CN100349026C - 耐用的光纤阵列 - Google Patents

Abstract

一种光纤水听器或地音探测器阵列，其通过在一个连续的、柔性的圆柱形核心上缠绕光纤而形成。所述圆柱形核心包括一个弹性体，该弹性体填有规定百分比的具有空隙的塑料微球。所述弹性体向光纤提供了必要的径向支撑，而且与所包含的具有空隙的微球一起为水听器的正确运行提供了声压下的足够的径向一致性。所述圆柱形核心可以被制成多个很长的区段，使得可以用单个光纤在所述核心上缠绕成多个光纤水听器，水听器元件之间被整体式反射器隔开，例如是纤维布拉格光栅(FBSs)。核心的中央可以包括强度构件和中空管，以为额外光纤提供通道。然后，上述水听器阵列被装入一个保护性的外部覆盖层或多个覆盖层内，这根据具体应用场合的要求而定。

Description

耐用的光纤阵列

相关申请的交差引用

本发明要求下列美国临时申请的优先权：2002年10月4日提交的序列号为60/416,007的美国临时申请、2003年4月16日提交的序列号为60/463,295的美国临时申请，以及2003年4月24日提交的序列号为60/465,150的美国临时申请，在此通过引用将这些申请明确地并入本文。

发明背景

技术领域

本发明一般涉及用于光纤水听器和水听器阵列的改进设计和构造技术。更具体地，本发明包括一种光纤水听器，其具有一个连续固态的且柔顺的弹性体核心。在某些实施例中，向弹性体核心加入微球以增大声顺。

背景技术

在很多情况下，需要在水下环境中检测声信号。例如，地质勘探经常需要在海面下或其他水体的表面下设置小型爆炸物，引爆爆炸物，然后探测所产生的声信号，以确定海底上或下的各种地貌的结构。另外，也需要能够检测水下传送的声信号，例如由船只、潜艇、鱼或其他动物发出的声信号。

通常，如果需要在水下环境中探测或检测声信号，就会使用称作水听器的传感器。在很多情况下，多个水听器连接在一起，每个水听器之间有规定的间距，从而形成水听器阵列。与使用单个水听器相比较，这样的由多个水听器构成的阵列在需要确定声信号的来源方向或者需要提高灵敏度以改善检测微弱声信号的可能性的情况下特别有用。

常规的水听器阵列由一系列的多个压电元件或传感器构成，每个压电元件都产生一个电压，该电压与传入水听器的声信号的强度成比例。现在这些阵列中所用的典型水听器具有各种电路或其他的电子器件，这些电路或器件与水听器中每个传感器的传感元件相关联。这些相关电路用于对压电传感器所产生的信号进行放大、滤波、数字化、多路复用等处理。因为这些额外的电路或电子器件必需设置在水下，因此电路和电子器件被置于恶劣的条件下，例如由于水听器的部署深度所产生的极限压力或者水听器壳体漏水。为了保护电路，水听器通常包括全密封的装甲壳体。然而，如果电路发生故障，对水听器进行维修就需要从水下部署地点取出水听器，或者经常出现的情况是为了诊断和维修需要取出整个阵列或部分阵列。因为这样的维修既昂贵又费时，而且可能要求使用专用的容器和装置来取出受损的水听器，因此，需要更坚固的声传感器。

一种提高坚固性和可靠性的系统使用光纤传感器作为水听器中的传感元件。这些光纤传感器所用的光纤，通常以高度精确的线圈模型被缠绕在柔顺的气衬型心轴(air-backed mandrels)上，来作为探测介质。这种配置的优点是在传感器处不再需要额外的电路或电子器件，从而使光纤传感器本来就比水听器阵列中所用的其他类型的常规水听器要更加可靠。

在光纤传感器中，光从光源通过光纤被传送到传感器，该光源置于相对良好的环境中。出现在水中的声压波动态地拉紧光纤，从而使在光纤中传输的光产生相移。将移相后的光与基准信号比较，从而产生干涉图样。然后，将所得到的光信号传送到询问器，其将光信号转换成电信号用于解调。

现有的将光纤传感器用作传感元件的水听器阵列有几个缺点。现有光纤传感器的一个缺点就是，光纤通常被缠绕在不连续的中空心轴上，该心轴的刚性足以满足水下部署水听器的静水压力要求，而且该心轴的柔顺度还足以使水中的声压波能够动态地使心轴变形，从而拉紧光纤使通过光纤传输的光产生相移。因此，心轴必须由相对坚硬的塑料或薄金属制成密封的中空圆柱体，该圆柱体在所要求的静水压力下是防漏水的。通常，现有光纤传感器中所用的心轴坚硬而不可弯曲的。这是不利的，因为如果在长的连续区段中制造光纤传感器阵列，以及将这些阵列储存在圆形鼓状物(可在其中部署和取出光纤传感器阵列)上将是很有利的，但是这样的长区段必须是柔性的。

在圆形鼓状物上储存光纤传感器阵列需要柔性，为了促进柔性，心轴必须被制成短的圆柱形压力容器，例如带盖管(capped tube)，带盖管之间有柔性连接从而形成长的连续的可弯曲区段。将缠绕在气衬型心轴上的光纤装配成干涉仪需要相当大的工作量。这个费力的过程包括准备光纤、剪接并重新覆盖光纤、修整光纤、通过机械方式装配压力容器并密封和测试容器和光纤以确保得到的装配件不漏水并按所需的那样运行。

由于光纤是在长的连续的可弯曲区段上缠绕的，必须高度小心，以确保心轴/柔性连接的交界面没有尖锐的或不平的表面，而且在压力或拉力的作用下不会分离、移动或变形，因为这些都会使光纤破裂。另外，阵列强度构件和附加的光纤经常必须沿着连续区段的外表面设置，从而在缠绕/解开操作期间引起光纤的损坏，造成磨损、弯曲、压坏以及类似的损坏。

气衬型心轴光纤水听器的另一个缺点是，这类装置对声音输入具有平坦的光相位响应，该响应为声频的函数。在该声频范围包括了不需要的声信号(例如由鱼、鲸、或其他声源引起的噪声)的情况下，这是不利的，因为这些不需要的声信号的存在限制了整个系统的动态范围，除非该系统的电子器件使用非常高的取样速率来询问传感器才可进行信号分析和噪声消除。

也可以用液体来填充光纤传感器心轴之间及周围的空间，以增强声耦合，从而增强传感器的灵敏度并改进或控制该阵列的浮力。这种结构可能是不利的，因为在部署和缠绕操作期间，以及在正常运行期间，这种填液型光纤传感器阵列容易被刺破，而液体一旦泄漏通常会使阵列产生故障。而且，如果使用的液体是诸如煤油或类似煤油的液体或其他对环境有害的物质，那么液体的泄漏还可能引起有害的污染。

一种可靠坚固的光纤传感器正是现在所需要的，但在本发明之前却无法获得，该传感器克服了气衬型或填液型阵列的缺点，还提高了灵敏度，并且易于制造。本发明可以满足这些需要和其他需要。

发明内容

本发明克服了根据现有技术方法制造的光纤水听器阵列有关的很多缺点。

对于光纤水听器，本发明取消了坚固的气衬型心轴的要求。而是使用连续柔性弹性体的长圆柱形区段来构成水听器结构的基体。光纤被缠绕到一体式的区段上，这些区段完全不存在坚硬心轴/柔性连接的交界面及与它们相关的问题。将具有空隙的塑料微球分散到弹性体基底内，就可为水听器提供柔顺性。控制含有弹性体的微球硬度，以满足特定应用所需的声音灵敏度以及相对于深度的声音灵敏度要求。

使用弹性体基底的一个优点就是，可以根据需要来改变弹性体的动态特性(例如体积模量和泊松比)，从而使传感器的机械响应适应于某个具体应用。这样的适应是有益的，例如能够实现不需要的(即频带之外的)频率响应的机械去除。这种抑制所选频率范围的能力，可以限制光纤传感器的带宽，降低对解调电子器件的要求，而历史上使用现有技术的传感器，要求取样速率的数量级要高于规定的速率，只有这样才能满足奈奎斯特准则，以保持大的动态范围。

另外，用柔性聚合物取代单独的密封坚固心轴，使得水听器或地音探测器区段的中央核心能够让额外的光纤和/或中央强度构件通过。因此，水听器或地音探测器区段的中央核心的构造类似于标准的高强度光纤电信电缆，光纤被保护在薄金属管内，薄金属管被耐用的强度构件和坚固的外罩包围。这样的缆线本来就可承受缠绕/解开，而不会给光纤施加压力。在本发明的一个实施例中，在缆线结构核心的外面同心地挤压具有空隙填充弹性体，从而形成基体，在该基体上缠绕光以形成水听器或水听器阵列。

在本发明的另一个方面中，本发明的水听器可以被设置在一个中空管内，在该中空管内的剩余空间中填充液体(与标准的拖曳式水听器阵列一样)或填充不流动的低切变(shear)聚合化合物。这类填充物的目的就是将水听器与纵向切变波隔离，该切变波会在阵列输出中引起噪声。

在本发明的其他方面中，水听器的外表面可以由坚固耐磨的弹性体外罩构成，从而提供紊流边界层(turbulent boundary layer)噪声抑制。在一个实施例中，可以根据需要将微球加入低切变聚合物和/或弹性体外壳中，以调节水听器阵列的浮力。这个实施例是特别有利的，因为该水听器可被使用，或者换句话说，该光纤水听器可以被拖曳，而无需将其装入一个填满液体的管内，而现有的光纤水听器通常需要装入一个填充液体的管内。

在本发明的另一个方面中，本发明的水听器没有耐磨外罩。在这样的实施例中，水听器可以安装在一个填充液体的管内，如同在现有的拖曳式水听器阵列中常见的那样。

另一个方面，本发明被实施为一种用于检测声信号的连续的柔性圆柱形装置，该装置包括：一个包含声基底的柔性核心、缠绕在该声基底上的光纤、以及在该光纤上形成的至少一个周期性的折射率扰动。在另一个方面，该声基底包括多个空隙。在另一个方面，这些空隙由中空微球形成，微球由可塑性材料(compliant material)制成。

在本发明的又一个方面，柔性核心包括一个中空管，其用于提供一个穿过核心的通道。在一个方面，该柔性核心包括一个强度构件，其用于向核心提供抗拉强度，从而在部署、取回或使用期间，使核心抗拉伸或抗断裂。在另一个方面，柔性核心在中空管的周围包括一个强度构件，其用于向核心提供抗拉强度，从而在部署、取回或使用期间，使核心抗拉伸或抗断裂。

本发明的又一个方面包括一个中间护套，其被设置在金属管和中央强度构件之间。在一个方面，该护套被设置在强度构件上。

在另一方面，本发明的声基底包括一种弹性体材料，其具有选定的动态特性，用于将传感器的频率响应限制在所需的频率范围内。

在又一个方面，光纤在拉紧状态下被缠绕，以形成至少一个光学水听器。在另一个方面，本发明包括一个实施例，其中光纤在拉紧的状态下被缠绕，以形成多个光学水听器，每个水听器被周期性的折射率扰动隔开。在一个方面，周期性的折射率扰动是一个布拉格光栅(Bragg grating)；在另一个方面，周期性的折射率扰动是一个长周期光栅。

在另一个方面，本发明可以包括胶带层，其被设置在光纤下的声基底的周围，并且其摩擦系数小于光纤的摩擦系数。胶带可以由特氟隆或类似材料制成。

在又一个方面，本发明可以包括一个填充条，其在声基底上与光纤相互缠绕(inter-wound)，使得填充条与光纤大致平行。在一个方面，填充条由尼龙构成。在另一个方面，填充条的直径等于或大于光纤的直径。在又一个方面，填充条和光纤在声基底上相互缠绕，使得所缠绕的光纤的相邻匝之间存在空间，该空间由可塑性材料填充，例如热塑性弹性体或解聚橡胶。

在另一个方面，本发明可以包括一个胶带层，其被设置在相互缠绕的填充条和光纤的周围。在一个方面，构成胶带层的材料的摩擦系数小于所述光纤的摩擦系数，例如特氟隆或聚酰亚胺聚合物。

在本发明的另一个方面，一个由弹性体制成的外层，其是空隙地填充的(void filled)。在另一个方面，本发明可以包括一个外管，柔性核心和光纤被设置在外管内，在外管与柔性核心和光纤之间也有空间；以及一种填充在所述空间内的材料，该材料用于将声信号从外管耦合到柔性核心和光纤。在一个方面，该材料是液体，例如Isopar(合成异构烷油)和Norpar(正构烷烃类溶剂)(ExxonMobil Chemical Co.)；在另一个方面，该材料是低切变模量聚合物。

在又一个方面，本发明可以包括一个外部的弹性体层，其被设置在柔性核心和光纤上，该弹性体层包括分散在该弹性体层内的中空微球以调节浮力。

在又一个方面，本发明可以进一步包括一个由低切变材料构成的环，其被设置在至少一对相邻光学水听器间。

在又一个方面，所述微球可由Expancel制成。

根据下面的详细说明，结合附图，本发明的其他特征和优点会变得清晰，说明和附图通过举例的方式阐述了本发明的特征。

附图说明

图1A是本发明的一个实施例的透视图，描述了一个光纤声传感器阵列，该阵列安装在柔性替换核心(sub-core)部件上并装入一个保护套内。

图1B是图1A所示的本发明的实施例的横截面图。

图2是图1实施例的局部放大透视图，示出了缠绕在柔性替换核心部件上的光纤水听器元件的间距。

图2A是图1实施例的部分放大透视图，示出了缠绕在柔性替换核心部件上的光纤水听器元件的间距，并示出了在相邻的光纤绕组之间使用低切变材料或高损耗材料的环来隔绝绕组间的机械运动。

图3是本发明一个实施例的局部横截的透视图，其中水听器阵列置于填充液体的外部保护罩内。

图4是本发明另一个实施例的局部横截的透视图，其中水听器阵列置于外部保护罩内，且其中水听器阵列和外罩之间的空间用低切变固体材料来填充。

图5示出沿着井孔向下部署一个根据本发明一个实施例的水听器阵列。

具体实施方式

现在参考示例性附图，附图仅仅通过举例的方式阐述了本发明的实施例，本发明通常被实施为一种结构或方法，该结构或方法用于形成一种包括相对柔软的核心结构，一个光纤从该核心结构中延伸穿过。一系列加固层和保护层被进一步缠绕在核心上，其中一层包括光纤绕组，在该绕组中形成一个或多个光栅，例如长周期光栅或布拉格光栅。整个结构可以进一步被外部护套包围。在某些实施例中，得到的缆线式结构可以在保护性的圆柱体内延伸，该圆柱体的材料可以根据对本发明的传感器提供额外保护的需要由诸如玻璃、金属、聚合物或其他材料制成，所提供的额外保护具体是取决于部署传感器的环境。

图1是根据本发明的一种固体光纤传感器阵列10的一个实施例的总体图。利用下述的各种材料层形成一个核心子部件(sub-assembly)18，然后在该核心子部件上缠绕光纤17。

在图1所示的实施例中，从核心的最内部开始，该核心子部件包括一个耐用的中空管11。该中空管可以由薄壁金属管材制成，例如但不限于，316不锈钢，或适用于水听器部署环境的其他相对柔性的材料。中空管11提供一个贯穿水听器或水听器阵列整个长度的空间，该空间可以用来容纳额外的光纤12、导线或其他的传输介质，在发送或接收来自水听器或水听器阵列下游侧的传感器或其他装置的信号时，可能需要这些额外的光纤12、导线或其他的传输介质。这种结构可以利用相同的基本缆线式结构来部署大量的水听器阵列。

中空管11可以被中间弹性体层13包围。该中间弹性体层可以向中空管提供保护，并且可以作为粘合层，以帮助形成其他层并帮助将其他层粘合到中空管11。通常用于中间护套13的材料，例如，聚氨基甲酸酯、聚乙烯。

包围弹性体粘合层13的是强度构件14，其由金属线或合成纤维或天然纤维制成。例如，在一个实施例中，通过紧密地缠绕一个合成纤维的致密层可形成强度构件层14，该合成纤维例如芳族聚酰胺纤维或Vectran(Celanese Acetate LLC的一种产品)。在制造和部署阵列期间，强度构件限制了传到水听器阵列结构的受拉应变，从而在部署、取回和操作装载阵列装置期间，防止装置在受拉应变力的作用下失效。

本领域技术人员可以理解的是，可以利用其他高强度的天然纤维或合成纤维，这取决于特定应用所需的设计和操作规格。而且，在本发明的一个实施例中，在将强度构件14加到核心子部件之前，可以在中空管11上缠绕电线，例如双绞线。

强度构件14可以被弹性体层15包围。弹性体层15封装核心子部件的内部层，同时可以维持强度构件14的径向均匀性，并可以作为一种减震装置来使水听器与沿强度构件14传输的震动相隔离。在某些实施例中，弹性体层15被层16包围，层16由可压缩的固体材料(例如弹性体)制成。在一个实施例中，形成层16的弹性体可以是聚氨基甲酸酯或硅橡胶。在另一个实施例中，可以在可压缩的固体材料里加入一种材料形成空隙，加入的材料例如，Expancel(Azko Nobel)闭孔聚乙烯泡沫以及类似的材料。

一旦在中空管11的周围形成层13、14、15、和16，得到的核心子部件18就是连续的柔性长圆柱体，其用作传感光纤17的安装基体。可以使用本领域公知的技术，例如用标准的电缆绕头(taping head)制造技术来缠绕，在选定的拉力下(大约100克)，将传感光纤17封裹到核心部件18上，使得在水听器的各种预期的操作条件下，光纤17保持在拉紧状态。以这种方式将光纤传感器17封裹在核心子部件18的周围，可以确保影响传感器的声波可以使传感光纤均匀变形。如图2所示，纤维布拉格光栅、或长周期光栅，以合适的间距被加入传感光纤17，从而沿着水听器装置的长度方向形成一个或多个声传感器。

可以用各种方法将纤维布拉格光栅加入光纤，这是本领域公知的。这样的一种方法，例如，在在2001年4月24号签发的、题为“Fabricationof Refractive Index Patterns in Optical Fibers having Protective OpticalCoatings”的美国专利6,222,973中所描述的，在此通过引用将该专利的所有内容在并入本文。

一旦光纤17被缠绕在核心子部件上，可以涂上粘合剂来将光纤固定在核心子部件上。也可以在缠绕的过程中涂上粘合剂。在将光纤17缠绕到核心子部件18上之前，核心子部件18可以被包上或覆盖上一个层19，可以是胶带的形式，其材料例如但不限于，特氟隆(DuPont deNemours Co.)、聚酰亚胺或其他合适的材料，该材料相对于光纤17的护套具有较低的摩擦系数。加入低摩擦层19可以确保，在弯曲水听器10的过程中，光纤17可以相对于叠置的层移动，从而降低或消除了引到光纤17上的纵向拉力，该拉力可能导致光纤17的拉伸断裂。

光纤17(包括任何在其中形成的光栅)可以不被覆盖，或者，可以在缠绕之前，被覆盖上金属材料或非金属材料，这取决于使用水听器的具体场合的需要。如果要施加覆盖层，可以用已知的处理方法来覆盖光纤，例如压力法或管材挤压法(pressure or tubing extrusion)。在缠绕之前覆盖光纤17通常可以提高最终合成的传感器的声音灵敏度。

在本发明的一个实施例中，如果光纤17被覆盖上一种固态弹性体或一种包括空隙(其分布在弹性体覆盖层中)的改进弹性体，那么水听器声基底(层16)的制造材料硬度可大于其他情况下可能合适的硬度。例如，层16的制造材料可以是一种具有80或更高的肖氏A型硬度(Shore A hardness)的弹性模数较高的聚合物，例如某种合适的硅聚合物，或某种不可压缩的聚合物，例如未填充聚氨基甲酸酯或聚乙烯的。例如对于由传感器在水中的深度部署所产生的静水压力，在需要降低光纤传感器灵敏度的地方(例如在海洋中或者在油井或气井中)，用这样的材料来形成层16可能是有利的。

光纤17可以与径向支撑条20一起平行缠绕。径向支撑条20可由塑性材料例如尼龙或其他合适的材料制成，并且可在随后的处理(包括部署、缠绕和挤压)中保护传感光纤17。另外，光纤17和径向支撑条20间的间隙体积可以用在标准电缆制造中为阻止水扩散到缆线结构内而使用的那种低模量材料(例如热塑性弹性体)来填充，或替换地可以用诸如解聚橡胶之类的材料来填充。低模量材料层21可以为随后的任何胶带和/或挤压的保护层提供支撑，同时隔离水听器10上的外部剪应力，该剪应力是在水听器10工作时产生的。

在本发明的一个实施例中，层22由例如特氟隆、聚酰亚胺或类似材料制成，层22的摩擦因数小于光纤17的护套的摩擦因数，层22可以覆盖到低模量材料层21上，以确保低模量材料21的径向一致性(radial consistency)。层22可以作为一层胶带缠绕在装置上。层22被层23包围，层23由低剪切强度的弹性体制成，例如聚氨基甲酸酯和硅橡胶和类似的材料，该材料的硬度级大约为30-40肖氏A型硬度。作为噪声消减机构，层23将光纤17与纵向施加的剪应力隔离，该剪应力会在水听器内引起噪声。

覆盖到水听器装置上的最后一层通常是坚硬的弹性体外部护罩24。外部护罩24保护水听器10不受下机械处理应力、磨损应力、部署应力和运行应力的影响。外部护罩24可以由各种合适的材料制成，合适的材料包括，例如，聚氨基甲酸酯、聚乙烯、丁腈橡胶或具有所需物理性质的其他材料。

虽然本发明的一个实施例被描述为被外部护罩24包围，但是在其他实施例中，可以省略外部护罩24以及层21、22和23。然而，这些实施例可能需要被设置在填充液体或填充固体的管内，以保护水听器不受损害，如在现有的拖曳式水听器阵列中常见的那样。

图2描述了水听器阵列30的细节，水听器阵列30包括多个水听器55，水听器55根据本发明上述的实施例形成。在本发明的这个实施例中，可以在一个连续的核心子部件31上形成多个水听器。在缠绕之前，一个或多个纤维布拉格光栅32以预定的间距被加入光纤17(图1)。光栅32间的预定间距(图2)成为水听器的长度33，，该预定间距可以根据被探测信号的类型和波长，以及所需的灵敏度和成像能力而改变。在每个纤维布拉格光栅之间的这个长度的光纤就是一个独立的传感元件55。光纤17以一定的节距缠绕在核心子部件31上，该节距的选择要根据声学要求保持水听器的声音灵敏度和间距33。

根据本发明的相邻的水听器可以被不同中心波长的光栅所界定。例如，在一个实施例中，第一水听器区段被具有第一中心波长的光栅所界定，第二水听器被具有第二中心波长的光栅所界定，第二中心波长不同于第一中心波长。因为用本领域公知的信号处理技术可以对来自两个阵列的信号进行分离和分析，所以这种类型的阵列提供了波分复用。

一个潜在的问题就是，相邻传感器间发生的机械运动可能会降低阵列的敏感度。通过在层15、和由层16构成的声基体之间加入一薄层例如肖氏A型硬度大约为30-40的聚氨基甲酸酯或类似材料之类的低切变材料，可以降低或消除这种机械耦合。在一个替换实施例中，相邻传感器间机械运动的隔绝可以通过下述方式实现，在相邻传感器的区段上，用低切变材料或高损耗材料25构成的环来替换由层16构成的声基体，如图2A所示。

图3示出了本发明的一个替换实施例，所示的水听器60是根据上述内容形成的，但省去了水听器装置中包围光纤17的外部层。在这个实施例中，水听器60安装在拖曳式阵列经常所用的那类填液型水听器阵列。水听器60可以包括外部层和保护覆层24，水听器60被安装在一个填有液体65的管70内，液体65例如Isopar和Norpar(ExxonMobilChemical Company)、或其他合适的液体。管70用来保护水听器60，同时液体65将水听器声耦合到外部管壳，以尽可能地使从管70的外部传到水听器60声信号的衰减减少，并将管70和水听器60间的剪应力隔绝。

图4示出了本发明的又一个实施例，所示的水听器80是根据上述内容形成的，但省去了水听器装置中包围光纤17的外部层，尽管并不一定要求除去这些外部层，而且如果存在这些外部层的话，该装置仍然可以工作。在这个实施例中，水听器80安装在一个具有外部护罩90的水听器阵列内。水听器80安装在管90内，管90被设计用来保护水听器，并填充有低剪切强度的固态填充材料85，填充材料例如一种聚合物可以包括分散在整个聚合物中的空隙，从而增强传向水听器80的声信号的声耦合，以尽可能地使从管90的外部传到水听器80的声信号的衰减减少，并隔绝管90和水听器80间的剪应力。

图5所示是一个应用实例，其利用了一个部署在钻孔内的根据本发明的水听器阵列。根据本发明的钻孔水听器阵列100可以被部署在油井或气井105内、或任何其他诸如地热井之类的钻孔内。引线电缆110包括一个为阵列100输入和输出信号的光纤元件，该引线电缆110被用来利用部署装置115将阵列100降到井内。引线电缆110被连接到声接收器120，接收器120包括所有必需的电子器件和光学组件，以提供沿着光纤向下到达阵列100内的光束，并且还可以分析从阵列返回的信号的相移，并将那些信号转换成一种代表所接收到的声信号的形式，并可以被显示、打印或进一步分析。另外，询问器120可以被设计成与额外的处理装置例如计算机或计算机网络通信。这种通信可以通过导线或其他硬连接(包括光网络)来实现，也可以通过无线方式来实现。

对于本领域技术人员而言显而易见的是，使用标准电缆制造技术(例如挤压或绕线)，核心子部件和外部层可以被制成连续的、一体式的均匀区段。核心部件的这些区段能够被一个连续的光纤缠绕，从而产生水听器阵列，按照适当间距隔开的纤维布拉格光栅可以提供所需的传感器间隔。这些包含阵列的连续的、一体式的区段可以在常规线轴上缠绕，并可以用常规的部署工具部署这些区段。因此，本发明的新颖性特征在于提供了一种系统和方法，用来提供易于部署的水听器阵列或地音探测器阵列，这些阵列是耐用的，而且能够适应恶劣的环境。

虽然已经描述和说明了本发明的几种特定形式，但明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (37)

1.一种用于检测声信号的连续的、柔性的圆柱形装置，其包括：

一个包含声基底的柔性核心，所述声基底包含多个由中空微球形成的空隙；

一个缠绕在所述声基底周围的光纤；以及

在所述光纤上形成的至少一个光栅。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述微球由可塑性材料制成。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述柔性核心包括一个中空管，其用于提供穿过所述核心的通道。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述柔性核心包括一个强度构件，其用于向所述核心提供抗拉强度，从而在部署、取回、或使用期间使所述核心抗拉伸或抗断裂。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述柔性核心在所述中空管的周围包括一个强度构件，其用于向所述核心提供抗拉强度，从而在部署、取回、或使用期间，使所述核心抗拉伸或抗断裂。

6.根据权利要求5所述的装置，进一步包括一个中间护套，其被设置在所述中空管和    中央强度构件之间。

7.根据权利要求4所述的装置，进一步包括一个护套，其被设置在所述强度构件上。

8.根据权利要求6所述的装置，进一步包括一个护套，其被设置在所述强度构件上。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述声基底包括一种弹性体材料，其具有选定的动态特性，用于将所述传感器的频率响应限制在所需的频率范围内。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述光纤在拉紧状态下被缠绕，以形成至少一个光学水听器。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述光纤在拉紧状态下被缠绕，以形成多个光学水听器，每个所述水听器被光栅隔开。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述光栅是一个布拉格光栅。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述光栅是一个长周期光栅。

14.根据权利要求1所述的装置，进一步包括包括一个胶带层，所述胶带层被设置在光纤下的声基底的周围。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述胶带的摩擦系数小于所述光纤的摩擦系数。

16.根据权利要求14所述的装置，其中所述胶带由特氟隆制成。

17.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个填充条，其在所述声基底上与所述光纤相互缠绕，使得所述填充条与所述光纤大致平行。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述填充条由尼龙制成。

19.根据权利要求17所述的装置，其中所述填充条的直径等于或大于所述光纤的直径。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述填充条和所述光纤在所述声基底上相互缠绕，使得所缠绕的光纤的相邻匝之间存在空间，该空间由可塑性材料填充。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述可塑性材料是热塑性弹性体。

22.根据权利要求20所述的装置，其中所述可塑性材料是解聚橡胶。

23.根据权利要求21所述的装置，进一步包括一个胶带层，其被设置在所述相互缠绕的填充条和光纤的周围。

24.根据权利要求23所述的装置，其中构成所述胶带层的材料的摩擦系数小于所述光纤的摩擦系数。

25.根据权利要求24所述的装置，其中所述材料是特氟隆。

26.根据权利要求24所述的装置，其中所述材料是聚酰亚胺聚合物。

27.根据权利要求1所述的装置，其中所述光纤包括由弹性体构成的外层。

28.根据权利要求27所述的装置，其中所述弹性体是空隙地填充的。

29.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：

一个外管，所述柔性核心和所述光纤被设置在所述外管内，在所述外管与所述柔性核心及光纤之间也有空间；以及

一种填充在所述空间内的材料，该材料用于将声信号从所述外管耦合到所述柔性核心和光纤。

30.根据权利要求29所述的装置，其中所述材料是液体。

31.根据权利要求29所述的装置，其中所述材料是低切变模量聚合物。

32.根据权利要求30所述的装置，其中所述液体是Isopar。

33.根据权利要求30所述的装置，其中所述液体是Norpar。

34.根据权利要求29所述的装置，进一步包括一个外部的弹性体层，其被设置在所述柔性核心和光纤上，该弹性体层包括分散在所述弹性体外层内的中空微球以调节浮力。

35.根据权利要求29所述的装置，其中所述材料是弹性体材料，其具有多个分散在整个弹性体材料内的微球，用于向所述柔性核心和光纤提供压力补偿的结构性支撑。

36.根据权利要求11所述的装置，进一步包括一个由低切变材料构成的环，其被设置在至少一对相邻光学水听器间。

37.根据权利要求1所述的装置，其中所述微球由Expancel制成。

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