CN105628169A - 基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统 - Google Patents

基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，包括：分布式光纤声传感解调仪(1)，该分布式光纤声传感解调仪用于发射光脉冲，并对反射的瑞利散射光进行相位解调。传输光缆(2)，用于传输光脉冲，并产生瑞利散射光。光纤地震检波器阵列(3)，其包括多个光纤水听器单元(30)，每个光纤水听器单元按照一定的间隔固定在所述传输光缆上，用于对微弱水声信号的探测。本发明通过分布式光纤声传感技术实现大规模传感单元组网，通过声压增敏实现对微弱水声信号探测，该光纤水听器系统具有结构简单、组网能力强、成本低等特点。

Description

基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统
技术领域
本发明涉及水声传感领域，特别是用于测量水下声信号的被动式光纤水听器应用。
背景技术
光纤水听器是一种的被动式无源声探测装置，可以测量水声信号，用于水下目标的探测。与传统的电传感器相比，光纤水听器具有结构简单、体积小、重量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰、全光传输传感距离长的特点，适合在长时间在水下环境工作。光纤水听器在海洋资源勘探，水下入侵监测等领域有着巨大的应用价值。
光纤水听器系统有多种实现方式：一种是基于光纤激光器的光纤水听器系统，采用光纤激光器作为敏感单元，通过膜片式的结构实现增敏形成光纤水听器，每个水听器所用的光纤激光器波长不同，因此通过波分复用的方式形成一维水听器阵列，通过相位解调技术分别对每个水听器进行信号还原。一种是基于干涉仪的光纤水听器系统，采用迈克尔逊或者马赫曾德干涉仪作为传感单元，通过时分复用的方式实现水听器形成一维水听器阵列，通过相位解调系统对分别对每个水听器进行信号还原。基于光纤激光器的水听器系统单纤目前最多阵元数量为16个，阵元数量主要受限于泵浦光功率衰减以及光反射问题，另外由于采用光纤激光器作为敏感元件，成本较高。基于干涉仪的光纤水听器系统，采用迈克尔逊或者马赫曾德干涉仪作为传感单元，每个水听器单元包括光纤耦合器和/或法拉第旋转镜等光学元件，光功率衰减问题突出，因此基于干涉仪的水听器系统单纤最多阵元数量为数十个。无论是基于光纤激光器或者干涉仪的光纤水听器系统，为实现数百个传感单元的阵列规模，需要结合波分、空分、时分以及频分等各种复用技术，整个系统结构十分复杂，且成本高昂。
分布式光纤传感技术利用检测传输光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传输光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。基于相位生成载波技术的分布式光纤声传感系统(申请号CN201410032610)可以实现传输光纤任意位置处的振动或声信号探测，但由于传输光纤灵敏度较差，难以用于微弱水声信号的探测。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，具备大规模阵元数量的优势，同时具有微弱水声信号探测能力，且结构简单，成本低。
为达到上述目的，本发明提出了一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，包括：
分布式光纤声传感解调仪，该分布式光纤声传感解调仪用于发射光脉冲，并对反射的瑞利散射光进行相位解调。
传输光缆，用于传输光脉冲，并产生瑞利散射光。
光纤地震检波器阵列，其包括多个光纤水听器单元，每个光纤水听器单元按照一定的间隔固定在所述传输光缆上，用于对微弱水声信号的探测。
其中所述光纤检波器单元的间隔应大于等于分布式光纤声传感解调仪的空间分辨率。
其中光纤水听器单元用于对所述传输光缆中的传输光纤进行声压增敏。
其中光纤水听器单元采用涂覆式或者膜片式结构。
其中光纤水听器单元采用涂覆式结构，其通过在所述传输光缆中的传输光纤表面直接涂覆弹性材料形成。
其中所述弹性材料的涂覆长度小于1m，涂覆厚度小于1cm。
其中光纤水听器单元采用膜片式结构，包括：中心开孔的两个圆形弹性膜片和中控管状刚性支架；所述传输光缆中的一段传输光纤依次穿过其中一圆形弹性膜片、中空管状刚性支架和另一圆形弹性膜片，所述圆形弹性膜片的中心开孔与所述传输光纤粘接固定，所述两个圆形弹性膜片的周边与中空管状刚性支架的两端固定。
本发明的优点在于，通过分布式光纤声传感技术实现大规模传感单元组网，通过声压增敏实现对微弱水声信号探测，该光纤水听器系统具有结构简单、组网能力强、成本低等特点。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例和附图对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明提供的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统的示意图。
图2是涂覆式光纤水听器单元的结构示意图。
图3是膜片式光纤水听器单元的结构示意图。
图1中，1为分布式光纤声传感解调仪、2为传输光缆、3为光纤水听器阵列、30为光纤水听器单元。图2中，301为弹性材料、302为传输光缆中的传输光纤。图3中，302为传输光缆中的传输光纤、303为弹性膜片、304为刚性支架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参考图1，本发明提供一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，包括：
一分布式光纤声传感解调仪1，该分布式光纤声传感解调仪用于发射光脉冲，并对反射的瑞利散射光进行相位解调。
一传输光缆2，用于传输光脉冲，并产生瑞利散射光。
一光纤水听器阵列3，该光纤水听器阵列由若干光纤水听器单元(30)组成，每个光纤水听器单元30按照一定间隔固定在所述传输光缆2上，实现对测量微弱水声信号的探测。
光纤水听器单元用于对传输光纤进行声压增敏，可采用涂覆式或者膜片式结构。
在本实施例中，分布式光纤声传感解调仪用于发射光脉冲，并对光纤瑞利散射光进行相位解调。分布式光纤声传感解调仪能够还原传输光缆和光纤水听器阵列任意位置处的振动或者声信号，其空间分辨率一般在1m至10m之间，对于10km的传感距离，可以得到1000至10000个传感单元。传输光缆一般采用铠装光缆，光缆内部的传输光纤能够探测外界振动或者声信号，但探测能力有限，无法满足微弱信号探测。针对微弱水声探测，需要对传输光缆内部的传输光纤进行声压增敏形成光纤水听器单元，光纤水听器单元通过串联形成光纤水听器阵列。为保证光纤水听器单元间不存在串扰，光纤水听器单元间隔应大于等于光纤声传感解调仪的空间分辨率。
基于分布式声传感技术的光纤水听器单元是通过对传输光纤直接进行声压增敏而形成的独立传感单元，无需任何光纤光栅、光纤激光器、光纤耦合器等光学元件，因此结构简单、制作容易且成本低。根据增敏方式不同对应类型的光纤水听器单元，图2为涂覆式光纤水听器单元的结构示意图，图3为膜片式光纤水听器单元的结构示意图。
如图2所示，涂覆式光纤水听器单元是在一段传输光纤的表面直接涂覆弹性材料(比如弹性橡胶等)，当外界水声信号作用于弹性材料时，形成较大弹性形变，进而对传输光纤实现增敏。涂覆长度和厚度可任意调节，涂覆长度通常小于1m，涂覆厚度通常小于1cm。
如图3所示，膜片式光纤水听器单元是将一段传输光纤依次穿过一圆形弹性膜片，中空管状刚性支架和另一圆形弹性膜片。圆形弹性膜片中心开孔与传输光纤通过胶水固定，弹性膜片周边与中空管状刚性支架的两端通过胶水粘接固定。当外界水声信号作用于弹性膜片时，引起弹性膜片发生形变，进而带动光纤产生形变实现声压增敏，通过选择膜片材料、膜片厚度和大小可以实现对声压灵敏度的调节。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，包括：
分布式光纤声传感解调仪(1)，该分布式光纤声传感解调仪用于发射光脉冲，并对反射的瑞利散射光进行相位解调；
传输光缆(2)，用于传输光脉冲，并产生瑞利散射光；
光纤地震检波器阵列(3)，其包括多个光纤水听器单元(30)，每个光纤水听器单元按照一定的间隔固定在所述传输光缆上，用于对微弱水声信号的探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤检波器系统，其中所述光纤检波器单元的间隔应大于等于分布式光纤声传感解调仪的空间分辨率。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，其中光纤水听器单元(30)用于对所述传输光缆中的传输光纤进行声压增敏。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，其中光纤水听器单元(30)采用涂覆式或者膜片式结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，其中光纤水听器单元(30)采用涂覆式结构，其通过在所述传输光缆中的传输光纤表面直接涂覆弹性材料形成。
6.根据权利要求5所述的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，其中所述弹性材料的涂覆长度小于1m，涂覆厚度小于1cm。
7.根据权利要求4所述的一种基于分布式光纤声传感技术的光纤水听器系统，其中光纤水听器单元(30)采用膜片式结构，包括：中心开孔的两个圆形弹性膜片和中控管状刚性支架；所述传输光缆中的一段传输光纤依次穿过其中一圆形弹性膜片、中空管状刚性支架和另一圆形弹性膜片，所述圆形弹性膜片的中心开孔与所述传输光纤粘接固定，所述两个圆形弹性膜片的周边与中空管状刚性支架的两端固定。
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