WO2021036580A1 - 基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器 - Google Patents
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Abstract
基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆(101)的分布式水听器,涉及光纤传感和水听器领域;其包括顺次连接的分布式光纤水听器(201)和超强抗弯多芯光纤柔性光缆(101);光缆(101)包括中心支撑层(802)、p根多芯光纤(804)和外护层(801),每根多芯光纤(804)包括q根纤芯,多芯光纤(804)套设紧包套管(803),p根多芯光纤(804)同向等距螺旋缠绕在中心支撑层(802)上;分布式光纤水听器(201)包括脉冲调制模块(302)、多路解复用模块(306)和多路复用模块(303),多根多芯光纤(804)中信号进行空分复用的同时对每一路时分信道采取频分复用。将空分复用结合频分复用,系统对外界声波的频率响应范围大幅提升,达到水听器的需求;柔性光缆(101)大幅增加了对于外界声压的灵敏度;同时成本低、灵敏度各位置相同,适用于长距离监测和大规模组网。
Description
本发明涉及光纤传感和水听器领域,尤其是基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器。
声音信号是唯一能在海水中进行远距离传播的能量形式,因此,利用声波作为信息载体对水下目标声学特性的监测在军事、国防、民生、科学研究等领域有着广泛的应用。在第二次世界大战初期,由于海洋军事的需要,水听器作为一种重要的感知海洋信息的工具被迅速开发出来。在随后不到100年的时间里,水听器的原理和性能指标里历经了多次革命性发展,并在如今仍被广泛研究和关注。
早期开发并且已经广泛使用的水听器使用了电子检波器技术。外界声波带来的质点的位移、速度和加速度变化可以通过检波器内部振子线性转换为电容电势的变化,因此,监测电信号的变化量就可以恢复出外界声波的波形。但是,在实际应用过程中,基于电子检波器的水听器存在频率响应范围过窄、单点监测成本过高以至于大规模组网困难、易受电磁干扰等缺点,因此其适用场合和探测范围受到限制。
基于光纤干涉仪的水听器具有抗电磁干扰、灵敏度高、可靠性高、体积小、易于组网等特点,因此在20世纪70年代被美国海军实验室首次提出后,就引起了各国科学界的广泛研究。当外界声波作用到光纤干涉仪上时,干涉仪的腔长和折射率会发生变化,因此基于光纤干涉仪的水听器可以通过提取光相位变化量来提取目标声压信号。但是,基于光纤干涉仪制造的水听器存在每个监测点互相之间的灵敏度不确定的问题;另外,该技术的造价过高,使得大规模组网耗费昂贵。
近期,基于光纤激光器的水听器发展迅速。其原理是利用外界声波对于激光激发条件的改变进行感知。该技术的灵敏度非常高,但是其对外界声波的响应不稳定,且封装困难,造价居高不下,无法适用于大规模组网应用。
另外,上述的三种水听器都基于点式传感器进行设计,因此,在大规模组网的过程中,由于相邻探测点之间的间隔较大,系统整体对于外界声波信号的感知存在空域上的大范围盲点。
发明内容
本发明的目的在于:本发明提供了基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,针 对光纤分布式声波传感系统频率响应范围较低、声压灵敏度达不到水听所需数量级的难点,利用空分复用和频分复用以及超强抗弯多芯光纤柔性光缆,使得系统对于外界声波的采样率大幅提升,并且使得光缆对于声压的灵敏度得到了大幅提升,实现了高密度、高灵敏度、大范围响应频宽的低成本分布式光纤水听器系统。
本发明采用的技术方案如下:
基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,包括顺次连接的分布式光纤水听器和超强抗弯多芯光纤柔性光缆;
所述超强抗弯多芯光纤柔性光缆包括中心支撑层、p根多芯光纤和外护层,所述每根多芯光纤包括q根纤芯,所述p根多芯光纤同向等距螺旋缠绕在中心支撑层上;
所述分布式光纤水听器包括脉冲调制模块、多路复用模块和多路解复用模块,所述多根多芯光纤中信号进行空分复用的同时对每一路时分信道采取频分复用,调制和解调公式如下:
脉冲调制模块依次循环调制出p×q组载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲,相邻脉冲的间隔时间τ为:
其中,h为频分复用所用的中频个数,n为多芯光纤中纤芯的折射率,L为待测光纤的长度,c为真空光速;
信号经包括p×q路输出端口的多路复用模块303后,每个通道输出脉冲串的重频为c/2Ln,相邻通道的脉冲串的时间延迟量为2Ln/(pq-1)c;
多路解复用模块中的每一路引入本振光进行下变频,提取载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲对应的瑞利散射光相位变化量;设第1路输出的中频为f
1的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为0,则第k路(k=1,2,…,p×q)输出的中频为f
i(i=1,2,…,h)的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为:
优选地,所述p、q为大于或者等于2的正整数,所述螺旋缠绕间距大于套设紧包套管的多芯光纤的直径且小于中心支撑层的周长的2倍。
优选地,所述中心支撑层采用杨氏模量远小于多芯光纤的圆柱形软性材料,所述外护层采用杨氏模量大的柔性材料,所述外护层的杨氏模量大于中心支撑层的杨氏模量。
优选地,所述外护层直径大于中心支撑层直径的两倍,所述中心支撑层直径大于多芯光 纤的直径且小于0.1m,所述紧包套管直径远远小于中心支撑层的直径,且不超过2mm。
优选地,所述分布式光纤水听器还包括激光器、环形器单元和光缆连接模块;所述激光器、脉冲调制模块、多路复用模块、环形器单元和光缆连接模块顺次连接;所述环形器单元的3端口还依次连接多路解复用模块、光电探测模块;所述光电探测模块的输出端与采样模块和信号分析模块用电信号传输线依次连接。
优选地,所述激光器采用高相干单频激光器;所述脉冲调制模块包括依次连接的光调制器和光放大器。
优选地,所述多路复用模块包括光耦合器和光开关,光耦合器把光放大器输出的脉冲光均等地分为p×q路,然后输入拥有大于p×q路输入输出端口的光开关进行空分复用;所述环形器单元包括p×q个相互独立的光纤环形器,从光开关输出的p×q路信号被环形器单元的端口1运送至端口2,然后输入至光缆连接模块。
优选地,所述光缆连接模块包括扇入扇出和低损连接头,所述扇入扇出把p×q路单模光纤输入的脉冲光低损耦合至p根多芯光纤内,然后通过低损连接头与超强抗弯多芯光纤柔性光缆中的多芯光纤进行低损耦合。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1.本发明相比于基于电子检波器、光纤干涉仪和光纤激光器的水听器系统,采用了无任何微处理的多芯光纤作为传感媒介,使得其造价相对较低,适用于大规模组网;同时,使用不做微处理的光纤有利于后期成缆时进行保护,使得其更不容易损坏;并且,每个空间采样区间的灵敏度可以保持基本一致;另外,本发明基于光纤分布式声波传感系统进行搭建,使得其对于外界声波的空间采样密集度高,不存在空域探测盲区。
2.本发明所提出的柔性光缆使用柔性材料作为内部支撑,使得光纤的灵敏度提高;同时使用紧包套管对光纤进行保护,使得光纤可以很好地感知外界声波震动;另外,紧包光纤螺旋缠绕在柔性支撑材料上,单位测量长度上能够被外界影响的光纤更长,使得单位测量长度积累的相位变化量更大,灵敏度与系统标距长度上积累的相位变化量成正比,因此螺旋缠绕能使得光缆的灵敏度大幅提升;光缆的外护套使用杨氏模量大于内部支撑的柔性材料,使得声波可以有效传入光纤,同时对内部光纤形成有效的保护。
3.本发明采用了空分复用与频分复用结合的技术,克服了传统光纤分布式声波传感系统中频率响应宽度受到传感长度限制的问题,大大扩宽了系统对于外界声波的采样率;海洋中有效的声波信道一般位于kHz量级以上,而传统长距离光纤分布式声波传感系统的响应频率达不到此量级,本发明采用多根多芯光纤进行空分复用,同时对每一路时分信道采取频分复用,大大扩宽了系统对于外界声波的最高响应频率。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器的部分组成框图;
图2为本发明的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器的应用场景示意图;(a)为利用水声换能器进行感知的示意图,(b)为感知自然声波的示意图;
图3为本发明的分布式光纤水听器主体的系统框图;
图4为本发明的脉冲调制模块的内部结构示意图;
图5为本发明的多路复用模块的内部结构示意图;
图6为本发明的环形器单元的内部结构示意图;
图7为本发明的光缆连接模块的内部结构示意图;
图8为本发明的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的结构示意图;(a)为横切面示意图;(b)为三维结构示意图;
图9为本发明的多芯光纤的结构示意图;
图10为本发明的分布式水听器采用一根多芯光纤进行空分复用技术时,每一根纤芯中的脉冲的传输情况;
图11为本发明的分布式水听器采用一根多芯光纤进行空分复用技术和频分复用技术时,每一根纤芯中的脉冲的传输情况。
附图标记:101-柔性光缆,102-水声换能器,201-光纤水听器,301-激光器,302-脉冲调制模块,303-多路复用模块,304-环形器单元,305-光缆连接模块,306-多路解复用模块,307-光电探测模块,308-采样模块,309-信号分析模块,401-光调制器,402-光放大器,501-光耦合器,502-光开关,600-光纤环形器,701-扇入扇出,702-低损连接头,801-外护层,802-中心支撑层,803-紧包套管,804-多芯光纤,8031-8032-两根紧包套管,8041-8042-两根多芯光纤,901-一根典型的商用多芯光纤,902-纤芯,9021-9029-多芯光纤的9根纤芯。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明,即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。 通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是,术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在光纤中打入一个窄线宽高相干脉冲后,引发了光纤内部粒子中电子的发生了共振,从而激发了全方位的瑞利散射。瑞利散射是一种弹性散射,因此瑞利散射光的频率与入射光相同。后向瑞利散射光是光纤中瑞利散射光的一部分,因其对外界温度和应变敏感,在光纤传感领域有着重要应用。外界的振动造成了光纤轴向长度和折射率的变化,所以造成了瑞利散射光相位的变化。基于此原理制造的光纤传感系统为相位敏感型光时域反射仪(φ-OTDR)。
光纤分布式声波传感(DAS)系统特指相位解调的φ-OTDR,可以对外界声波的频率、幅度和相位进行实时恢复。近年来,由于相干探测技术、啁啾脉冲调制解调技术以及系统降噪技术的引入,DAS系统在频率响应范围、光学信噪比以及应变分辨率(灵敏度)等指标上有了飞跃式的发展。由于DAS技术只需一根无任何微结构处理的单模光纤作为传感媒介,所以其造价相对于点式传感系统大大降低。另外,由于DAS系统在空间上的采样是连续的,所以在大规模组网中,此技术不存在空域探测盲点。因此,DAS系统因其高灵敏度、耐温耐压、成本相对较低等优势在油气探测领域和安防领域已有了广泛的应用。但是,现有的DAS系统因为灵敏度、频响范围无法满足海洋监测要求,导致无法直接应用于海洋信息监测。
具体的,DAS系统对于外界声波的采样率为:
其中,L为待测光纤的长度,c为真空光速,n为光纤纤芯的折射率。从式(1)可以看出, 当光纤的长度越长时,光纤分布式声波传感系统对于外界声波的响应频宽就越窄。根据奈奎斯特采样定理,待测光纤的长度大于10km时,光纤分布式声波传感系统只能对5kHz以下的信号进行有效的响应;而这个指标无法满足水听器监听高频信号的要求。
另外,使用普通单模光纤的光缆无法满足水听器对于声压灵敏度的要求。对于DAS系统,外界声压的变化引起光纤的标距长度(gauge length)内光程的变化。光纤的声压灵敏度M
p的计算公式为:
其中,
为瑞利散射光变化的相位,ε为外界声压造成的光纤应变,E为光纤纤芯的杨氏模量,μ为光纤纤芯的泊松比。可以从式(2)看出,光纤的声压灵敏度与DAS系统光学信噪比无关,只与光纤本身的材质以及DAS系统的标距长度有关。但是,因为光纤大于98%的材质都是二氧化硅,所以其杨氏模量和泊松比非常难以有较大的改变。另外,如果DAS系统运用伸直的光纤作为传感媒介,标距长度越大,空间分辨率越大,则测量空间精度越低。对于现有的运用普通单模光纤作为传感媒介的DAS系统,其声压灵敏度级大约为-180dB re rad/μPa左右,远小于实用化的水听器系统(声压灵敏度级在-150dB re rad/μPa以上)。因此,增加DAS系统的声压灵敏度也是把DAS系统用作海洋水听器亟需克服的难点。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
图1表示基于频分复用的超强抗弯多芯光纤分布式水听器可以分为2部分,第一部分为分布式光纤水听器201的主体,另一部分为超强抗弯多芯光纤柔性光缆101。分布式光纤水听器201的主体需放置于船上或者岸边,超强抗弯多芯光纤柔性光缆101需拖曳或浅埋于水下。
如图2(a)和图2(b)所示,频分复用的超强抗弯多芯光纤分布式水听器可以有两种应用方式。第一种应用方式如图2(a)所示,水声换能器102发出特定波长的声波,遇到目标物体后,物体对声波进行调制。而基于超强抗弯多芯光纤的柔性光缆101可以感知调制后的声信号,通过在放置在船上的分布式光纤水听器201可以对目标物体进行定位,并感知其运动属性。第二种应用方式如图2(b)所示,海洋中某些地质运动可以发出特别波长的声波,而基于超强抗弯多芯光纤的柔性光缆101可以感知此类的声信号,通过放置在船上的分布式光纤水听器201解调此类声波的幅度和频率可以对相应的地质运动进行判断。
基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,包括顺次连接的分布式光纤水听器201和超强抗弯多芯光纤柔性光缆101;
超强抗弯多芯光纤柔性光缆101包括中心支撑层802、p根多芯光纤804和外护层801,所述每根多芯光纤804包括q根纤芯,所述p根多芯光纤804同向等距螺旋缠绕在中心支撑层802上;
分布式光纤水听器201包括脉冲调制模块302、多路复用模块303和多路解复用模块306,所述多根多芯光纤804中信号进行空分复用的同时对每一路时分信道采取频分复用,调制和解调公式如下:
脉冲调制模块302依次循环调制出p×q组载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲,相邻脉冲的间隔时间τ为:
其中,h为频分复用所用的中频个数,n为多芯光纤中纤芯的折射率,L为待测光纤的长度,c为真空光速;
信号经包括p×q路输出端口的多路复用模块303后,每个通道输出脉冲串的重频为c/2Ln,相邻通道的脉冲串的时间延迟量为2Ln/(pq-1)c;
多路解复用模块306中的每一路引入本振光进行下变频,提取载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲对应的瑞利散射光相位变化量;设第1路输出的中频为f
1的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为0,则第k路(k=1,2,…,p×q)输出的中频为f
i(i=1,2,…,h)的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为:
综上,本实施例的多根多芯光纤804中信号利用分布式光纤水听器201进行空分复用的同时对每一路时分信道采取频分复用,扩宽了系统对于外界声波的最高响应频率,克服了传统光纤分布式声波传感系统中频率响应宽度受到传感长度限制的问题;同时采用超强抗弯多芯光纤柔性光缆101提升光缆灵敏度,克服了光纤分布式声波传感系统频率响应范围较低、声压灵敏度达不到水听所需数量级的难点,利用空分复用和频分复用以及超强抗弯多芯光纤柔性光缆,使得系统对于外界声波的采样率大幅提升,并且使得光缆对于声压的灵敏度得到了大幅提升,实现了高密度、高灵敏度、大范围响应频宽的低成本分布式光纤水听器系统。
实施例2
基于实施例1,细化本申请的超强抗弯多芯光纤柔性光缆101;设超强抗弯多芯光纤柔性光缆101中包含p根多芯光纤,每根多芯光纤中有q根纤芯。
图8所展示是超强抗弯多芯光纤柔性光缆101中有2根多芯光纤的情况。图8(a)展示了光缆的横截面示意图;图8(b)展示了光缆的纵向结构。光缆中每根多芯光纤803(本实施例示意两根多芯光纤8041和8042)都使用紧包套管803(本实施例示意两紧包套管8031和8032)进行保护。光缆中心采用中心支撑层802进行支撑,材料为圆柱形软性材料。光缆使用软性材料作为外护套801;从图8(b)可以看出,使用紧包套管803进行保护的多芯光纤8041和8042,需要同向螺旋缠绕在中心支撑层802上。不同的多芯光纤804在缠绕过程中不能重叠,且在缠绕过程中施加的预应力相同。为了使得水听器系统的声压灵敏度更高,缠绕的螺距越小越好。
图9展示了当多芯光纤804具有9根纤芯时,光纤的横截面示意图。纤芯的排列呈圆对称结构,使得不同纤芯对于外界声波的响应在最大程度上保持一致。纤芯之间的距离不能过小,以避免不同纤芯之间产生的串扰。但是纤芯之间的距离不能过大,整体需要包裹在特定大小的包层内。因此纤芯大约位于包层半径的1/2处,且呈圆对称均匀分布在包层的横截面上比较恰当。图9所示的多芯光纤的抗弯特性可通过优化光纤横截面上的折射率结构实现,比如改变包层掺杂粒子和浓度等,以保证光纤缠绕之后弯曲损耗不会大幅增加。
所述p、q为大于或者等于2的正整数;所述中心支撑层802采用杨氏模量远小于多芯光纤804的圆柱形软性材料,所述外护层801采用杨氏模量大的柔性材料。
所述外护层801直径大于中心支撑层802直径的两倍,所述中心支撑层802直径大于多芯光纤的直径且小于0.1m,所述紧包套管803直径远远小于中心支撑层802的直径,且不超过2mm,所述螺旋缠绕间距大于套设紧包套管803的多芯光纤804的直径且小于中心支撑层802的周长,所述外护层801的杨氏模量大于中心支撑层802的杨氏模量。
典型的,中心支撑层802采用PP塑料(典型样式模量为0.89GPa),而外护套801采用橡胶(典型样式模量为0.0078GPa)。PP塑料的直径为2cm,外护套801的直径为6cm,套设紧包套管803的多芯光纤804直径为1mm,螺旋缠绕在PP塑料上,螺距为5cm。
综上,本实施例的柔性光缆使用柔性材料作为内部支撑,使得光纤的灵敏度提高;同时使用紧包套管对光纤进行保护,使得光纤可以很好地感知外界声波震动;另外,紧包光纤螺旋缠绕在柔性支撑材料上,单位测量长度上能够被外界影响的光纤更长,使得单位测量长度积累的相位变化量更大,灵敏度与系统标距长度上积累的相位变化量成正比,因此螺旋缠绕能使得光缆的灵敏度大幅提升。
实施例3
基于实施例1,细化本申请的结合空分复用和空分复用的分布式光纤水听器201系统,细节如下:
分布式光纤水听器201的主体的结构如图3所示。该系统包含运用商用单模光纤顺次连接的激光器301、脉冲调制模块302、多路复用模块303、环形器单元304、光缆连接模块305;环形器单元304的3端口还依次用商用单模光纤连接多路解复用模块306、光电探测模块307;光电探测模块307的输出端与采样模块308和信号分析模块309用电信号传输线依次连接。
激光器301发出高相干低相位噪声的单频激光输入至脉冲调制模块302调制为特定的脉冲,然后输入多路复用模块303进行空分复用,并输出到p×q路输出端口;环形器单元304运用p×q个光纤环形器把空分复用信号运送至光缆连接模块307,使得信号输入拖曳型光缆101中进行传输。光缆中的光纤所感知到的瑞利散射信号通过光缆连接模块305输入至环形器单元304的3端口,然后输入多路解复用模块306进行解复用,最后输入光电探测模块转化为电信号,然后依次输入采样模块308和信号分析模块309进行外界声波信号的恢复。
如图4所示,脉冲调制模块302包含光调制器401和光放大器402。光调制器401,可采用强度调制器也可采用IQ调制器;如果系统使用频率啁啾脉冲,则只能采用IQ调制器。
如图5所示,多路复用模块303包含光耦合器501和光开关502。光耦合器501把光放大器402输出的脉冲光均等地分为p×q路,然后输入进拥有大于p×q路输入输出端口的光开关502进行空分复用。
如图6所示,环形器单元304包含p×q个相互独立的光纤环形器600。从光开关502输出的p×q路信号被环形器单元304的端口1运送至端口2,然后输入至光缆连接模块305。
如图7所示,光缆连接模块305包含扇入扇出701和低损连接头702,其中,扇入扇出701把p×q路环形器单元304端口2输出的信号低损耦合至p根多芯光纤804内,然后通过低损连接头702与超强抗弯多芯光纤柔性光缆101中的多芯光纤804进行低损耦合。系统通过低损连接头702连接光缆,低损连接头包含多芯光纤连接器以及接头保护装置。
如果系统不使用频分复用技术,其多路解复用模块306则为p×q根单模光纤跳线;如果系统使用频分复用技术,其多路解复用模块306则需使用相干探测,利用本振光进行下变频。具体的,则是运用p×q个单模光纤耦合器把本振光耦合进环形器3端口输出的p×q路信号,然后输入进入光电探测模块307中的p×q个光电二极管。
最后,p×q路电信号依次输入采样模块308和信号分析模块309进行外界声波信号的恢复。
分布式光纤水听器201主体的各个模块的工作情况以及每个空分复用信道中脉冲的传输的情况如下:
首先说明仅使用空分复用提升系统对外界声波响应频率时,各个模块的工作情况。
设超强抗弯多芯光纤柔性光缆101中包含p根多芯光纤,每根多芯光纤中有q根纤芯。
脉冲调制模块302把激光器301把高相干低相位噪声的单频激光调制成短脉冲串。每个脉冲的载波频率无需变化。输出的相邻脉冲的时间间隔τ
TDM为:
其中,L为待测光纤的长度,c为真空光速,n为光纤纤芯的折射率。这些脉冲串输入进多路复用模块303,被其中的光开关502调制,使得空分复用的每一路在2nL/c中的时间内只有一个脉冲进行传输。在第i路(1<i<p×q)空分复用信道中,脉冲输入的起始时间与第1路输入的时间间隔为:
多路复用模块303输出的脉冲序列输入进环形器单元304中的p×q个相互独立的光纤环形器600,然后通过光缆连接模块305耦合至基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆101。多芯光纤的瑞利散射光通过光缆连接模块305,通过p×q个相互独立的光纤环形器600的端口2输出至端口3,然后输入至多路解复用模块306。
由于该系统只使用了空分复用,而未使用频分复用,所以多路解复用模块为p×q根单模光纤跳线。也就是说,空分复用各个信道接收到的瑞利散射光直接输入光电转换模块307中的p×q个光电二极管。
光电转换模块307中得到的电信号通过采样模块308进入信号分析模块309,第i路(i=1,2,…,p×q)输出的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为:
因此,系统对外界声波的采样率为:
对比于式(1)所示的普通DAS系统对外界声波的采样率,使用空分复用的系统提高了p×q倍。
图10展示了当光缆中只有1根9芯光纤时,每一根芯中脉冲的传输情况。这种情况下,空分复用信道总共9路。9021-9029分别表示多芯光纤的9根纤芯。从图中可以看出,当第1路的脉冲传输出光纤的时候,第9路脉冲刚刚进入光纤。因此,DAS系统对于外界声波 的采样率提升了8倍。
然后说明系统使用空分复用结合频分复用提升系统对外界声波响应频率时,各个模块的工作情况。
激光器301输出高相干窄线宽单频激光至脉冲调制模块302。脉冲调制模块302依次循环调制出p×q组载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲,其中h为频分复用所用的中频个数,相邻脉冲的间隔时间τ
TDM+FDM为:
其中,n为多芯光纤中纤芯的折射率,L为待测光纤的长度,c为真空光速。这些脉冲通过多路复用模块303分为p×q路,每一个路只输出一组载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲。设第1路输出端口的时间为0s,则第k路输出端口输出一组脉冲(k=1,2,…,p×q)的起始时间为:
从多路复用模块303输出的脉冲经过环形器单位304的p×q个光纤环形器600的端口1输入至端口2,然后通过光缆连接模块305耦合进入超强抗弯多芯光纤柔性光缆101。多芯光纤中的后向瑞利散射光经过环形器600的端口2输出至端口3,然后输入多路解复用模块306。
多路解复用模块306中的每一路都需引入本振光进行下变频,使得载波频率为f
1,f
2,…,f
h的短脉冲对应的瑞利散射光相位变化被提取出来;在输入信号分析模块(309)后,第k路(k=1,2,…,p×q)输出的中频为f
i(i=1,2,…,h)的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为:
重复上述步骤,对外界声波信号进行连续采样。
利用空分复用和频分复用系统对外界声波的采样率为:
对比于式(1)所示的普通DAS系统对外界声波的采样率,使用空分复用的系统提高了p×q×h倍。根据奈奎斯特采样定理,其采样率对应的外界声波的最高响应频率为pqhc/4nL。
图11展示了当光缆中只有1根9芯光纤时,运用2个中频信号进行频分复用时,每一 根芯中脉冲的传输情况。这种情况下,空分复用信道总共18路。9021-9029分别表示多芯光纤的9根纤芯。从图中可以看出,每一路都有2个不同中频的脉冲进行传输,并且在同一时刻,各个脉冲在空间位置上不会发生重叠。当第1路的最后一个脉冲传输出光纤的时候,第18路第一个脉冲刚刚进入光纤。因此,DAS系统对于外界声波的采样率提升了17倍。
上述两个实施例表明,使用了频分复用结合空分复用的光纤分布式声波传感系统打破了长度对外界声波的采样率的限制,以复用的路数成倍增加,使其适用于水听系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
- 基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:包括顺次连接的分布式光纤水听器(201)和超强抗弯多芯光纤柔性光缆(101);所述超强抗弯多芯光纤柔性光缆(101)包括中心支撑层(802)、p根多芯光纤(804)和外护层(801),所述每根多芯光纤(804)包括q根纤芯,所述p根多芯光纤(804)同向等距螺旋缠绕在中心支撑层(802)上;所述分布式光纤水听器(201)包括脉冲调制模块(302)、多路复用模块(303)和多路解复用模块(306),所述多根多芯光纤(804)中信号进行空分复用的同时对每一路时分信道采取频分复用,调制和解调公式如下:脉冲调制模块(302)依次循环调制出p×q组载波频率为f 1,f 2,…,f h的短脉冲,相邻脉冲的间隔时间τ为:其中,h为频分复用所用的中频个数,n为多芯光纤中纤芯的折射率,L为待测光纤的长度,c为真空光速;信号经包括p×q路输出端口的多路复用模块(303)后,每个通道输出脉冲串的重频为c/2Ln,相邻通道的脉冲串的时间延迟量为2Ln/(pq-1)c;多路解复用模块(306)中的每一路引入本振光进行下变频,提取载波频率为f 1,f 2,…,f h的短脉冲对应的瑞利散射光相位变化量;设第1路输出的中频为f 1的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为0,则第k路(k=1,2,…,p×q)输出的中频为f i(i=1,2,…,h)的脉冲所提取出的信号对应的采样时刻为:
- 根据权利要求1所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述p、q为大于或者等于2的正整数,所述螺旋缠绕间距大于套设紧包套管(803)的多芯光纤(804)的直径且小于中心支撑层(802)的周长的2倍。
- 根据权利要求1所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述中心支撑层(802)采用杨氏模量远小于多芯光纤(804)的圆柱形软性材料,所述外护层(801)采用杨氏模量大的柔性材料,所述外护层(801)的杨氏模量大于中心支撑层 (802)的杨氏模量。
- 根据权利要求2所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述外护层(801)直径大于中心支撑层(802)直径的两倍,所述中心支撑层(802)直径大于多芯光纤的直径且小于0.1m,所述紧包套管(803)直径远远小于中心支撑层(802)的直径,且不超过2mm。
- 根据权利要求1所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述分布式光纤水听器(201)还包括激光器(301)、环形器单元(304)和光缆连接模块(305);所述激光器(301)、脉冲调制模块(302)、多路复用模块(303)、环形器单元(304)和光缆连接模块(305)顺次连接;所述环形器单元(304)的3端口还依次连接多路解复用模块(306)、光电探测模块(307);所述光电探测模块(307)的输出端与采样模块(308)和信号分析模块(309)用电信号传输线依次连接。
- 根据权利要求5所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述激光器(301)采用高相干单频激光器;所述脉冲调制模块(302)包括依次连接的光调制器(401)和光放大器(402)。
- 根据权利要求5所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述多路复用模块(303)包括光耦合器(501)和光开关(502),光耦合器(501)把光放大器(402)输出的脉冲光均等地分为p×q路,然后输入拥有大于p×q路输入输出端口的光开关(502)进行空分复用;所述环形器单元(304)包括p×q个相互独立的光纤环形器,从光开关(502)输出的p×q路信号被环形器单元(304)的端口1运送至端口2,然后输入至光缆连接模块(305)。
- 根据权利要求5所述的基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器,其特征在于:所述光缆连接模块(305)包括扇入扇出(701)和低损连接头(702),所述扇入扇出(701)把p×q路单模光纤输入的脉冲光低损耦合至p根多芯光纤(804)内,然后通过低损连接头(702)与超强抗弯多芯光纤柔性光缆(101)中的多芯光纤(804)进行低损耦合。
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Legal Events
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NENP | Non-entry into the national phase |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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