CN109991593B - 基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置及方法，装置包括具有多芯光纤、扇入扇出模块、N个环形器、多芯光纤布拉格光栅、布里渊光时域反射/分析解调仪和数据处理平台。本发明将多芯光纤内嵌于脐带缆的中央，可以同时提供光纤通信和水下定位功能；调节布里渊光时域反射/分析解调仪中探测光的宽度，实现对脐带缆的快速定位与精细定位；通过多芯光纤消除同一地点中的温度影响；利用多芯光纤及其布里渊频移来获取应变矢量信息，进而对脐带缆进行三维重构，提高了有缆潜水器的定位精度，降低环境因素对水下定位的影响，可靠性更高；对脐带缆的形态进行了应变矢量监测，为多台有缆潜水器的协同作业提供了可能。

Description

基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤布里渊传感和水下定位技术，特别是一种基于多芯光纤有缆潜水器定位装置及定位方法。

背景技术

海洋定位，特别是水下定位技术，是当前海洋开发活动与海洋技术发展的基础。在现代海洋高技术的不断引入和支持下，海洋定位技术在海底环境探测、海洋工程建设、海洋资源开发、海洋科学发展以及国家海洋权益的维护等多方面都将发挥极其重要的作用。现有的水下定位技术，可分为水声定位技术和激光声遥感技术两大类。

水声定位技术需要设置声基阵，是目前应用最广泛的一种水下定位技术。根据超声波信号传输时间与相位差来进行定位。其常与其它一些定位系统结合起来，形成组合定位系统，从而使定位系统的精度更高、功能更强大。但是，水声定位系统安装后的校准需要非常准确，而这往往难以达到；测量目标的绝对位置精度依赖于外围设备的精度；定位精度由基线长度决定，对搭载设备的尺寸大小要求较高。

激光声遥感技术是利用激光在水中产生声波并在空中接收被水下目标反射或散射的声波来感知水下目标，不需要设置声基阵。但是激光声遥感技术目前还处于发展阶段，技术相对不成熟，定位精度不足百米，设备昂贵复杂，不具备太大的实际应用价值。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供一种基于多芯光纤布里渊散射有缆潜水器定位装置及定位方法。该装置将多芯光纤内嵌于脐带缆的中央，可以同时提供光纤通信和水下定位功能；调节布里渊光时域分析仪的探测光的宽度，实现对脐带缆的快速定位与精细定位；通过多芯光纤消除同一地点中的温度影响；利用多芯光纤及其布里渊频移来获取应变矢量信息，进而对脐带缆进行三维重构，提高了有缆潜水器的定位精度，降低环境因素对水下定位的影响，可靠性更高；对脐带缆的形态进行了应变矢量监测，为多台有缆潜水器的协同作业提供了可能。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置，其特征在于包括多芯光纤、扇入扇出模块、N个环形器、多芯光纤布拉格光栅、布里渊光时域反射/分析的解调仪和数据处理平台，所述的数据处理平台与所述的解调仪的控制端相连，所述的解调仪有N个子输出端和N个子输入端，第i个子输出端将波长λ₁的探测光与波长为λ₂的连续光经第i光纤输入所述的第i环形器第1端口，所述的第i环形器第2端口与所述的扇入扇出模块的第i扇入端口相连，该扇入扇出模块的扇出端口与所述的多芯光纤相连，所述的多芯光纤布拉格光栅的中心波长为λ₂，且与所述的多芯光纤的末端相连，所述的第i环形器第3端口与所述的解调仪的第i个输入端口相连；

所述的多芯光纤具有N根纤芯，N≥3，其中，一根纤芯位于所述的多芯光纤的中心，称为中心纤芯，其余N-1根纤芯围绕该中心纤芯在多芯光纤的横截面内呈中心对称分布。

利用上述基于多芯光纤布里渊的有缆潜水器定位装置进行定位的方法，该方法包括下列步骤：

1)初始化安装与定位：将母船的脐带缆连接有缆潜水器，多芯光纤内嵌于该脐带缆的中央；对母船的脐带缆收放起始点进行定位，得到初始位置点P₀(n₀，e₀，h₀)，其中，n₀和e₀表示脐带缆的收放起始点的经纬度，h₀表示脐带缆的收放起始点的高度；

2)计算多芯光纤的应变矢量：

第j根纤芯的布里渊频移变化量Δv_Bj与第j根纤芯的总应变ε_t，j之间的关系为：

Δv_Bj＝α·v_B·ε_t，j，j＝1，2，...，N

其中，α是弯曲应变的响应系数；ε_t，j是第j根纤芯的总应变，包含温度、拉伸和弯曲等因素引起的应变之和；v_B是初始布里渊频移，表示为：

其中，n_eff，j是第j根纤芯的有效折射率；V_a是光纤中的声速；λ₁是探测光的波长。第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变ε_j与第j根纤芯的总应变ε_t，j的关系为：

ε_j＝ε_t，j-ε_t，1，j＝1，2，...，N

对多芯光纤的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，w为多芯光纤轴向方向，外围的N-1根纤芯的局部曲率矢量和ρ_app为：

其中，d_j是第j根纤芯与多芯光纤中心的距离；θ_j是第j根纤芯与多芯光纤中心连线相对于u轴正方向的夹角；

和

是u轴和v轴的单位矢量；

外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρ_app的大小|ρ_app|为：

从而可以得到多芯光纤的应变曲率p和应变方向θ_b为：

其中，多芯光纤的应变曲率ρ与多芯光纤的弯曲半径R的关系为：

3)对脐带缆进行三维重构：

从第二步中，可以知道每个探测点P_i的应变方向θ_bi，对应变方向θ_bi进行函数拟合：

θ_b(s)＝FIT{θ_b0，θ_b1，...，θ_bM}，s＝1，2，...，M

则每个探测点P_i的扭曲量κ_i为

令

为了方便计算，假设多芯光纤在全局坐标系(x，y，z)中的初始位置P₀的坐标为：

再为多芯光纤建立局部坐标系(T，N，B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量。T、N、B的初始值和相对关系为：

B_i＝T_i×N_i

因此，在全局坐标系(x，y，z)中，有缆潜水器的位置点P_M为：

其中，有缆潜水器在局部坐标系(T，N，B)的位置为：

则有缆潜水器的地理位置为：

其中，在CGCS2000国家大地坐标中，R_a＝6378137m为地球长半轴半径，R_b＝6356752.31414m为地球短半轴半径。

本发明具有以下优点：

1.本发明在脐带缆中安装多芯光纤，可以同时提供光纤通信和水下定位功能；

2.本发明调节布里渊光时域分析仪的探测光的宽度，实现对脐带缆的快速定位与精细定位；

3.本发明通过多芯光纤消除同一地点中的温度影响；

4.本发明利用多芯光纤及其布里渊频移来获取应变矢量信息，进而对脐带缆进行三维重构，提高了有缆潜水器的定位精度，降低环境因素对水下定位的影响，可靠性更高；

5.本发明对脐带缆的形态进行了应变矢量监测，为多台有缆潜水器的协同作业提供了可能。

附图说明

图1是本发明实施例-基于脐带缆中多芯光纤的有缆潜水器定位装置的应用示意图。

图2是本发明实施例-七芯光纤内嵌于现有脐带缆中央的横截面示意图。

图3是本发明实施例-基于七芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置的系统框图。

图4是本发明实施例-基于七芯光纤的旋转刻写多芯光纤布拉格光栅示意图。

图5是本发明实施例-七芯光纤的局部坐标系(u，v，w)示意图。

图6是本发明实施例-基于探测点P_i的局部三维坐标(x，y，z)及弗莱纳公式中的向量示意图

图7是本发明实施例-全局坐标系(x，y，z)及局部坐标系(T，B，N)建立的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，是本发明实施例-基于脐带缆中多芯光纤的有缆潜水器定位装置的应用示意图，其中，母船1与有缆潜水器2通过脐带缆3进行相连。由图2可知，七芯光纤8内嵌于脐带缆3的中央，该七芯光纤8是同一包层中具有七根纤芯14，其中，外层的六根纤芯的空间排列结构具有空间对称性，成正六边形排列，参见图5。由图3可知，本发明实施例-基于七芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置，包括七芯光纤8、扇入扇出模块9、7个环形器10、多芯光纤布拉格光栅11、布里渊光时域反射/分析解调仪12和数据处理平台13。所述的数据处理平台13与所述的解调仪12相连，通过串口或者网线等方式，对所述的解调仪12进行数据收集和控制。所述的解调仪12的输出端有7个子输出端和7个子输入端，第i个子输出端将波长λ₁的探测光与波长为λ₂的连续光经第i光纤输入所述的第i环形器10第1端口10-1，所述的第i环形器10第2端口10-2与所述的扇入扇出模块9的第i扇入端口相连，该扇入扇出模块9的扇出端口与所述的七芯光纤8相连。所述的多芯光纤布拉格光栅11的中心波长为λ₂，与所述的七芯光纤8的末端相连。所述的第i环形器10第3端口10-3与所述的解调仪12的输入端口相连。由图4可知，通过对七芯光纤进行轴向旋转，在七芯光纤的同一位置进行多芯光纤布拉格光栅刻写。由图6可知，对探测点P_i建立局部三维坐标系，来定位下一个探测点P_i+1的位置。由图7可知，在每一个探测点建立局部三维坐标系，最终实现对有缆潜水器2的定位。

下面是本实施例的更详细说明：

参见图1，图1是基于脐带缆中多芯光纤的有缆潜水器定位装置的应用示意图。母船1位于海面上，有缆潜水器2位于海洋深处，两者之间通过脐带缆3进行相连。所述的脐带缆3提供有缆潜水器的电力和通信等作用。GPS或者北斗卫星平台4提供初始点的地理位置信息，包括经纬度及海拔。

图2是本发明实施例-七芯光纤内嵌于现有脐带缆中央的横截面示意图。脐带缆3的横截面成圆形，自外至内由电缆5、填充层6、保护层7和多芯光纤8组成。所述的七芯光纤8内嵌于脐带缆3的中央位置，而3个电缆5成120°包围着七芯光纤8。电缆5与七芯光纤8使用填充层6来进行保护。最外层使用保护层7来对脐带缆进行保护。

图3是本发明实施例-基于七芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置的系统框图。所述的布里渊光时域反射/分析解调仪12，所述的数据处理平台13与所述的解调仪12相连，通过串口或者网线等方式，对所述的解调仪12进行数据收集和控制。所述的解调仪12的输出端有7个子输出端和7个子输入端，第i个子输出端将波长λ₁的探测光与波长为λ₂的连续光经第i光纤输入所述的第i环形器10第1端口10-1，所述的第i环形器10第2端口10-2与所述的扇入扇出模块9的第i扇入端口相连，该扇入扇出模块9的扇出端口与所述的七芯光纤8相连。所述的多芯光纤布拉格光栅11的中心波长为λ₂，与所述的七芯光纤8的末端相连。所述的第i环形器10第3端口10-3与所述的解调仪12的输入端口相连。

图4是本发明实施例-基于七芯光纤的旋转刻写多芯光纤布拉格光栅示意图。将七芯光纤8固定于两个旋转台17之间，使七芯光纤8具有一定的张力。同时，将两个旋转台17分别固定在两个相同的位移台18上。通过调整旋转台17和位移台18，使得七芯光纤8在进行同轴旋转时抖动最小。将相位掩膜版15靠近七芯光纤8。当紫外光16通过相位掩膜版15时，会发生衍射，同时对七芯光纤8进行同轴旋转，使得多芯光纤8中的每根纤芯14能接收到相同的光强。最终在多芯光纤8的同一位置上刻写均匀性良好的多芯光纤布拉格光栅11。

图5是本发明实施例-七芯光纤的局部坐标系(u，v，w)示意图。七芯光纤8是同一包层中具有七根的纤芯14，其中，纤芯14的直径为8μm，包层的直径为150μm，相邻纤芯14之间的距离是41.5μm。对七芯光纤8中的纤芯14进行编号，如图4所示。其中纤芯14Core 1位于包层的圆心处，外层六根纤芯14以正六边形的形状排列，分布位于正六边形的各个顶点，具有空间对称性。正六边形的空间排列结构具有周期性和对称性等特点，相邻顶点的角度是60°。七芯光纤8的侧面图上，至少具有六个等边三角形和六条对称轴。

基于布里渊传感的原理，利用本发明实施例基于七芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置进行定位的方法，该方法包括下列步骤：

1)初始化安装与定位：将母船(1)的脐带缆(3)连接有缆潜水器(2)，七芯光纤(8)内嵌于该脐带缆(3)的中央；对母船(1)的脐带缆(3)收放起始点进行定位，得到初始位置点P₀(n₀，e₀，h₀)，其中，n₀和e₀表示脐带缆(3)的收放起始点的经纬度，h₀表示脐带缆(3)的收放起始点的高度；

2)计算多芯光纤的应变矢量：

第j根纤芯(14)的布里渊频移变化量Δv_Bj与第j根纤芯(14)的总应变ε_t，j之间的关系为：

Δv_Bj＝α·v_B·ε_t，j，j＝1，2，...，7

其中，α是弯曲应变的响应系数；ε_t，j是第j根纤芯的总应变，包含温度、拉伸和弯曲等因素引起的应变之和；v_B是初始布里渊频移，表示为：

其中，n_eff，j是第j根纤芯的有效折射率；V_a是光纤中的声速；λ₁是探测光的波长。第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变ε_j与第j根纤芯的总应变ε_t，j的关系为：

ε_j＝ε_t，j-ε_t，1，j＝1，2，...，7

对七芯光纤(8)的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，w为七芯光纤(8)轴向方向，外围的N-1根纤芯(14)的局部曲率矢量和ρ_app为：

其中，d_j是第j根纤芯与七芯光纤中心的距离；θ_j是第j根纤芯与七芯光纤中心连线相对于u轴正方向的夹角；

和

是u轴和v轴的单位矢量；

外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρ_app的大小|ρ_app|为：

从而可以得到七芯光纤(8)的应变曲率ρ和应变方向θ_b为：

其中，七芯光纤(8)的应变曲率ρ与七芯光纤(8)的弯曲半径R的关系为：

3)对脐带缆进行三维重构：

从第二步中，可以知道每个探测点P_i的应变方向θ_bi，对应变方向θ_bi进行函数拟合：

θ_b(s)＝FIT{θ_b0，θ_b1，...，θ_bM}，s＝1，2，...，M

则每个探测点P_i的扭曲量κ_i为

令

为了方便计算，假设七芯光纤(8)在全局坐标系(x，y，z)中的初始位置P₀的坐标为：

再为七芯光纤(8)建立局部坐标系(T，N，B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量。T、N、B的初始值和相对关系为：

B_i＝T_i×N_i

因此，在全局坐标系(x，y，z)中，有缆潜水器(2)的位置点P_M为：

其中，有缆潜水器(2)在局部坐标系(T，N，B)的位置为：

则有缆潜水器(2)的地理位置为：

其中，在CGCS2000国家大地坐标中，R_a＝6378137m为地球长半轴半径，R_b＝6356752.31414m为地球短半轴半径。

综上所述，本发明在脐带缆中安装多芯光纤，可以同时提供光纤通信和水下定位功能；调节布里渊光时域分析仪的探测光的宽度，实现对脐带缆的快速定位与精细定位；通过多芯光纤消除同一地点中的温度影响；利用多芯光纤及其布里渊频移来获取应变矢量信息，进而对脐带缆进行三维重构，提高了有缆潜水器的定位精度，降低环境因素对水下定位的影响，可靠性更高；对脐带缆的形态进行了应变矢量监测，为多台有缆潜水器的协同作业提供了可能。

以上所述仅为本发明的实施例之一，并不用以限制本发明，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 (1)

1.一种基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置进行定位的方法，所述的有缆潜水器定位装置包括多芯光纤(8)、扇入扇出模块(9)、N个环形器(10)、多芯光纤布拉格光栅(11)、布里渊光时域反射/分析的解调仪(12)和数据处理平台(13)，所述的数据处理平台(13)与所述的解调仪(12)的控制端相连，所述的解调仪(12)有N个子输出端和N个子输入端，第i个子输出端将波长λ₁的探测光与波长为λ₂的连续光经第i光纤输入所述的第i环形器(10)第1端口(10-1)，所述的第i环形器(10)第2端口(10-2)与所述的扇入扇出模块(9)的第i扇入端口相连，该扇入扇出模块(9)的扇出端口与所述的多芯光纤(8)相连，所述的多芯光纤布拉格光栅(11)的中心波长为λ₂，且与所述的多芯光纤(8)的末端相连，所述的第i环形器(10)第3端口(10-3)与所述的解调仪(12)的第i个输入端口相连；所述的多芯光纤(8)具有N根纤芯(14)，N≥3，其中，一根纤芯位于所述的多芯光纤(8)的中心，称为中心纤芯，其余N-1根纤芯围绕该中心纤芯在多芯光纤(8)的横截面内呈中心对称分布；其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)初始化安装与定位：将母船(1)的脐带缆(3)连接有缆潜水器(2)，多芯光纤(8)内嵌于该脐带缆(3)的中央；对母船(1)的脐带缆(3)收放起始点进行定位，得到初始位置点P₀(n₀，e₀，h₀)，其中，n₀和e₀表示脐带缆(3)的收放起始点的经纬度，h₀表示脐带缆(3)的收放起始点的高度；

2)计算多芯光纤的应变矢量：

第j根纤芯(14)的布里渊频移变化量Δv_Bj与第j根纤芯(14)的总应变ε_t，j之间的关系为：

Δv_Bj＝α·v_B·ε_t，j，j＝1，2，...，N

其中，α是弯曲应变的响应系数；ε_t，j是第j根纤芯的总应变，包含温度、拉伸和弯曲等因素引起的应变之和；v_B是初始布里渊频移，表示为：

其中，n_eff，j是第j根纤芯的有效折射率；V_a是光纤中的声速；λ₁是探测光的波长；第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变ε_j与第j根纤芯的总应变ε_t，j的关系为：

ε_j＝ε_t，j-ε_t，1，j＝1，2，...，N

对多芯光纤(8)的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，w为多芯光纤(8)轴向方向，外围的N-1根纤芯(14)的局部曲率矢量和ρ_app为：

其中，d_j是第j根纤芯与多芯光纤中心的距离；θ_j是第j根纤芯与多芯光纤中心连线相对于u轴正方向的夹角；

和

是u轴和v轴的单位矢量；

外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρ_app的大小|ρ_app|为：

从而可以得到多芯光纤(8)的应变曲率ρ和应变方向θ_b为：

其中，多芯光纤(8)的应变曲率ρ与多芯光纤(8)的弯曲半径R的关系为：

3)对脐带缆进行三维重构：

从第二步中，可以知道每个探测点P_i的应变方向θ_bi，对应变方向θ_bi进行函数拟合：

θ_b(s)＝FIT{θ_b0，θ_b1，...，θ_bM}，s＝1，2，...，M

则每个探测点P_i的扭曲量κ_i为

令

，为了方便计算，假设多芯光纤(8)在全局坐标系(x，y，z)中的初始位置P₀的坐标为：

再为多芯光纤(8)建立局部坐标系(T，N，B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量，T、N、B的初始值和相对关系为：

因此，在全局坐标系(x，y，z)中，有缆潜水器(2)的位置点P_M为：

其中，有缆潜水器(2)在局部坐标系(T，N，B)的位置为：

则有缆潜水器(2)的地理位置为：

其中，在CGCS2000国家大地坐标中，R_a＝6378137m为地球长半轴半径，R_b＝6356752.31414m为地球短半轴半径。

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