CN107907202A - 一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法。本发明的本法发明采用在一根保偏传感光纤上刻制7个等间距的光栅，并将此保偏传感光纤依次缠绕于互相垂直且设置在质量块的第一至第六弹性筒上，并且光栅位于质量块上，然后基于双脉冲方案，实现互相垂直的三个维度的振动矢量测量，并在测量过程中基于自身结构的特殊设计实现了消除共模噪声而无须附加的参考加速度计；本发明无须其他附加光无源器件，具有结构简单等优点；基于弱反射光纤光栅的推挽式的自身特殊结构，实现了对传感系统共模噪声的抑制，而无须使用附加的参考加速度计，从而降低传感系统成本及体积，在大规模准分布式监测中优势更加明显。

Description

一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法

技术领域

本发明涉及光纤水听器，具体涉及一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法。

背景技术

声波是一种机械波，相比较于电磁波如光波与无线电波而言，声波在水中可以实现低衰减远距离传输，因而是人类获取海洋地层构造有效信息的重要媒介。而水听器作为采集接收水下声波信息的重要声学测量设备，在海底油气藏勘探，海底微地震监测以及军事反潜等领域有着广泛运用。与传感电子水听器相比较而言，基于光纤传感技术的光纤水听器具有抗电磁干扰，灵敏度高，湿端无源，体积小，质量轻，易于形成分布式监测网络等优点，自1977年由Bucaro提出后[1-2]，其发展日益受到学术界与工业界的广泛关注。

光纤水听器一般可分为标量水听器以及矢量水听器两类。标量水听器主要测量水下声压信息，而与传统的标量水听器相比，矢量水听器可以实现测量水下质点振动，因而可以获得更完善的水下声场信息。一般而言，光纤矢量水听器由组成水平、垂直和前后三个维度的加速度计组成，感应振动加速度信息，因而可理解为测量水下振动信号的三分量加速度计。在所有光纤加速度计类型中，基于迈克尔逊干涉仪原理的弹性筒顺变柱体结构是应用主流，并在此基础上逐渐发展改进得到推挽式顺变柱体加速度计。这种结构的好处是可以增加传感器灵敏度，并且易于做成平衡结构，使传感器的抗干扰能力提高。然而当需要组合复用的时候，其推挽结构就很难实现。此外传统基于迈克尔逊干涉仪结构的光纤加速度计在复用过程中光无源器件(如耦合器，法拉第旋镜等)成倍增加，将极大的增加传感系统的成本和体积，此问题是制约其大规模阵列复用的关键因素。

近年来基于弱反射光纤光栅的干涉型加速度计逐渐引起关注，与传统迈克尔逊结构相比，基于弱反射光纤光栅的加速度计仅需要在一根普通光纤上刻制光栅即可以实现多点准分布式传感而无须附加的光无源器件，因而有利于大规模复用而实现准分布式测量。

此外，噪声本底是评价传感系统优劣的重要指标之一，而共模噪声的存在则极大的影响了系统的噪声本底，对水下声波及振动测量造成不利影响，因而必须对共模噪声进行抑制。传统抑制共模噪声的方法主要是通过在传感系统中引入附加的参考加速度计(又名哑元)，此参考加速度计由于其特殊结构设计而对外界振动信号并不敏感，因而并不参与实际传感探测。通过传感加速度计与参考加速度计所解调出来的相位相减实现对共模噪声的抑制。

目前在光纤矢量水听器中，通过在传感系统中引入附加的参考加速度计从而抑制共模噪声的手段主要有以下缺陷：(1)传统手段消除的共模噪声主要来源于前端系统，如激光器，声光调制器等，然而对外界环境引入至矢量水听器本身的噪声无法抑制；(2)参考加速度计一般情况下对水下振动信号仍然有一定的灵敏度，因而通过矢量水听器与参考加速度计相位相减的方式将会把一部分有用水下振动信号滤出；(3)附加的参考加速度计的引入将会增加传感系统的成本与体积。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法；基于自身结构达到消除系统共模噪声的目的而无须附加的参考加速度计，从而降低系统成本与体积并实现水下大规模复用阵列。

本发明的一个目的在于提出一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器。

本发明的实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器包括：质量块、第一至第三芯轴、第一至第六弹性筒、第一至第六压盖、一根保偏传感光纤、第一至第七光栅以及金属外壳；其中，质量块为形状中心对称的实心体；第一至第三芯轴互相垂直，分别沿X轴、Y轴和Z轴，从质量块的中心穿过，并且每一根芯轴的两端均穿出质量块，三个芯轴相交于质量块的中心；第一至第六弹性筒的结构相同，均为中空的筒状；第一和第二弹性筒分别共轴套在第一芯轴穿出质量块的两端上；第三和第四弹性筒分别共轴套在第二芯轴穿出质量块的两端上；第五和第六弹性筒分别共轴套在第三芯轴穿出质量块的两端上；在第一至第六弹性筒的顶端分别设置第一至第六压盖，第一至第六压盖分别压在各自相对应的芯轴的顶端，从而将对应的弹性筒固定在压盖与质量块之间；在保偏传感光纤上刻制有等间距排布的第一至第七光栅；在质量块和第一至第六弹性筒的外侧壁上，按照顺序缠绕保偏传感光纤，使得第一至第七光栅分别位于质量块上，并且第i光栅与第i+1光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕于第i弹性筒上，i＝1,2,....,6；缠绕好保偏传感光纤的质量块和第一至第六弹性筒放置在金属外壳中，第一至第六压盖分别固定在金属外壳的内壁上；时域上相互独立的双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二至第七光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括七个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第七光栅时，同样产生包括七个脉冲的第二返回脉冲序列；由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生第一干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生第二干涉脉冲，以此类推，一共产生第一至第六干涉脉冲；当光纤矢量水听器受到外界振动时，质量块引导第一至第六弹性筒沿各自的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，第一和第二干涉脉冲中携带X方向的外界振动信息，第三和第四干涉脉冲中携带Y方向的外界振动信息，第五和第六干涉脉冲中携带Z方向的外界振动信息；分别将第一至第六干涉脉冲进行相位解调，并分别将解调后的携带X方向的外界振动信息的第一与第二干涉脉冲、携带Y方向的外界振动信息的第三与第四干涉脉冲以及携带Z方向的第五与第六干涉脉冲的相位相减，从而得到在三个维度上抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。

质量块的材料采用金属。

第一至第六弹性筒采用有机聚合物材料。

第一至第七光栅的反射率在5％～10％。相邻的光栅之间的距离不小于10米。

本发明的另一个目的在于提供一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器的传感方法。

本发明的实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器的传感方法，包括以下步骤：

1)在保偏传感光纤上刻制等间距排布的第一至第七光栅；

2)将保偏传感光纤按照顺序缠绕在质量块和第一至第六弹性筒的外侧壁上，使得第一至第七光栅分别位于质量块上，并且第i光栅与第i+1光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕于第i弹性筒上，i＝1,2,....,6；

3)发射时域上相互独立的双脉冲，双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距；

4)当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二至第七光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括七个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第七光栅时，同样产生包括七个脉冲的第二返回脉冲序列；

5)由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生第一干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生第二干涉脉冲，以此类推，一共产生第一至第六干涉脉冲；

6)当光纤矢量水听器受到外界振动时，质量块引导第一至第六弹性筒沿各自的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，第一和第二干涉脉冲中携带X方向的外界振动信息，第三和第四干涉脉冲中携带Y方向的外界振动信息，第五和第六干涉脉冲中携带Z方向的外界振动信息；

7)分别将第一至第六干涉脉冲进行相位解调，并分别将解调后的携带X方向的外界振动信息的第一与第二干涉脉冲、携带Y方向的外界振动信息的第三与第四干涉脉冲以及携带Z方向的第五与第六干涉脉冲的相位相减，从而得到在三个维度上抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。

本发明的优点：

本法发明采用在一根保偏传感光纤上刻制7个等间距的光栅，并将此保偏传感光纤依次缠绕于互相垂直且设置在质量块的第一至第六弹性筒上，并且光栅位于质量块上，然后基于双脉冲方案，实现X轴、Y轴和Z轴三个维度的振动矢量测量，并在测量过程中基于自身结构的特殊设计实现了消除共模噪声而无须附加的参考加速度计。

与传统基于迈克尔逊干涉仪结构的光纤矢量水听器相比，主要具有以下优点：(1)无须其他附加光无源器件(如耦合器，法拉第旋镜)，具有结构简单等优点；(2)基于弱反射光纤光栅的推挽式的自身特殊结构，实现了对传感系统共模噪声的抑制，而无须使用附加的参考加速度计，从而降低传感系统成本及体积，在大规模准分布式监测中优势更加明显。

附图说明

图1为本发明的实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器的一个实施例的金属外壳内部的示意图；

图2为本发明的实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器的一个实施例沿XZ轴的剖面图；

图3为本发明的实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器的一个实施例的脉冲时序图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和2所示，本实施例的实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器包括：质量块1、第一至第三芯轴21～23、第一至第六弹性筒31～36、第一至第六压盖41～46、一根保偏传感光纤5、第一至第七光栅M1～M7以及金属外壳6；其中，质量块为形状中心对称的实心体；第一、第二和第三芯轴分别从质量块的中心穿过，并且两端穿出质量块，第一至第三芯轴互相垂直，分别沿X轴、Y轴和Z轴，相交于质量块的中心；第一至第六弹性筒的结构相同，均为中空的筒状；第一和第二弹性筒分别共轴套在第一芯轴穿出质量块的两端上；第三和第四弹性筒分别共轴套在第二芯轴穿出质量块的两端上；第五和第六弹性筒分别共轴套在第三芯轴穿出质量块的两端上；在第一至第六弹性筒的顶端分别设置第一至第六压盖，从而将弹性筒限定在各自所对应的压盖与质量块之间；在保偏传感光纤上刻制有等间距排布的第一至第七光栅；在质量块和第一至第六弹性筒的外侧壁上，按照顺序缠绕保偏传感光纤，使得第一光栅位于质量块上，第一与第二光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕在第一弹性筒上，第二光栅位于质量块上，第二与第三光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕在第二弹性筒上，第三光栅位于质量块上，第三与第四光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕在第三弹性筒上，第四光栅位于质量块上，第四与第五光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕在第四弹性筒上，第五光栅位于质量块上，第五与第六光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕在第五弹性筒上，第六光栅位于质量块上，第六与第七光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕在第六弹性筒上，第七光栅位于质量块上；缠绕好保偏传感光纤的质量块和第一至第六弹性筒放置在金属外壳中，第一至第六压盖分别固定在金属外壳的内壁上；

在本实施例中，保偏传感光纤5采用单模保偏光纤，总长62米；相邻的两光栅相距10米，共60米，在两端各留1米作为尾纤；第一至第七光栅的性能参数保持一致：中心波长为1554.12nm，光栅的反射率控制在5％的较低反射率标准以保证单个脉冲经过7个光栅反射回来的光强保持基本一致，同时需要指出由于光栅的反射率较低，因为光脉冲在多个光栅间的来回反射效应可以忽略；另外光栅的3dB带宽设置为1nm。质量块为实心球体，安装有第一至第六弹性筒的表面为平面。

如图3所示，时域上相互独立的双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，5％的光受到反射，95％的光继续向前传播并依次经过第二至第七光栅，并且依次有5％光反射，产生包括七个脉冲11～17的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第七光栅时，同样产生包括七个脉冲21～27的第二返回脉冲序列；由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生第一干涉脉冲X1，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生第二干涉脉冲X2，以此类推，直至第一返回脉冲序列的第七个脉冲与第二返回脉冲序列的第六个脉冲产生第六干涉脉冲Z2，一共产生X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2，共6个干涉脉冲；当光纤矢量水听器受到外界振动时，质量块引导第一至第六弹性筒沿各自的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，第一和第二干涉脉冲X1和X2中携带X方向的外界振动信息，第三和第四干涉脉冲Y1和Y2中携带Y方向的外界振动信息，第五和第六干涉脉冲Z1和Z2中携带Z方向的外界振动信息；将分别携带X、Y和Z方向的外界振动信息的第一与第二干涉脉冲、第三与第四干涉脉冲和第五与第六干涉脉冲的相位解调并将解调后的相位相减，从而得到在三个维度上抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

参考资料：

[1]J.H.Cole,R.L.Johnson,P.G.Bhuta.Fiber-optic detection of sound[J].J.Acoust.Soc.Am.,1977,62(5):1136～1138

[2]J.A.Bucaro,H.D.Dardy,E.F.Carome.Fiber-optic hydrophone[J].J.Acoust.Soc.Am.,1977,62(5):1302～1304

[3]N.Zeng,C.Z.Shi,M.Zhang,L.W.Wang,Y.B.Liao,and S.R.Lai,“A 3-component fiber-optic accelerometer for well logging,”Opt.Commun.,vol.234,no.1–6,pp.153–162,Apr.2004.

[4]J.Sancho,S.Chin,D.Barrera,S.Sales,and L.Thévenaz,“Time-frequencyanalysis of long fiber Bragg gratings with low reflectivity,”Opt.Express,vol.21,no.6,pp.7171–7179,2013.

[5]F.Liu et al.,“Efficient Common-Mode Noise Suppression for Fiber-Optic Interferometric Sensor Using Heterodyne Demodulation,”J.Light.Technol.,vol.34,no.23,pp.5453–5461,Dec.2016.

Claims (6)

1.一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器，其特征在于，所述光纤矢量水听器包括：质量块、第一至第三芯轴、第一至第六弹性筒、第一至第六压盖、一根保偏传感光纤、第一至第七光栅以及金属外壳；其中，所述质量块为形状中心对称的实心体；所述第一至第三芯轴互相垂直，分别沿X轴、Y轴和Z轴，从质量块的中心穿过，并且每一根芯轴的两端均穿出质量块，三个芯轴相交于质量块的中心；所述第一至第六弹性筒的结构相同，均为中空的筒状；所述第一和第二弹性筒分别共轴套在第一芯轴穿出质量块的两端上；第三和第四弹性筒分别共轴套在第二芯轴穿出质量块的两端上；第五和第六弹性筒分别共轴套在第三芯轴穿出质量块的两端上；在第一至第六弹性筒的顶端分别设置第一至第六压盖，第一至第六压盖分别压在各自相对应的芯轴的顶端，从而将对应的弹性筒固定在压盖与质量块之间；在保偏传感光纤上刻制有等间距排布的第一至第七光栅；在质量块和第一至第六弹性筒的外侧壁上，按照顺序缠绕保偏传感光纤，使得第一至第七光栅分别位于质量块上，并且第i光栅与第i+1光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕于第i弹性筒上，i＝1,2,....,6；缠绕好保偏传感光纤的质量块和第一至第六弹性筒放置在金属外壳中，第一至第六压盖分别固定在金属外壳的内壁上；时域上相互独立的双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距，当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二至第七光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括七个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第七光栅时，同样产生包括七个脉冲的第二返回脉冲序列；由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生第一干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生第二干涉脉冲，以此类推，一共产生第一至第六干涉脉冲；当光纤矢量水听器受到外界振动时，质量块引导第一至第六弹性筒沿各自的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，第一和第二干涉脉冲中携带X方向的外界振动信息，第三和第四干涉脉冲中携带Y方向的外界振动信息，第五和第六干涉脉冲中携带Z方向的外界振动信息；分别将第一至第六干涉脉冲进行相位解调，并分别将解调后的携带X方向的外界振动信息的第一与第二干涉脉冲、携带Y方向的外界振动信息的第三与第四干涉脉冲以及携带Z方向的第五与第六干涉脉冲的相位相减，从而得到在三个维度上抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。

2.如权利要求1所述的光纤矢量水听器，其特征在于，所述质量块的材料采用金属。

3.如权利要求1所述的光纤矢量水听器，其特征在于，所述第一至第六弹性筒采用有机聚合物材料。

4.如权利要求1所述的光纤矢量水听器，其特征在于，所述第一至第七光栅的反射率在5％～10％。

5.如权利要求1所述的光纤矢量水听器，其特征在于，相邻的光栅之间的距离不小于10米。

6.一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

1)在保偏传感光纤上刻制等间距排布的第一至第七光栅；

2)将保偏传感光纤按照顺序缠绕在质量块和第一至第六弹性筒的外侧壁上，使得第一至第七光栅分别位于质量块上，并且第i光栅与第i+1光栅之间的那部分保偏传感光纤缠绕于第i弹性筒上，i＝1,2,....,6；

3)发射时域上相互独立的双脉冲，双脉冲作为探测信号入射至保偏传感光纤，双脉冲的时域距离为两倍相邻的光栅之间的间距；

4)当双脉冲中的第一脉冲经过第一光栅时，小部分的光受到反射，大部分的光继续向前传播并依次经过第二至第七光栅，并且依次有小部分光反射，产生包括七个脉冲的第一返回脉冲序列；同理当第二脉冲依次经过第一至第七光栅时，同样产生包括七个脉冲的第二返回脉冲序列；

5)由于双脉冲在时域上互相独立，第一返回脉冲序列的第二个脉冲与第二返回脉冲序列的第一个脉冲产生第一干涉脉冲，以及第一返回脉冲序列的第三个脉冲与第二返回脉冲序列的第二个脉冲产生第二干涉脉冲，以此类推，一共产生第一至第六干涉脉冲；

6)当光纤矢量水听器受到外界振动时，质量块引导第一至第六弹性筒沿各自的轴向形变，进而引发缠绕的保偏传感光纤的径向形变，导致干涉脉冲的相位变化，第一和第二干涉脉冲中携带X方向的外界振动信息，第三和第四干涉脉冲中携带Y方向的外界振动信息，第五和第六干涉脉冲中携带Z方向的外界振动信息；

7)分别将第一至第六干涉脉冲进行相位解调，并分别将解调后的携带X方向的外界振动信息的第一与第二干涉脉冲、携带Y方向的外界振动信息的第三与第四干涉脉冲以及携带Z方向的第五与第六干涉脉冲的相位相减，从而得到在三个维度上抑制共模噪声的外界振动信息，且相位差与外界振动呈正比。