一种高敏声磁动态拖缆及其设计方法与流程

本发明涉及一种高敏声磁动态拖缆及其设计方法，属于海洋监测。

背景技术：

1、在海洋中，声波是唯一能够实现远距离传播的能量传递形式，声纳设备以及水听器等由于能够在远距离侦听到潜艇等发出的声音信号而在海洋观测及海防监测方面在海洋监测中扮演者重要的角色。近年来我国海光缆企业取得了长足发展，在大长度海光缆制造方面有所突破，但在海洋观测及海防监测方面目前还不成熟，就具体技术方案来说，由光纤水听器及磁感探测器构成新的海防传感系统，是目前正在开发的新兴防卫系统。传统的水下监测缆，敷设方式主要采用固定海底的方式敷设在水底泥下，其具备多个缺点：其一，不具备灵活性，在被声呐等设备探测到之后位置暴露即失效；其二：结构采用层绞的形式，探测灵敏度低，因此仅适用于浅海固定区域的适用，无法满足动态化的资源勘查以及海防需求。因此急需开发一种海洋声磁探测系统，使其满足低铺设成本和高灵敏度的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高敏声磁动态拖缆及其设计方法以解决上述技术问题。

2、实现本发明目的的技术方案是：

3、一种高敏声磁动态拖缆，包括中心加强件、挤包浮体层、光电单元、加强层、内护套层、特种光纤层和声透外护套层，所述中心加强件设置于中心位置，中心加强件与内护套层之间设置有挤包浮体层、光电单元和加强层，所述内护套层外围设置有特种光纤层，特种光纤层外围设置有声透外护套层；所述光电单元包括光纤通信单元和电单元。

4、本方案中，利用挤包浮体层降低拖缆总体密度，利用中心加强件和加强层增强拖缆强度，使得拖缆可在海水中实现悬浮，本方案中将探测光纤层设置在光电缆芯的外层，避免了内部的电磁干扰，与外部信号源更近。

5、所述高敏声磁动态拖缆以光纤为载体，用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信号，再进行解调，从而获得待测量值。该缆采用先进的光纤声感技术，通过高敏度的光学相干检测，将水声振动转换为光信号，再传至信号处理系统提取信号信息；该缆还采用先进的光纤磁感技术，根据磁场导致光的偏振旋转的原理，采用高敏磁感涂层材料的磁感光纤，在磁感下会发生可检测的偏振旋转。多根检测光纤经过小节距疏绕后进一步提高了敏感度和分辨率，单根可适用于百米以上长距离分布式多点测量，灵敏度高、抗电磁干扰性能好，可广泛应用于海底地震预测、资源勘查、潜艇监测等场景。

6、单根声磁拖缆长度约200m,分为弹性前段、工作段、弹性后端三部分，其中弹性前段挂于拖船的甲板，工作段为拖缆的主体部分，拖缆的密度为1,00～1.06g/cm3。

7、进一步地，所述挤包浮体层紧贴中心加强件，所述光电单元设置于挤包浮体层和内护套层之间，所述加强层填充于光电单元的缝隙中。

8、或者，所述光电单元紧贴中心加强件，所述挤包浮体层设置于光电单元外层，所述所述加强层填充于光电单元的缝隙中。

9、在设计时，还可以将中心加强件设计为分支结构，当分支结构的底部圆弧半径与光电单元的半径一致时，光电单元可得到更好的支撑，此时将加强层设置于光电单元与挤包浮体层之间的缝隙中，亦可保证拖缆的整体强度。

10、在设计中，可根据实际需要更换挤包浮体层和光电单元之间的位置，只要满足总体密度控制要求即可。

11、进一步地，所述中心加强件为高强度非金属复合材料，所述挤包浮体层为复合泡沫材料或/和聚氨酯发泡材料，所述加强层为凯夫拉纤维或碳纤维。

12、在选材时，需要使得拖缆总体参数满足gb/t 18480-2001海底光缆规范机械性能要求，具体来说，浅海单铠海底光缆的断裂拉伸负荷fb需满足180kn,工作拉伸负荷需满足60kn，拖缆在工作时需要在侦测海水指定深度范围内来回拖曳工作，需要保持一定的灵活性及耐弯曲性能。所述中心加强件需要采用需采用轻型高强度材料，具体参数上需要根据破断力公式计算中心加强件和加强层的大小。

13、进一步地，所述高强度非金属复合材料为玻璃纤维增强复合塑料gfrp、凯夫拉纤维增强复合塑料afrp或碳纤维增强复合塑料cfrp。

14、进一步地，所述中心加强件的外径为5～8mm，所述挤包浮体层密度0.3～0.4g/cm3，厚度5～10mm；所述内护套层为pe材料，厚度为0.8～1.2mm，内护套外径20～25mm。

15、上述方案中，凯夫拉芳纶的抗拉强度为4400～5500mpa，其具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的4～5倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在保持拖缆整体强度的同时可有效降低拖缆尺寸，减少材料消耗。经计算，22mm2的凯夫拉芳纶可替代8mm2的钢丝。

16、本发明还提供上述一种高敏声磁动态拖缆的设计方法，包括以下步骤：

17、s1：根据声磁拖缆的敷设水深测算水压；

18、s2：确定拖缆的破断力，选择合适的材料；

19、s3：确定挤包浮体层尺寸；

20、s4：确定光电单元尺寸；

21、s5：确定内护套层尺寸；

22、s6：确定疏绕特种光纤绞合节距；

23、s7：确定拖缆的最终外径；

24、s8：确定缆的外护套抗压性能；

25、s9：计算拖缆的密度。

26、上述设计方法中，各步骤之间参数关系十分明确，在设计时可进行精确量化，有效节约后续参数调试和测试成本。

27、进一步地，所述步骤s1中采用的计算公式为p＝ρgh，式中ρ为海水密度，g为重力加速度，h为敷设水深；

28、所述步骤s2中采用公式为破断力公式，先计算中心加强件尺寸d0后计算加强层总体面积s；

29、所述步骤s3中，挤包浮体层尺寸的计算公式为d1＝d0+2δ1,其单位长度重量为w1＝ρ1×π×(d12-d02)/4，其中δ1为浮体厚度，ρ1为浮体密度；

30、所述步骤s4中，光电单元尺寸的计算公式为d2＝d1+2×d21，其中d21为光电单元的直径，其单位长度重量w2＝n×ρ2×s2+2×10，其中ρ2为光电单元密度；

31、所述步骤s5中，内护套层尺寸计算公式为d3＝d2+2×δ2,其中δ2内护套层厚度，内护套层重量w3＝ρ3×π×(d32-d22)/4，其中ρ3为内护套材料密度；

32、所述步骤s6中，特种光纤单元以p＝2d3的小节距方式绕制,根据节距确定绞入率对应每公里使用光纤长度为6λ。

33、所述步骤s7中，缆的最终外径d4＝d3+2×δ3，其中δ3为声透外护套层厚度，声透外护套层重量为w4＝ρ4×π×(d42-d32)/4，其中ρ4为声透外护套层材料密度；

34、所述步骤s8中，声透外护套层抗压强度p＝(σs×2×σ)/(d4-2σ)，其中σs为声透外护套层材料屈服强度，σ为内护套层厚度；

35、所述步骤s9中拖缆的密度ρ5＝w/s，其中w＝∑w0～4,s＝π×d42/4,计算ρ与ρ2的关系，如果ρ5＞ρ，则增加d1大小或降低ρ1、ρ3或者ρ4密度，如果ρ5＞ρ，则降低d1大小或增加ρ1、ρ3或者ρ4密度。

36、根据上述步骤中的详细公式，可采用计算软件推知各参数对最终产品的影响关系，通过进行关键参数设置简化设计步骤。

37、进一步地，所述步骤s1中，h为5～50m；

38、所述步骤s2中d0大小为5～8mm；

39、所述步骤s3中ρ1为0.3～0.4g/cm3，δ1为5～10mm；

40、所述步骤s4中光电单元包含5～10根1.8～2.0mm2电单元以及1～2根通信光纤单元；

41、所述步骤s5中δ2为0.8～1.2mm，d3为20～25mm；

42、所述步骤s6中特种光纤单元为3～6根，至少包含一根提供参考相位的g657弯曲不敏感光纤，一根高敏声学探测光纤，一根高敏磁感光纤，p的范围为40～50mm；

43、所述步骤s7中，δ3为2.0～3.0mm。

44、上述方案中采用声磁探测特种光纤采用弯曲不敏感光纤，最低弯曲半径可达10mm,光纤采用尼龙紧包后外径达到0.9mm，特种光纤单元以小节距方式绕制，以增加单位长度内的纤长，提升敏感度和分辨率。

45、进一步地，所述步骤s4中采用的电单元为二类导体软铜线。

46、采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

47、1)相比传统海洋监测缆，本设计利用材料特性以及理论计算确定拖缆的参数，大幅降低了拖缆的材料使用，且拖缆的安全性、继续性能更高；

48、2)取消传统海洋监测缆的钢丝外铠层，使用碳纤维杆、凯夫拉纤维等轻质高强度材料，在满足抗拉性能的情况下，大幅降低拖缆的尺寸，提升拖缆的弯曲性能，保证了拖缆在浅深海区域的适用性；

49、3)相比传统海洋监测缆，本设计将拖缆的光电信号传输层与监测层分开，有效降低拖缆工作过程中的电磁干扰，监测层采用小节距疏绕的方式贴合于拖缆的最外层声透层区域，提升监测的灵敏度；

50、4)相比传统海洋监测缆，本设计采用先进的光纤声感技术，通过高敏度的光学相干检测技术监测水下声音及振动，该缆还采用先进的光纤偏振磁感技术，采用高敏磁感涂层材料的磁感光纤，在磁感下会发生可检测的偏振旋转，双管齐下，保障监测性能的准确性及精度；

51、5)本设计对使用的各类材料严格甄选，通过精确的材料性能参数定制各类材料，对材料强度、热老化性能、密度、弹性模量等做详细的规定，在生产前以及生产过程中同步进行检测及调整，确保拖缆的密度符合要求；

52、6)相比传统水下监测拖缆，本设计采用了各类轻型耐弯材料，最终缆外径在30～40mm，约为传统水下监测拖缆的一半，同时大幅降低了缆体的弯曲性能，使得工作船在拖曳工作时保持灵活性。