一种基于微结构光纤水听拖曳缆的全分布式水声传感系统的制作方法

本发明属于水声传感领域，更具体地，涉及一种基于微结构光纤水听拖曳缆的全分布式水声传感系统。

背景技术：

近年来，海洋探测的重要性越发凸显出来，并成为研究的焦点。但无论是光波还是无线电等，在水中的传播衰减都非常大，无法满足人类海洋活动(如水下目标探测、水下通信)等方面的需要。因此，利用声波作为信息载体对水下目标声学特性的监测不仅在水下军事通信、导航与反潜作战中有非常重要的地位，而且在和平时期已经成为人们认识、开发和利用海洋资源的重要手段。

目前，光纤水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐恶劣环境和水下无电等特点，其中，基于光纤干涉仪原理的点式光纤水听器在近年来发展迅速。基于光学干涉仪结构的多点水听拖曳缆阵列主要是采用各种高灵敏的光学结构作为水声传感单元，比如法布里-帕罗(f-p)干涉仪、马赫曾德(mz)干涉仪、迈克尔逊(mi)干涉仪等。这种干涉仪结构可以将外接振动有效转化为干涉仪中谐振波长的变化，通过各种波长解调方法或者强度解调方法，实现对水下声波的实时探测能力。

然而，光纤干涉仪结构的光纤水听器结构复杂，制备成本较高。同时，为了实现多点传感阵列，这种点式光纤水听器的成缆方式主要利用时分、空分和波分复用技术，然而，由于多点复用技术的复用容量有限，并且传感网络中各个传感器之间容易产生串扰噪声，难以实现大容量的传感阵列，因此，单点式组网的水听传感阵列的探测距离与声波探测空间密度之间存在相互制约的关系。同时，基于点式干涉仪水听器组网的传感网络中，各传感器之间的光传输区域无法响应声波信号，因此存在测处未变，变处未测的测量盲区问题。而且基于干涉仪的拖曳缆其传感单元结构一般相对比较复杂，需要精密的水下封装抵抗海洋的水压和腐蚀，导致其水听拖曳缆的尺寸和重量往往都比较大，不利于使用时进行快速部署。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微结构光纤水听拖曳缆的全分布式水声传感系统，其目的在于为水下探测提供轻量化的长距离、高灵敏的全分布式水听拖曳缆。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微结构光纤水听拖曳缆的全分布式水声传感系统，包括：

光源模块，用于产生探针光和本振光；

光脉冲调制模块，用于将探针光调制为超窄光脉冲，并进行光放大；

环形器，用于将超窄光脉冲注入到轻量化全分布式水听拖曳缆内的微结构光纤，并将经过微结构光纤背向散射回来的后向瑞利散射光返回相干接收模块；

轻量化全分布式水听拖曳缆，包括拖曳缆本体和缠绕在拖曳缆本体上的微结构光纤；其中，微结构光纤用于对超窄光脉冲进行背向散射，形成后向瑞利散射光，实现全分布式水下声波传感；

相干接收模块，用于将后向瑞利散射光与本振光进行干涉混频，得到散射拍频信号，并将其转换为电拍频信号；

数据处理模块，用于对电拍频信号进行相位解调，得到沿轻量化全分布式水听拖曳缆分布的无盲点声波信息。

进一步地，轻量化全分布式水听拖曳缆为圆形直缆结构，其中，拖曳缆本体包括从内到外依次分布的刚性芯轴层和弹性增敏层；

刚性芯轴层，用于抵抗拖曳缆在拖曳过程中的轴向拉伸形变，同时保证拖曳缆在海洋中悬浮；弹性增敏层，包裹在刚性芯轴层上，用于在水下声压信号的作用下收缩或膨胀，实现拖曳缆的横向声波传感；

微结构光纤，螺旋紧绷缠绕在弹性增敏层上，其长度随着弹性增敏层收缩或膨胀发生变化，使各处的相位相应变化，从而将弹性增敏层的横向形变转化为微结构光纤的轴向应变。

可选地，微结构光纤以等间距均匀的方式螺旋缠绕在弹性增敏层上，将弹性增敏层的横向形变转化为微结构光纤的轴向应变，实现全分布式水声传感增敏。

进一步地，通过改变微结构光纤缠绕截距和弹性增敏层的表面周长来调节拖曳缆对水下声波的空间分辨率。

可选地，微结构光纤以局部密集的方式螺旋缠绕在弹性增敏层上，组成高灵敏、小尺寸的水声传感单元，实现小道距、高灵敏的水声传感单元阵列。

进一步地，通过改变相邻密集缠绕区域的间距，来调节拖曳缆对水下声波的空间分辨率。

优选地，轻量化全分布式水听拖曳缆还包括包裹在微结构光纤和弹性增敏层上的透声防水层；所述透声防水层用于为微结构光纤提供横向静水压保护，同时将水声信号传递至弹性增敏层。

优选地，轻量化全分布式水听拖曳缆还包括封装在拖曳缆最外部的保护套，用于保护拖曳缆的内部结构。

可选地，刚性芯轴层由凯夫拉纤维包裹在硬铝合金缆或钢缆表面形成；硬铝合金缆或钢缆，具有较大的杨氏模量，用于抵抗拖曳缆拖曳过程中的拉伸形变；低密度凯夫拉纤维，同样具有大杨氏模量，抗拉性能强，同时可以调整水听拖曳缆的整体密度，使拖曳缆的密度与海水接近，保证拖曳缆在海洋中悬浮。

进一步地，弹性增敏层采用弹性较大的硅橡胶、氟橡胶等。

进一步地，透声防水层采用硬度较大的弹性体，比如聚氨酯橡胶tpu、热塑性弹性体tpe、热塑性橡胶tpr等。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)与传统的光纤水听器拖曳缆相比，本发明提供的水声传感系统不是利用复用技术将传统的点式水听器串联起来，而是采用光时域反射技术，实现水听拖曳缆的全分布解调。拖曳缆内部的微结构光纤可以采取间距均匀，或局部密集两种方式螺旋缠绕，均匀缠绕方式可以实现沿水听缆的全分布式声波采集，不存在传感盲区；局部密集的缠绕方式可以获得高灵敏、小尺寸的水声传感单元，实现小道距、高灵敏的水声传感单元阵列；相对于现有的压电陶瓷水听器和光纤干涉仪水听器，该拖曳缆可以实现高灵敏度、全分布式的水声传感。

(2)本发明提供的整个拖曳缆为圆形直缆，在结构上实现了全固态和轻量一体化，极大减小了水听拖曳缆的体积和重量，降低光缆铺设成本，且在实际应用时可快速部署，制作工艺相对传统拖曳缆也比较简单，可实现批量化工业加工生产。同时具有环境适应能力强、使用寿命长、无需供电等优势，可快速部署，满足现代海军反潜作战和海洋资源勘探的需求。

(3)本发明设置弹性增敏层对水听拖曳缆进行横向增敏设计，提高水听拖曳缆的横向水声传感灵敏度；并且通过改变微结构光纤在弹性增敏层上的缠绕方式和具体参数可实现拖曳缆对水下声波的空间分辨率的调节。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于微结构光纤水听拖曳缆的全分布式水声传感系统实施例示意图；

图2是本发明实施例中拖曳缆结构示意图；

图3是本发明实施例中拖曳缆均匀缠绕结构图；

图4是本发明实施例中拖曳缆密集缠绕结构图；

图5是本发明实施例中拖曳缆垂直紧密缠绕结构图；

其中，1为光源模块，2为光脉冲调制模块，3为环形器，4为轻量化全分布式水听拖曳缆，5为相干接收模块，6为数据处理模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于微结构光纤水听拖曳缆的全分布式水声传感系统，包括：光源模块1，用于产生探针光和本振光；光脉冲调制模块2，用于将探针光调制为超窄光脉冲，使光脉冲宽度小于光在两个相邻微结构点之间的飞行时间，再进行光放大；环形器3，用于将超窄光脉冲通过第一端口a和第二端口b注入到轻量化全分布式水听拖曳缆4上的微结构光纤；并将经过微结构光纤背向散射回来的后向瑞利散射光经过第三端口c返回相干接收模块5；其中，微结构光纤以螺旋方式缠绕在拖曳缆内部，实现全分布式水下声波传感；相干接收模块5，用于将后向瑞利散射光与本振光进行干涉混频，得到散射拍频信号，并将其转换为电拍频信号；数据处理模块6，用于对电拍频信号进行相位解调，得到沿轻量化全分布式水听拖曳缆分布的声波信息。

进一步地，光源模块1包括窄线宽激光器11和光耦合器12，本发明实施例采用9：1的光耦合器；超窄线宽激光器11产生的一束激光经过光耦合器12进行分束，分别产生一束强度较高的探针光和一束强度较低的本振光；光脉冲调制模块2包括声光调制器21和掺铒光纤放大器22；探针光输入到声光调制器21后，被调制为窄脉冲序列，并产生200mhz的移频。经过脉冲调制后的探针光，再输入到掺铒光纤放大器22中进行脉冲放大；相干接收模块5包括光耦合器51和平衡光电探测52，本发明实施例采用2×2的光耦合器；光耦合器51将后向瑞利散射光与本振光进行干涉混频，得到散射拍频信号，该散射光拍频信号再由平衡光电探测52所接收并转换为电拍频信号。信号处理模块6利用正交相位解调，得到微结构光纤上不同位置处的相位变化，进而得到沿拖曳缆4分布的无盲点相位信息，最终提取出沿拖曳缆4分布的无盲点声波信息。

如图2所示，轻量化全分布式水听拖曳缆4为圆形直缆结构，包括从内到外依次分布的：刚性芯轴层42，用于抵抗拖曳缆在拖曳过程中的轴向拉伸形变；弹性增敏层43，包裹在刚性芯轴层42上，用于在水下声压信号的作用下收缩或膨胀，增强拖曳缆的横向声波灵敏度；微结构光纤41，螺旋紧绷缠绕在弹性增敏层43上，其长度随着弹性增敏层收缩或膨胀发生变化，使各处的相位相应变化，从而将增敏层的横向形变转化为微结构光纤的轴向应变；透声防水层44，包裹在微结构光纤41和弹性增敏层43上，防止拖曳缆内部结构和微结构光纤被海水侵蚀；保护套45，封装在拖曳缆最外部，用于保护拖曳缆的内部结构，提高拖曳缆的使用寿命。

考虑到该拖曳缆工作在30m深水底，刚性芯轴层由凯夫拉纤维包裹在硬铝合金缆或钢缆表面形成，硬铝合金缆，具有较大的杨氏模量，用于抵抗拖曳缆拖曳过程中的拉伸形变；低密度凯夫拉纤维，同样具有大杨氏模量，抗拉性能强，同时可以调整水听拖曳缆的整体密度，使拖曳缆的密度与海水接近。本实施例中芯轴层选用杨氏模量为7.03e+10pa和泊松比为0.345的刚性材料，同时为了保证拖曳缆的抗压性和声压灵敏度，芯轴层的直径为8mm，实际应用中可根据需要调节。

考虑到光纤对横向的压力不敏感，本发明在刚性芯轴层外包裹一层由声压敏感材料形成的弹性增敏层，微结构光纤将以一定的间距螺旋紧绷缠绕在弹性增敏层上，当水下声压信号作用在拖曳缆上时，弹性增敏层将会根据声压信号收缩或膨胀，紧绷缠绕在弹性增敏层上的微结构光纤将会随着弹性增敏层相应地收缩或膨胀，使微结构光纤的长度发生变化，进而微结构光纤中各处的相位就会发生相应变化。本发明中弹性增敏层采用弹性较大的硅橡胶、氟橡胶等。本实施例中，弹性增敏层选用杨氏模量为3.2e+7pa和泊松比为0.465的弹性较大的硅橡胶材料，并且为了增大拖曳缆的声压灵敏度和方便使用，增敏层的厚度为23.5mm，实际应用中可根据需要调节。同时，为了防止微结构光纤和增敏材料被海水侵蚀，在微结构光纤和弹性增敏层外还包裹一层由聚氨酯构成的透声防水层。透声防水层采用硬度较大的弹性体，比如聚氨酯橡胶tpu、热塑性弹性体tpe、热塑性橡胶tpr等。

当外界水声作用在拖曳缆上时，微结构光纤中携带这些声波信息的后向瑞利散射光被das系统中的探测器接收并转换为电信号，由信号处理模块进行相位解调提取出声波信息。声压灵敏度可以通过后向瑞利散射光的相位变化与拖曳缆微所处环境的声压p比值求得，其单位是rad/pa，忽略由泊松效应和弹光效应引起的相位变化，只考虑由光纤长度变化δl带来的相位变化可以表示为2nkδl，其中n为微结构光纤的折射率，k为光在微结构光纤中传输是的波矢大小。对声压灵敏度的计算方式和相位变化分析可以得到，声压灵敏度与微结构光纤的微结构点间距成正比，但是考虑到系统的空间分辨率，微结构光纤的微结构点间距不宜过长，在本实施例中，微结构光纤采用抗弯光纤来降低弯曲损耗，并且微结构点间距为5米，在弹性增敏层上可以垂直(光纤缠绕的倾斜角很小趋向于0)紧密(光纤缠绕的间距很小趋向于0)缠绕约14圈，如图4所示，当有声波信号作用在拖曳缆上时，弹性增敏增外表面的半径变化幅值为δd，则微结构光纤上微结构点之间的光纤长度变化为14πδd，引起的微结构光纤中后向瑞利散射光的相位变化为28nkπδd，所以在弹性增敏层使用声音敏感材料可以增大增敏增外表面的半径变化幅值δd，同时由于光纤紧密缠绕在增敏层外表面，光纤每一圈的长度变化会被累计叠加起来，来起到增大声压灵敏度的效果，在本实施例中，拖曳缆的灵敏度可达-133dbre：1rad/μpa。

缠绕式结构除了可以实现增敏效果之外，还可以改变分布式水听拖曳缆对水下声波的空间分辨率。微结构光纤的缠绕方式可以如图3所示，均匀等间距的缠绕在弹性增敏层上，实现全分布式水声传感增敏。其中，水听拖曳缆的空间分辨率的决定关系为：水听拖曳缆空间分辨率(微结构光纤中散射增强点两点间距*缠绕截距)/(弹性增敏层表面周长+缠绕截距的平方)。本实施例中，根据实际的应用需求，通过调节微结构光纤缠绕截距和弹性增敏层表面周长来调节拖曳缆对水下声波的空间分辨率。同时，微结构光纤的缠绕方式也可以如图4所示，局部密集的缠绕在弹性增敏层上。相比均匀间距的缠绕方法，局部密集的缠绕方式可以形成高灵敏、小尺寸的水声传感单元，实现小道距、高灵敏的水声传感单元阵列。在局部密集缠绕方式下，高灵敏水声传感阵列的空间分辨率仅取决于两密集缠绕区域的间距，水声传感单元的灵敏度则取决于密集缠绕区域的光纤长度。密集缠绕区域的侧向横截面示意图如图5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。