CN114674413B - 全光纤拖曳水听器阵列和制造方法及水听方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤拖曳水听器阵列，它包括全光纤姿态传感器、中空管、中空芯轴和紧包光栅阵列光纤，全光纤姿态传感器由四芯光栅阵列光纤和包覆在四芯光栅阵列光纤外的保护层组成，中空管同轴套在全光纤姿态传感器外，中空芯轴同轴套在中空管外，所述紧包光栅阵列光纤采用密疏交替的缠绕方式，以恒定的张力缠绕在中空芯轴上，紧包光栅阵列光纤中相邻两个光栅形成一个声压信号测区。本发明采用低弯曲损耗的光栅阵列光纤结合干涉型相位解调技术实现水下声压信号检测，以及采用四芯光栅阵列光纤结合光频域解调技术实现拖曳阵阵形校正。

Description

全光纤拖曳水听器阵列和制造方法及水听方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体地指一种全光纤拖曳水听器阵列和制造方法及水听方法。
背景技术
拖曳水听器阵列是针对水下弱小目标实施远程、低频声探测的有效技术手段。但是，由于受到自身重力以及拖曳潜艇尾流等因素的影响，水听器阵列在拖曳过程中，容易发生弯曲形变，难以维持直线形态，使得重构的声场信号在空间分布上产生偏差，导致目标定位不准确。因此，需要对拖曳水听器阵列进行阵形校正，提高水下弱小目标的探测精度。
现有的拖曳阵阵形校正技术主要分为两类：
声学计算方法，利用水听器阵列采集得到的声压信号反推计算出阵列形状，可实现阵列中各个阵元的位置标定，可实现较高精度的阵形校正。但是，该方法容易受到声源方位、信噪比等因素的影响，并且随着阵列孔径的增加，信号处理更加复杂，增加干端信号处理时间。(参考文献：Li C,Jiang J,Duan F,et al.Towed Array Shape Estimation Basedon Single or Double Near-Field Calibrating Sources[J].Circuits,systems,andsignal processing,2019,38(1):153-172.)
非声学计算方法，利用辅助传感器(如光纤陀螺仪、姿态传感器)对拖曳阵列进行阵形校正，该方法结构简单，可快速实现阵形校正。但是，该方法测量精度受限于辅助传感器的数量，并不能校正得到拖曳阵列准确的三维姿态，只能获取辅助传感器位置的坐标信息。(参考文献：Odom J L,Krolik J L.Passive towed array shape estimation usingheading and acoustic data[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2014,40(2):465-474.)
综上所述，现有的拖曳水听器阵列难以实现高精度的阵形自校正。基于以上问题，亟需一种高探测精度并且具备阵形自校正能力的拖曳水听器阵列。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种全光纤拖曳水听器阵列和制造方法及水听方法，从而实现高精度水下弱小目标探测。
本发明采用低弯曲损耗的光栅阵列光纤结合干涉型相位解调技术实现水下声压信号检测，以及采用四芯光栅阵列光纤结合光频域解调技术实现拖曳阵阵形校正。
为实现此目的，本发明所设计的全光纤拖曳水听器阵列，它包括全光纤姿态传感器、中空管、中空芯轴和紧包光栅阵列光纤，所述全光纤姿态传感器由四芯光栅阵列光纤和包覆在四芯光栅阵列光纤外的保护层组成，中空管同轴套在全光纤姿态传感器外，中空芯轴同轴套在中空管外，所述紧包光栅阵列光纤采用密疏交替的缠绕方式，以恒定的张力缠绕在中空芯轴上，紧包光栅阵列光纤中相邻两个光栅形成一个声压信号测区。
一种上述水听器阵列的制造方法，它包括如下步骤：
步骤1、将四芯光栅阵列光纤通过挤塑的方式，在外层挤塑保护层，形成全光纤姿态传感器；
步骤2、将聚氨酯材料通过加热挤塑方式，将中空管、钢丝线包裹形成中空的中空芯轴；
步骤3、将全光纤姿态传感器穿入至中空管中；
步骤4、将低烟无卤材料或尼龙材料通过挤塑的方式，在低弯曲损耗光栅阵列光纤外层挤塑一层紧包材料，形成紧包光栅阵列光纤；
步骤5、将紧包光栅阵列光纤采用密疏交替的缠绕方式在中空芯轴上，缠绕过程中保持张力恒定，奇数声压信号测区采用密绕方式缠绕，缠绕比在1:50到1:60之间调节，偶数测区保持疏绕方式缠绕，偶数声压信号测区采用疏绕方式缠绕，缠绕比在1:2到1:5之间调节；
步骤6、将聚氨酯材料采用加热和挤塑的方式，在缠绕了紧包光栅阵列光纤的中空芯轴外固化一层外护套，最终形成一种具有阵形自校正能力的全光纤拖曳水听器阵列。
一种基于上述水听器阵列的水听方法，该方法首先采用四芯光栅阵列光纤，结合光频域解调方法，通过检测四芯光栅阵列光纤中光栅中心波长的变化实现拖曳水听器阵列的阵形校正，然后采用紧包光栅阵列光纤，结合干涉解调方法，通过监测紧包光栅阵列光纤轴向应变引起的相位变化，实现水下声压信号的检测。
本发明的有益效果：
本发明采用四芯光栅阵列光纤，并将其封装于拖曳水听器阵列轴心，通过解调光栅中心波长的漂移，实现空间曲率及挠率的监测，从而实现拖曳水听器阵列阵形校正，提高拖曳水听器阵列水下弱小目标的定位精度。
本发明采用的四芯光栅阵列光纤，其中三根纤芯成等边三角形排布，另外一根纤芯位于三角形内心。当其同时受到温度和弯曲应变的作用时，位于内心的纤芯对弯曲应变不敏感。因此，可实现外芯的温度补偿，避免温度对拖曳水听器阵列阵形校正的影响。
本发明采用全光纤技术方案，在利用低弯曲损耗光栅光纤实现水下声压信号检测的同时，采用四芯光纤光栅实现拖曳阵阵形校正，可有效避免水下电磁脉冲干扰，提高水下环境的适用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面图；
图3为四芯光栅阵列光纤截面图
图4为四芯光栅阵列光纤结构示意图
其中，1—全光纤姿态传感器、1.1—四芯光栅阵列光纤、1.2—保护层、1.3—外芯、1.4—中芯、2—中空管、3—中空芯轴、3.1—钢丝线、3.2—聚氨酯弹性增敏层轴体、4—紧包光栅阵列光纤、5—外护套、6—光栅。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～4所示的全光纤拖曳水听器阵列，它包括全光纤姿态传感器1、中空管2、中空芯轴3和紧包光栅阵列光纤4，所述全光纤姿态传感器1(直径为1mm)由四芯光栅阵列光纤1.1和包覆在四芯光栅阵列光纤1.1外的保护层1.2组成，中空管2同轴套在全光纤姿态传感器1外，中空芯轴3同轴套在中空管2外，所述紧包光栅阵列光纤4采用密疏交替的缠绕方式，以恒定的张力缠绕在中空芯轴3上，缠绕张力保持在50～200g可调，提高紧包光栅阵列光纤与芯轴的耦合效率，避免紧包光栅阵列光纤缠绕是产生松弛，影响声压信号测量，紧包光栅阵列光纤4中相邻两个光栅6形成一个声压信号测区，通过测量两个光栅6之间光纤长度的变化监测水下声压信号。
上述技术方案中，紧包光栅阵列光纤4中奇数声压信号测区采用密绕方式缠绕，缠绕比(水听器长度与缠绕的光纤长度比值)在1:50到1:60之间调节；
紧包光栅阵列光纤4中偶数声压信号测区采用疏绕方式缠绕，缠绕比在1:2到1:5之间调节。采用疏饶方式缠绕，可以提高水听器阵列的阵元间距，增大阵列孔径并提高阵增益，提高水下弱小目标探测精度。缠绕比在一定范围内调节，是为了根据实际应用需求，调节阵元间距。
上述技术方案中，所述全光纤姿态传感器1用于感知拖曳水听器阵列的三维姿态，中空管2用于保护全光纤姿态传感器1，中空芯轴3用于提高拖曳水听器阵列的声压灵敏度，紧包光栅阵列光纤4缠绕在中空芯轴3外，用于利用声压信号测区感知水下声压信号。
上述技术方案中，所述紧包光栅阵列光纤4外包裹有外护套5，外护套5用于保护紧包光栅阵列光纤4，避免紧包光栅阵列光纤4受到机械应力而断裂；
所述紧包光栅阵列光纤4由低弯曲损耗光栅阵列光纤经过挤塑紧包一层保护材料后形成。所述低弯曲损耗光栅阵列光纤缠绕直径在10mm，缠绕25圈的时候，缠绕损耗小于0.02dB。紧包后直径为0.9mm，紧包材料为低烟无卤材料或者尼龙材料，其作用主要是提高低弯曲损耗光栅阵列光纤的机械强度，防止在缠绕过程中受到剪切力而断裂。
上述技术方案中，所述四芯光栅阵列光纤1.1包括光纤包层、三根外芯1.3和一根中芯1.4，所述三根外芯1.3和一根中芯1.4均置于光纤包层内且沿光纤包层长度方向布置，中芯1.4布置在四芯光栅阵列光纤1.1的轴心，中芯1.4位于三根外芯1.3的中心处，在四芯光栅阵列光纤1.1的横截面上，相邻两根外芯1.3与中芯1.4的夹角均为120度。三根外芯1.3呈120度围绕中芯1.4排布，由于中芯1.4对弯曲应变不敏感，只对温度敏感，可通过中芯1.4实现外芯1.3的温度补偿，提高阵形校正精度。所述四芯光栅阵列光纤1.1的光栅6为具有一定随机参数的密集弱光栅阵列(光栅中心波长和光栅间距随机)，光栅反射率为-45dB。光栅长度和光栅间隔相等，光栅长度为1～10mm。采用随机参数的密集弱光栅阵列，可以有效降低多重反射和光谱阴影的影响，提高水听器阵列的复用容量，阵大阵列规模。
上述技术方案中，所述中空芯轴3包括聚氨酯弹性增敏层轴体3.2和沿聚氨酯弹性增敏层轴体3.2长度方向布置在聚氨酯弹性增敏层轴体3.2内的四根钢丝线3.1，钢丝线3.1直径为1mm，其材料由镀锌防锈铁丝组成，钢丝线沿芯轴3四周分布，钢丝线的作用一方面用于承受拖曳过程中产生的纵向拉力，另一方面钢丝线要具备较强的弯曲性能，可以使拖曳水听器阵列在一定程度上弯曲；中空芯轴直径在12～20mm范围内调节，具体直径根据需求而定，直径越大，拖曳水听器阵列的声压灵敏度越高，但是大直径限制了拖曳水听器阵列的长度；直径越小，拖曳水听器阵列的长度越长，但是声压灵敏度减小，因此芯轴直径根据具体声压灵敏度需求以及阵列长度而定。聚氨酯弹性增敏层轴体3.2其厚度在4～8mm范围调节，聚氨酯弹性增敏层轴体3.2包裹着四根钢丝线3.1，聚氨酯材料杨氏模量远小于紧包光栅阵列光纤(当声压信号作用于水听器时，弹性增敏层产生更大的形变，增加光纤轴向长度应变，提高拖曳水听器阵列声压灵敏度)。
所述聚氨酯弹性增敏层轴体3.2与中空管2紧耦合，中空管2，内径为1mm，壁厚为0.5mm，其材料为不锈钢或者镍钛合金，用于保护全光纤姿态传感器；
所述保护层1.2由树脂材料组成，保护层1.2与四芯光栅阵列光纤1.1紧耦合，一方面可以避免四芯光栅阵列光纤1.1受到剪切应力而断裂，另一方面可以提高弯曲应变传递效率。
上述技术方案中，所述低弯曲损耗光栅阵列光纤中的光栅为等间距分布，相邻两光栅间距范围为5～20m，根据实际应用中对水听器声压灵敏度的检测需求而定。所述光栅可以为啁啾光栅或者宽谱光纤布拉格光栅。
所述低弯曲损耗光栅阵列光纤的光栅为全同弱光栅，反射率在-50～-40dB之间，在保证光栅反射信号的信噪比的同时，可以有效的增加其复用容量，增加拖曳水听器阵列的长度，低弯曲损耗光栅阵列光纤的反射光谱的3dB带宽在3～6nm之间，可以有效的减小水压和温度声压信号探测的影响。
所述外护套5由聚氨酯材料组成，其厚度在1～3mm范围内调节，外护套5用于保护紧包光栅阵列光纤4不受磨损、机械应力的破坏，同时可以用于提高声压信号与拖曳水听器阵列的耦合效率，从而增加水听器的声压灵敏度。
一种上述水听器阵列的制造方法，它包括如下步骤：
步骤1、将四芯光栅阵列光纤1.1通过挤塑的方式，在外层挤塑保护层1.2，形成全光纤姿态传感器1；
步骤2、将聚氨酯材料通过加热160～180℃挤塑方式，将中空管2、钢丝线3.1包裹形成中空的中空芯轴3；
步骤3、将全光纤姿态传感器1穿入至中空管2中；
步骤4、将低烟无卤材料或尼龙材料通过挤塑的方式，在低弯曲损耗光栅阵列光纤外层挤塑一层紧包材料，形成紧包光栅阵列光纤4；
步骤5、将紧包光栅阵列光纤4采用密疏交替的缠绕方式在中空芯轴3上，缠绕过程中保持张力恒定，奇数声压信号测区采用密绕方式缠绕，缠绕比在1:50到1:60之间调节，偶数测区保持疏绕方式缠绕，偶数声压信号测区采用疏绕方式缠绕，缠绕比在1:2到1:5之间调节；
步骤6、将聚氨酯材料采用加热160～180℃和挤塑的方式，在缠绕了紧包光栅阵列光纤4的中空芯轴3外固化一层外护套5，最终形成一种具有阵形自校正能力的全光纤拖曳水听器阵列。
一种基于上述水听器阵列的水听方法，其特征在于：该方法首先采用四芯光栅阵列光纤1.1，结合光频域解调方法，通过检测四芯光栅阵列光纤1.1中光栅中心波长的变化实现拖曳水听器阵列的阵形校正，然后采用紧包光栅阵列光纤4，结合干涉解调方法，通过监测紧包光栅阵列光纤4轴向应变引起的相位变化，实现水下声压信号的检测。
当拖曳水听器阵列在拖曳过程中受到洋流及自身重力影响而发生形状变化时，全光纤姿态传感器1中的光栅受到弯曲应变，产生波长变化，结合光频域解调原理，通过检测四芯光栅阵列光纤1.1中光栅中心波长的变化，实现拖曳水听器阵列的阵形校正，采用四通道光频域光栅阵列光纤解调设备，将四芯光栅阵列光纤1.1中的四根纤芯分别接入至解调设备的四个通道中，利用光频域解调原理实现对四芯光栅阵列光纤1.1中各纤芯光栅的中心波长独立解调，得到各个光栅的中心波长变化，通过中芯1.4的波长变化，实现外围三根外芯1.3的温度补偿，并得到三维空间位置的曲率和挠率信息，最后通过拟合算法，拟合出拖曳水听器阵列的三维空间坐标位置，实现拖曳水听器阵列的阵形校正；
当水下声压信号作用于拖曳水听器阵列时，声压信号分别传递到拖曳水听器阵列的外护套5和中空芯轴3上，外护套5受到声压作用挤塑紧包光栅阵列光纤4，使得紧包光栅阵列光纤4发生轴向应变，中空芯轴3受到声压作用产生收缩，使得缠绕在中空芯轴3上的紧包光栅阵列光纤4同时发生轴向应变；利用干涉解调方法，将紧包光栅阵列光纤4接入到相位解调设备中，利用脉冲干涉法对紧包光栅阵列光纤4中各个声压测区的干涉信号进行独立解调，得到各声压测区的相位变化信号，通过相位变化，线型还原得到水下声压信号。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：它包括全光纤姿态传感器(1)、中空管(2)、中空芯轴(3)和紧包光栅阵列光纤(4)，所述全光纤姿态传感器(1)由四芯光栅阵列光纤(1.1)和包覆在四芯光栅阵列光纤(1.1)外的保护层(1.2)组成，中空管(2)同轴套在全光纤姿态传感器(1)外，中空芯轴(3)同轴套在中空管(2)外，所述紧包光栅阵列光纤(4)采用密疏交替的缠绕方式，以恒定的张力缠绕在中空芯轴(3)上，紧包光栅阵列光纤(4)中相邻两个光栅(6)形成一个声压信号测区；
紧包光栅阵列光纤(4)中奇数声压信号测区采用密绕方式缠绕，紧包光栅阵列光纤(4)中偶数声压信号测区采用疏绕方式缠绕；
所述四芯光栅阵列光纤(1.1)包括光纤包层、三根外芯(1.3)和一根中芯(1.4)，所述三根外芯(1.3)和一根中芯(1.4)均置于光纤包层内且沿光纤包层长度方向布置，中芯(1.4)布置在四芯光栅阵列光纤(1.1)的轴心，中芯(1.4)位于三根外芯(1.3)的中心处。
2.根据权利要求1所述的全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：密绕方式缠绕比在1:50到1:60之间调节；
疏绕方式缠绕比在1:2到1:5之间调节。
3.根据权利要求1所述的全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：所述全光纤姿态传感器(1)用于感知拖曳水听器阵列的三维姿态，中空管(2)用于保护全光纤姿态传感器(1)，中空芯轴(3)用于提高拖曳水听器阵列的声压灵敏度，紧包光栅阵列光纤(4)缠绕在中空芯轴(3)外，用于利用声压信号测区感知水下声压信号。
4.根据权利要求1所述的全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：所述紧包光栅阵列光纤(4)外包裹有外护套(5)，外护套(5)用于保护紧包光栅阵列光纤(4)，避免紧包光栅阵列光纤(4)受到机械应力而断裂；
所述紧包光栅阵列光纤(4)由低弯曲损耗光栅阵列光纤经过挤塑紧包一层保护材料后形成。
5.根据权利要求1所述的全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：在四芯光栅阵列光纤(1.1)的横截面上，相邻两根外芯(1.3)与中芯(1.4)的夹角均为120度。
6.根据权利要求1所述的全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：所述中空芯轴(3)包括聚氨酯弹性增敏层轴体(3.2)和沿聚氨酯弹性增敏层轴体(3.2)长度方向布置在聚氨酯弹性增敏层轴体(3.2)内的钢丝线(3.1)；
所述聚氨酯弹性增敏层轴体(3.2)与中空管(2)紧耦合；
所述保护层(1.2)与四芯光栅阵列光纤(1.1)紧耦合。
7.根据权利要求4所述的全光纤拖曳水听器阵列，其特征在于：所述低弯曲损耗光栅阵列光纤中的光栅为等间距分布，相邻两光栅6间距范围为5～20m；
所述低弯曲损耗光栅阵列光纤的光栅为全同弱光栅，反射率在-50～-40dB之间，低弯曲损耗光栅阵列光纤的反射光谱的3dB带宽在3～6nm之间。
8.一种权利要求1所述全光纤拖曳水听器阵列的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1、将四芯光栅阵列光纤(1.1)通过挤塑的方式，在外层挤塑保护层(1.2)，形成全光纤姿态传感器(1)；
步骤2、将聚氨酯材料通过加热挤塑方式，将中空管(2)、钢丝线(3.1)包裹形成中空的中空芯轴(3)；
步骤3、将全光纤姿态传感器(1)穿入至中空管(2)中；
步骤4、将低烟无卤材料或尼龙材料通过挤塑的方式，在低弯曲损耗光栅阵列光纤外层挤塑一层紧包材料，形成紧包光栅阵列光纤(4)；
步骤5、将紧包光栅阵列光纤(4)采用密疏交替的缠绕方式在中空芯轴(3)上，缠绕过程中保持张力恒定，奇数声压信号测区采用密绕方式缠绕，缠绕比在1:50到1:60之间调节，偶数声压信号测区采用疏绕方式缠绕，缠绕比在1:2到1:5之间调节；
步骤6、将聚氨酯材料采用加热和挤塑的方式，在缠绕了紧包光栅阵列光纤(4)的中空芯轴(3)外固化一层外护套(5)，最终形成一种具有阵形自校正能力的全光纤拖曳水听器阵列。
9.一种基于权利要求1所述全光纤拖曳水听器阵列的水听方法，其特征在于：该方法首先采用四芯光栅阵列光纤(1.1)，结合光频域解调方法，通过检测四芯光栅阵列光纤(1.1)中光栅中心波长的变化实现拖曳水听器阵列的阵形校正，然后采用紧包光栅阵列光纤(4)，结合干涉解调方法，通过监测紧包光栅阵列光纤(4)轴向应变引起的相位变化，实现水下声压信号的检测。
10.根据权利要求9所述全光纤拖曳水听器阵列的水听方法，其特征在于：当拖曳水听器阵列在拖曳过程中受到洋流及自身重力影响而发生形状变化时，全光纤姿态传感器(1)中的光栅受到弯曲应变，产生波长变化，结合光频域解调原理，通过检测四芯光栅阵列光纤(1.1)中光栅中心波长的变化，实现拖曳水听器阵列的阵形校正，采用四通道光频域光栅阵列光纤解调设备，将四芯光栅阵列光纤(1.1)中的四根纤芯分别接入至解调设备的四个通道中，利用光频域解调原理实现对四芯光栅阵列光纤(1.1)中各纤芯光栅的中心波长独立解调，得到各个光栅的中心波长变化，通过中芯(1.4)的波长变化，实现外围三根外芯(1.3)的温度补偿，并得到三维空间位置的曲率和挠率信息，最后通过拟合算法，拟合出拖曳水听器阵列的三维空间坐标位置；
当水下声压信号作用于拖曳水听器阵列时，声压信号分别传递到拖曳水听器阵列的外护套(5)和中空芯轴(3)上，外护套(5)受到声压作用挤塑紧包光栅阵列光纤(4)，使得紧包光栅阵列光纤(4)发生轴向应变，中空芯轴(3)受到声压作用产生收缩，使得缠绕在中空芯轴(3)上的紧包光栅阵列光纤(4)同时发生轴向应变；利用干涉解调方法，将紧包光栅阵列光纤(4)接入到相位解调设备中，利用脉冲干涉法对紧包光栅阵列光纤(4)中各个声压测区的干涉信号进行独立解调，得到各声压测区的相位变化信号，通过相位变化，线型还原得到水下声压信号。
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