广东省空天地海一体化网络工程实验室

一、平台基本情况
　　1. 批准立项年份：2018
　　2. 平台负责人：李朝晖
　　3. 平台联系人： 唐万婵，联系方式：15602239166

二、平台概述
　　广东省空天地海一体化网络工程实验室依托中山大学、华南理工大学、暨南大学、广州海格通信集团股份有限公司与广州程星通信科技有限公司，旨在提高我省战略性新兴产业的自主创新能力和核心竞争力，是“区域自主创新支撑体系的重要组成部分”。致力于构建面向广东省特定应用的南海地区空天地海广域试验示范网络，能实现广域、海洋、一带一路及近海经济带的网络覆盖，满足海上移动互联需求。搭建无限接入节点的海上互联网平台，形成可实际应用的海上互联网信息接入体系，开展近海战略性移动互联网服务产业典型示范系统。

三、平台研究方向
　　1. 基于海底光缆的分布式传感技术
　　2. 基于多参量海底光纤传感仓的海洋信息分析
　　3. 新型多模态大容量光纤通信网络

四、研究水平与贡献
　　代表性成果1：光纤光栅型传感器的信号解调新方法
　　研究中，我们围绕光纤传感器的信号处理提出了新的机器学习分析方法，对光纤光栅型温度传感器及光纤倾斜光栅的折射率传感器分别提出了卷积神经网络的优化模型，通过深度卷积神经网络和引入残差模块等方式，实现了对光栅光谱的直接解调，并获得高精度的传感参量信息。图 1给出了研究中基于光纤光栅温度传感器的机器学习分析结果。研究中提出了深入卷积神经网络模型，并通过不同温度下的光栅光谱，实现了全光谱直接预测出对应的温度值，预测的温度均方误差约0.09 ?C，说明了该模型具有很好的预测准确性。每个光谱样本的预测时间仅为1.66ms，即可实现速率超过500Hz的实时在线预测。通过降低原始数据的采样率，如图 1（c）所示，不同采样率的光谱仍可得到同样精度的温度结果，说明所提出的方法具备降低硬件分辨率的潜力，进而降低整个传感系统的成本。相关的研究成果发表在J. Light. Technol.，同时也在2021光学仪器与技术国际会议上做口头报告，并发表会议论文。

图1研究中基于光纤光栅温度传感器探索新的传感信号解调方法。
（a）实验验证装置示意图，（b）不同采样率下的光栅光谱，（c）不同温度下的光栅光谱，（d）通过深入卷积神经网络模型预测的温度值与设定值的比较

　　在此基础上，我们进一步发展了机器学习的算法模型，在深入神经网络基础上，引入了残差模块，并实现了倾斜光纤光栅型传感器的信号解调，解决了倾斜光纤光栅光谱复杂难以快速实时解调的难题。图2给出了研究中基于倾斜光纤光栅折射率传感器的全光谱解调分析结果。研究中，我们利用图2（b）所示的实验装置，针对两种分辨率的解调仪（分别为8pm，166pm），采集了超过5000个光栅光谱，并利用图2（c）所示的残差卷积神经网络模型，对实验测得光谱进行验证，测试结果表明该模型适用于直接解调倾斜光纤光栅光谱，并可得到绝对值误差在4x10-4的准确度，测试集数据的均方误差可达2.9x10-7，准确度在99.82%，预测结果如图 2（d）所示。虽然硬件分辨率降低20倍以上之后，同样的模型仍可获得类似精度的预测结果。由此可看出，我们提出的新的光谱解调方法，可在保证精度前提下，进一步降低光谱采集的硬件分辨率要求，进而降低传感系统的成本。该项研究成果为实现实时、在线分析倾斜光纤光栅型传感器提供了新的方案，并在一定程度上解决了该类型光谱需要离线分析的难题。单个光谱的解调时间约5ms，可实现速率高于200Hz的实时解调。该速率针对开发为快速的振动传感器也具有很好的实时性，可直接对倾斜光栅加速度传感器实现快速实时的光谱解调。相关研究成果发表在J. Light. Technol.。同时，在此基础上，研究中我们进一步实现了数据升维的处理，通过格兰姆角度转换，将一维的光谱数据转换为二维的图形格式，并结合卷积神经网络模型，实现了传感器的信号解调，相关成果在Asia Communications and Photonics Conference (ACP 2022) 国际会议上进行口头报告并发表会议论文。

图2 研究中基于残差卷积神经网络实现了倾斜光纤光栅传感器的全光谱解调。
（a）倾斜光纤光栅传感器的结构示意图，（b）基于不同分辨率的解调仪采集倾斜光栅光谱的装置示意图，
（c）残差卷积神经网络的模型框图，（d）基于提出的机器学习模型直接解调全光谱预测的折射率结果

     代表性成果2：基于振动加速度传感器的海底环境监测应用
　　研究中，我们还针对海底环境监测开发了一套水下光纤传感系统，集成了包括振动加速度、温度、压力等多类型的光纤传感器。该水下传感仓的核心部分为光信号微解调系统和信号发送模块，主要服务于多类传感器的传感信号解调、分析、传输。光信号解调系统是用于探测连接系统光纤光栅反射的波长，主要实现了以下几个功能：（1）测量光纤光栅工作波长，并内部存储数据；（2）实现外部网络与解调系统内微型计算机通信，并实时控制光纤光栅工作状态和数据的传输；（3）通过USB RS485转接口控制传感仓内光纤光栅工作波长，如图3所示。

图 3研究中利用研制的振动加速度传感器开发的海底环境监测系统。
（a）海底多参量光纤传感器系统原理示意图，（b）研究中开发的水下多参量光纤传感器系统样机，
（c）研究中在南海某区域对样机开展的外场海试验证，
（d）多参量光纤传感系统样机测得结果，其中振动传感器能直观的反映出样机系统周围海水的扰动情况

　　为了验证研制的多参数光纤传感仓样机在温度、深度、振动测量的稳定性和仓体水密的可靠性，该系统在珠海外海水深30米的区域进行水下测试工作，现场如图 3（c）所示。该多参量光纤传感仓利用绳索悬吊在海水中，每隔一段时间下降5米，直至传感仓下降至水下15 m左右。测试过程中，通过水密电池对解调仓实施供电，测试结果如图 3（d）所示。为了验证多参量光纤传感仓系统中温度和深度传感器的可靠性，测试中选用商用化标准电学温盐深传感系统采集到的数据与光学传感器对比。图3（d）所示结果给出多参量光纤传感仓系统和商用化标准电学温盐深传感系统采集到温度分布和水深分布，可以看出两种类型的传感器得到的测试数据一致。随着水深度的增加，传感仓系统获取的温度逐渐降低。图3（d）结果中同时给出了多参量传感仓系统x-轴方向和z-方向加速度随时间的变化图，从图中可以看出系统在13:43、14:41、16:03、17:16时刻分别采集到振动信号，主要是因为传感仓每个一段时间调节一次深度引起的振动。从初步的海试验证结果，可以看出多参量传感仓系统工作环境随时间的变化，各传感器的工作状态随之改变并保持稳定的数据获取能力，证明多参量传感仓系统具有一定的稳定性。以上的研究成果，发表在Front. Mar. Sci.上。

　　代表性成果3：基于海底光缆的分布式光纤感知系统 
　　本年度采用研制的分布式光传感设备，使用中国珠江口的港澳之间的三角岛和桂山岛之间的海底通信光缆，成功测量了不同频率和速度的海浪、200 公里以内的微震、远东地区 Mw 4.3 — Mw 6.3 地震和船只航行活动等事件。在这个系统中，我们的光传感设施位于三角岛的电信控制机房。基于我们的试验环境，进行长达十个月的长期传感和监测。利用光纤传感的优势，它无需对传感器进行供电，只在机房进行数据采集，可以实现长时间的在线实时的监测。
　　

图4 珠海海域海底光缆2 公里和 11 公里之间测量的 (f-k) 谱

　　图 4 显示了基于我们的测试环境得到 频率波数 (f-k)谱，该数据集在距离三角岛 2 公里至 11 公里的 14 分钟内记录。通过f-k 谱，我们可以计算相速度作为不同频率的不同海洋声学信号的频率与波数之比，它描述了海浪传播特性。在 f-k 谱中，象限 1 和象限 3 显示具有正相速度的波，而象限 2 和象限 4 显示具有负相速度的波。相速度的符号表示海浪波沿光纤中传播的方向。从图中可以看到正值表示向东传播的波，而负值表示向西传播的波。由于大多数海洋表面重力波的频率分量低于 0.3 Hz，图中的象限 2 和 4 中的低频（< 0.3 Hz）的负相速度能量更多。说明在这个期间，向西传播的海面重力波强于向东传播的波，这与实际观测相符。此外，图 4中的白色虚线表示海面重力波的色散关系。这些测试数据表明它能为海洋的波浪与潮汐的监测提供一种新型的解决方案。
　　地面光纤分布式传感已成功用于检测地震，与传统的分离式海底地震仪（OBS）相比，它有传感元件数量多、潜在监测面积大、微震和远震检测的可能性等优点。如下图所示，UTC0 2022-03-13 18:28:47，我们观测了中国广东省惠州市附近海域（22.48°N，115.06°E）震中21公里MW 4.0地震记录。
　　

图5中国广东省惠州市附近海域MW 4.0地震P波和S波记录

　　图 5 可以清楚地看到地震的 P 波和 S 波，但发现部分位置信号微弱。这种现象可能是由于Phi-OTDR技术的破坏性干扰衰落问题，以及铺设光缆的复杂海底地质和环境。为了更好地显示检测到的地震，对每个通道使用平均标准偏差归一化来缓解这种差异。如图5所示，P波和S波分别在地震发生后约24.5 s和41.5 s到达我们的测试光纤。通过这些时间间隔，我们可以计算出P波和S波的平均传播速度，分别为5.9 km/s和3.47 km/s。值得一提的是，图5中表示P波和S波的绿色虚线并不是绝对笔直的，而是有一定的倾斜和弧度。这是由海底光缆的实际敷设位置决定的。多个光纤传感元件与震中的距离略有不同；因此，P 波和 S 波在较早的时间到达较近的光纤部分。
　　

图6  2021 年 9 月和 10 月期间检测到的部分地震图

　　通过和广东省地震局报道的地震做对比，我们分析了2021 年 9 月和 2021 年 10 月期间检测到的一些选定地震。如图6显示在海底通信光缆成功检测到 在2021年9月和10月期间检测到的部分地震地图。如图6中国台湾沿海地震（24.55°N，121.80°E，2021-10-24，Mw 6.3），日本附近的近海地震（32°N，138.6°E，2021-10-21，Mw 5.6），菲律宾沿海（14.00°N，120.60°E，2021-09-27，Mw 5.7），广西内陆中国省 (23.39°N, 106.71°E, 2021-09-11, Mw 4.3), 中国四川省内陆一区 (29.20°N, 105.34°E, 2021-09-16, Mw 6.0).这些地震的震中距离我们的海底光纤有几百甚至几千公里。我们能够监测更多在广东省内的微震事件，因为这些震中与我们的海底光纤之间的距离约为 200 公里或更短，从而降低了地震的能量波传播损失，而更容易测量。我们在广东省发现了两个主要地震区，东源市附近地区（23.76°N - 23.92°N，114.48°E - 114.64°E）和阳江市附近地区（21.73°N - 21.74°N，111.75°E — 111.79°E)，两者都位于沿海地区，在图 的插图中浅蓝色椭圆内，与广东省地震局 (GSB) 的记录一致。这些微震的震级都在Mw 2以下，最弱的是Mw 1.1。除了地震，我们的系统还可以检测到其他人工瞬态声信号，可以使用高级机器学习算法的频谱和时域分析将有助于将地震信号与其他干扰振动区分开来。
　　

图7 从桂山码头到珠海港的每日渡轮航迹

　　在珠海海域人为的海洋活动十分繁忙，利用海底光缆的分布式光传感，可以很容易地检测和分析由不同船舶引起的船行波，因此我们可以实现该区域的船舶航行监控。通过我们的测试环境，我们监控了每天从桂山码头到珠海港的渡轮。如图所示，桂山码头与珠海港之间的轮渡航线穿过海底光纤铺设方向，海缆虽然埋在10m的海底下，也能感知由船渡轮产生的海浪轨迹。图 7显示了航行渡轮在 6 分钟和 4 公里的时间距离窗口中的轨迹。最高震动幅度的渡轮轨迹用黑色虚线标记。我们可以计算出它的速度为 26 公里/小时。不过，这个速度并不是渡船的航行速度，由于摆渡路线与纤维方向存在夹角，该值仅对应摆渡沿纤维方向投射的速度。有了轮渡的航线和角度信息，我们就可以计算出轮渡的航行速度。即使不知道这些信息，我们也可以获取一定时期内通过该区域铺纤路线的船只，这对于安全起见也很重要。以上成果发表在《IEEE Communications Magazine》，文章名称《Photonic Integrated Sensing and Communication System Harnessing Submarine Fiber Optic Cables for Coastal Event Monitoring》