CN116295780A - 一种推挽式水听器及使用方法、工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种推挽式水听器，包括：套接在光缆上的内部弹性基体筒，所述内部弹性基体筒内壁与光缆外壁贴合；嵌套在所述内部弹性基体筒上的外部弹性基体筒，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间通过支撑杆连接，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间有供海水流过的间隙；所述内部弹性基体筒的外壁、所述外部弹性基体筒的外壁沿轴向均缠绕有传感光纤，所述传感光纤与外部解调器连接，所述外部弹性基体筒外侧罩有外壳，所述外壳与所述外部弹性基体筒外壁之间形成空气腔。本发明可以基于既有的海底光缆，与现有海底光缆匹配较好，无需再单独将水听器串接成阵。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感系统技术领域，具体涉及一种推挽式水听器及使用方法、工作方法。
背景技术
光纤水听器是重要的水下换能器，与压电换能器相比有无需供电、灵敏度高、抗电磁干扰等优势，已经在水下安全预警、海啸地震监测等方面得到了长足应用和发展。相较于强度和波长感知的光纤水听器，相位感知的光纤水听器的检测灵敏度更高，其通常通过缠绕在弹性基体上的方式来进行增加水声灵敏度。
传感光纤缠绕于弹性基体上的方式通常包含两个方面，一是单组传感光纤绕制，如Hao Li等提出的将增强型光纤缠绕在中空的弹性圆管上进行水声监听【Hao Li,QizhenSun,Tao Liu,et al.Ultra-high sensitive quasi-distributed acoustic sensorbased on coherent OTDR and cylindrical transducer[J].Journal of LightwaveTechnology,2020,38(4):929-938.】；Lu Bin等提出的将传感光纤缠绕在实心弹性基体构成分布式光纤水听器【Lu Bin,Wu Bingyan,Gu Jingeng,et al.Distributed opticalfiber hydrophone based onΦ-OTDR and its field test[J].Optics Express,2021,29(3):3147-3162.】。二是两组传感光纤缠绕在复合的弹性基体上，实现相位-声压灵敏度的提升以及降低温度对水听器的影响，如Rajesh R等提出的空气腔型复合弹性基体水听器【Rajesh R,Sreehari C V,Praveen K N,et al.Air backed mandrel type fiber optichydrophone with low noise floor[C].Proceedings of Light&Its Interactions withMatter,2015.】，该复合型水听器其中一组传感光纤只能感知温度，用以补偿作为水声换能的另一组传感光纤的温度影响；杨悦提出了一种推挽式的复合弹性基体水听器【杨悦.超低频光纤水听器的研制[D].吉林：吉林大学,2022.】，该复合型水听器的两组传感光纤缠绕在两个薄壁圆筒上，同时感知水声声压，并且相位变化相反，可以通过相位相减的方式实现相位-声压的灵敏度翻倍，并且又减去了共性的温度变化影响，但该水听器结构中间为中空，并且结构上未考虑如何实现水听器的串联，更加无法实现与既有海底光缆的配套使用。
发明内容
本发明提供了一种推挽式水听器及使用方法、工作方法，以解决现有技术不可实现复合弹性基体水听器的串联、适用性低的技术问题。
本发明提供了一种推挽式水听器，包括：套接在光缆上的内部弹性基体筒，所述内部弹性基体筒内壁与光缆外壁贴合；嵌套在所述内部弹性基体筒上的外部弹性基体筒，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间通过支撑杆连接，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间有供海水流过的间隙；所述内部弹性基体筒的外壁、所述外部弹性基体筒的外壁沿轴向均缠绕有传感光纤，所述传感光纤与外部解调器连接，所述外部弹性基体筒外侧罩有外壳，所述外壳与所述外部弹性基体筒外壁之间形成空气腔。
进一步地，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的材料为：小杨氏模量、大泊松比的高分子材料。
进一步地，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的厚度范围为：0.5cm～1.5cm。
进一步地，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的长度范围为：8cm～12cm。
进一步地，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒之间的间隙宽度范围为：5cm～15cm。
进一步地，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的厚度为1cm、长度为10cm、之间的间隙宽度为10cm。
本发明还提供了一种推挽式水听器的使用方法，包括：在光缆铺设之前，将数个所述推挽式水听器以检测需求的间隔距离依次套接在光缆上，所述推挽式水听器中的所述传感光纤与外部解调器连接，构成水听器阵列，随光缆铺设。
本发明还提供了一种推挽式水听器的工作方法，包括：所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间的水声声压对所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒分别产生推力和压力，形成推挽作用，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒随水声声压产生径向变形，改变缠绕在所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒的两组传感光纤的长度和有效折射率，激光在两组传感光纤中的传输相位产生相反变化，通过两组传感光纤中的相位变化量的差值计算水声声压。
本发明的有益效果：
本发明的推挽式水听器基于既有的海底光缆，与现有海底光缆匹配较好，无需再单独将水听器串接成阵；采用两组传感光纤感知声压，形成相反的激光相位变化，整个水听器的声压-相位灵敏度将大大提高，并且两个变化的相位相减，还抵消了共有的温度变化对水听器的影响。同时，让海水从两组传感光纤之间流过，可以提高感知灵敏度，也可以提高感知的精确性。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明中具体实施例的剖视图；
图2为本发明中具体实施例的俯视剖视图；
图3为本发明中具体实施例两个水听器装配使用时的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明实施例提供一种推挽式水听器，包括：套接在光缆6上的内部弹性基体筒1，内部弹性基体筒1内壁与光缆6外壁贴合；嵌套在内部弹性基体筒1上的外部弹性基体筒4，内部弹性基体筒1与外部弹性基体筒4的两端分别通过沿径向成十字形分布的八个支撑杆3连接，内部弹性基体筒1与外部弹性基体筒4之间有供海水流过的间隙；内部弹性基体筒1的外壁、外部弹性基体筒4的外壁沿轴向均缠绕有传感光纤2，传感光纤2与外部解调器连接，外部弹性基体筒4外侧罩有外壳5，外壳5与外部弹性基体筒4外壁之间形成空气腔。
如图2、3所示装配时，可先将内部弹性基体筒1套接在光缆6上，在内部弹性基体筒1的外壁上沿轴向缠绕传感光纤2，再将外部弹性基体筒4通过支撑杆3套在内部弹性基体筒1外侧，之间有供海水流过的间隙，在外部弹性基体筒4的外壁上沿轴向缠绕传感光纤2，最后在外部弹性基体筒4外侧套接外壳5，同时使外壳5和外部弹性基体筒4的外壁之间形成空气腔，完成装配。
内部弹性基体筒1、外部弹性基体筒4的厚度范围为：0.5cm～1.5cm，材料选用聚乙烯、聚酰亚胺等小杨氏模量、大泊松比的高分子材料；推挽式水听器的长度范围即两个弹性基体筒的长度范围在8cm～12cm，可以降低弹性基体筒两端约束导致的声压灵敏度降低的影响；两个弹性基体筒之间自由流动的海水宽度应尽可能大，能够使水声充分的自由传播，宽度可以设置在5cm～15cm范围内；支撑杆3的宽度尽可能窄，以降低固定杆对海水流动的阻碍作用，单个支撑杆3的宽度可以设置在1cm。壳体的大小以罩住外层传感光纤2为刚好，无需太大。
本发明具体实施例还提供了一种推挽式水听器的使用方法，包括：在光缆铺设之前，将数个推挽式水听器以检测需求的间隔距离依次套接在光缆上，推挽式水听器中的传感光纤与外部解调器连接，构成水听器阵列，随光缆铺设，监听水声信号。
本发明具体实施例还提供了一种推挽式水听器的工作方法，包括：内部弹性基体筒与外部弹性基体筒之间的水声声压对内部弹性基体筒与外部弹性基体筒分别产生推力和压力，形成推挽作用，内部弹性基体筒与外部弹性基体筒随水声声压产生径向变形，改变缠绕在内部弹性基体筒与外部弹性基体筒的两组传感光纤的长度和有效折射率，激光在两组传感光纤中的传输相位产生相反变化，通过两组传感光纤中的相位变化量的差值计算水声声压。
海水在两个弹性基体筒之间自由流动，当外界水声信号作用于推挽式水听器上，两个弹性基体之间的海水中的声压将向两个方向用力，分别作用于两个弹性基体筒上。水声声压的变化为Δp，两个弹性基体筒受到声压压力，导致两组传感光纤也将受到声压压力，记两组传感光纤受到压力变化分别为f1(Δp)和-f2(Δp)，其中f函数是与弹性基体的直径、杨氏模量、泊松比有关的压力传递函数。两组传感光纤受到压力温度变化，它们的有效折射率和长度将发生变化，激光在它们中的相位传输变化分别为：
式中，neffi和Li分别为第i组传感光纤的有效折射率变化和长度变化，i＝1、2；
为温度变化ΔT引起的两组传感光纤中激光的相位变化。
将式(1)减去式(2)得：
式(1)和(2)中
可以通过Mach–Zehnder干涉仪、Michelson干涉仪，或者瑞利散射信号、受激布里渊散射信号，亦或者弱反射光纤光栅阵列解调等的方式得出。如此，通过式(3)即可反演出声压Δp。另外，将式(3)与式(1)和式(2)比较，/>
都大于
适当优化两组弹性基体的直径、杨氏模量和泊松比，使得f1(Δp)＝f2(Δp)，则
将接近于/>
的两倍；并且式(3)中的/>
都小于
因此，通过构成推挽式的结构水听器，与单组传感光纤缠绕的水听器相比，声压-相位灵敏度得到了增加，并且受温度影响也受到了抑制。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种推挽式水听器，其特征在于，包括：套接在光缆上的内部弹性基体筒，所述内部弹性基体筒内壁与光缆外壁贴合；嵌套在所述内部弹性基体筒上的外部弹性基体筒，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间通过支撑杆连接，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间有供海水流过的间隙；所述内部弹性基体筒的外壁、所述外部弹性基体筒的外壁沿轴向均缠绕有传感光纤，所述传感光纤与外部解调器连接，所述外部弹性基体筒外侧罩有外壳，所述外壳与所述外部弹性基体筒外壁之间形成空气腔。
2.如权利要求1所示的推挽式水听器，其特征在于，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的材料为：小杨氏模量、大泊松比的高分子材料。
3.如权利要求1所示的推挽式水听器，其特征在于，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的厚度范围为：0.5cm～1.5cm。
4.如权利要求1或3所示的推挽式水听器，其特征在于，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的长度范围为：8cm～12cm。
5.如权利要求1所示的推挽式水听器，其特征在于，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒之间的间隙宽度范围为：5cm～15cm。
6.如权利要求4所示的推挽式水听器，其特征在于，所述内部弹性基体筒、外部弹性基体筒的厚度为1cm、长度为10cm、之间的间隙宽度为10cm。
7.一种推挽式水听器的使用方法，适用于如权利要求1-6中任一所述的推挽式水听器，其特征在于，所述推挽式水听器的使用方法包括：在光缆铺设之前，将数个所述推挽式水听器以检测需求的间隔距离依次套接在光缆上，所述推挽式水听器中的所述传感光纤与外部解调器连接，构成水听器阵列，随光缆铺设。
8.一种推挽式水听器的工作方法，适用于如权利要求1-6中任一所述的推挽式水听器，其特征在于，所述推挽式水听器的工作方法包括：所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒之间的水声声压对所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒分别产生推力和压力，形成推挽作用，所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒随水声声压产生径向变形，改变缠绕在所述内部弹性基体筒与所述外部弹性基体筒的两组传感光纤的长度和有效折射率，激光在两组传感光纤中的传输相位产生相反变化，通过两组传感光纤中的相位变化量的差值计算水声声压。
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