地形信息建立展示模型，并通过不断变化的地形数据，实时调整模型结构；对海缆分布区域内的地形模型进行划分，然后将海缆监测单元的监测数据进行可视化转换，进行可视化展示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
