Optics Express: 基于Φ-OTDR的新一代分布式光纖水聽(tīng)器

  撰稿 | 盧斌 & 蔡海文、高侃(論文第一作者&通訊作者)

  近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空間激光信息傳輸與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所合作，基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)實(shí)現(xiàn)了一種新型的分布式光纖水聽(tīng)器，并首次開(kāi)展了外場(chǎng)湖試。通過(guò)在聲敏芯棒上纏繞光纖，并覆以防水護(hù)套，實(shí)現(xiàn)了一種可自動(dòng)化制備的聲敏光纜，水聲靈敏度可達(dá)-146 rad·μPa-1·m-1，較普通光纜靈敏度提高了多個(gè)數(shù)量級(jí);建立了適用于分布式水聽(tīng)器的陣列模型，并分析了陣列孔徑對(duì)水聽(tīng)器方向響應(yīng)上的影響，為陣列信號(hào)處理提供了技術(shù)依據(jù);在外場(chǎng)湖試中，利用104m長(zhǎng)的光纜，實(shí)現(xiàn)了水下不同頻率聲目標(biāo)的檢測(cè)、定向和軌跡跟蹤，驗(yàn)證了分布式水聲探測(cè)技術(shù)的可行性，為聲吶技術(shù)突破現(xiàn)有“點(diǎn)式”水聽(tīng)器陣列孔徑受限、陣元間隔固定的固有瓶頸提供了可能。

  研究成果以“Distributed optical fiber hydrophone based on Φ-OTDR and its field test”為題在Optics Express上發(fā)表，第一作者為盧斌副研究員，通訊作者為蔡海文研究員和高侃研究員級(jí)高工。

封面圖：水聲目標(biāo)探測(cè)技術(shù)

圖源: 水聲目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望-黃海寧.

  研究背景

  海洋水聲探測(cè)對(duì)于水下軍事安防和資源勘探具有重要意義。聲吶(水聽(tīng)器)是海洋水聲探測(cè)常用的技術(shù)手段，近年來(lái)迅速發(fā)展。其中，光纖水聽(tīng)器具有抗電磁干擾，體積小，重量輕，濕端無(wú)源等優(yōu)點(diǎn)，已成為下一代水聽(tīng)器的研究熱點(diǎn)。目前常見(jiàn)的光纖水聽(tīng)器是基于干涉儀結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)式”水聽(tīng)器。這種光纖水聽(tīng)器要實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量需要通過(guò)時(shí)分復(fù)用(TDM)，波分復(fù)用(WDM)和空分復(fù)用(SDM)技術(shù)，將多個(gè)單點(diǎn)光纖水聽(tīng)器結(jié)合從而構(gòu)成了整個(gè)陣列。陣列系統(tǒng)復(fù)雜，體積大且成本較高，陣列規(guī)模受限;陣元間隔固定，多頻探測(cè)應(yīng)用靈活性受限。

  相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(Φ-OTDR)作為一種新型的分布式光纖聲傳感技術(shù)，基于光纖中的相干后向瑞利散射信號(hào)進(jìn)行感知，除具有常規(guī)光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有探測(cè)距離長(zhǎng)、空間分辨率高、分布式測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，在周界安防、鐵路安全監(jiān)測(cè)、油氣勘探等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。鑒于其技術(shù)特點(diǎn)，Φ-OTDR在海洋水聲探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制備、布設(shè)靈活、大復(fù)用規(guī)模的新一代分布式水聽(tīng)器。不過(guò)，與陸上應(yīng)用不同的是，常規(guī)光纜對(duì)水下聲波的靈敏度較低(-212dB rad·μPa-1·m-1)，無(wú)法滿足水聲探測(cè)的需求，需要對(duì)光纜進(jìn)行增敏處理。此外，目前還沒(méi)有一套完整理論用于處理分布式光纖陣列的陣列信號(hào)，在信號(hào)處理方面具有一定難度。

  中科院上海光機(jī)所和中電23所等研究機(jī)構(gòu)的研究人員針對(duì)分布式水聽(tīng)技術(shù)面臨的難題，開(kāi)展了相關(guān)的聯(lián)合攻堅(jiān)工作，完成了分布式光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并首次開(kāi)展了湖試研究，實(shí)現(xiàn)了水下聲目標(biāo)的定向、波束形成和運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤等功能。

  創(chuàng)新研究

  3.1 設(shè)計(jì)并制備了一種新型的聲敏光纜

圖1 聲敏光纜結(jié)構(gòu)示意圖圖源: Optics Express (2021).https://doi.org/10.1364/OE.414598 (Fig. 4)

  普通光纖的聲壓靈敏度僅為-212dB rad·μPa-1·m-1，封裝成為通信光纜后，光纜中的鋼管保護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步降低光纜的聲壓靈敏度。為了提高光纖聲壓靈敏度，干涉型光纖水聽(tīng)器的解決方法是將長(zhǎng)距離光纖緊密纏繞在聲敏元件上。當(dāng)聲敏元件受到水聲影響發(fā)生聲致形變時(shí)，纏繞在上面的光纖也發(fā)生相應(yīng)的形變。由于結(jié)構(gòu)增益和長(zhǎng)度增益，使得光纖水聽(tīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)很高的聲壓靈敏度。在本項(xiàng)目中，將借鑒該種方法設(shè)計(jì)一種如圖1所示的基于聲敏材料芯棒的聲敏傳感光纜：傳感光纜的支撐芯軸由聲敏材料制成，在其上緊密纏繞耐彎曲光纖，最后擠塑一層透聲的護(hù)套，以達(dá)到聲壓增敏效果。

  通過(guò)建模分析不同芯軸材料的楊氏模量、泊松比、幾何尺寸等對(duì)光纜聲壓靈敏度的影響，并綜合考慮支撐芯軸的剛度等特性，選取了特定參數(shù)的材料作為聲敏芯軸。在駐波管結(jié)構(gòu)中進(jìn)行了聲壓靈敏度測(cè)試，得到的結(jié)果如圖2所示，實(shí)現(xiàn)的聲壓靈敏度可達(dá)-146dB rad·μPa-1·m-1，比常規(guī)單模光纖提升了多個(gè)數(shù)量級(jí)，光纜的最終直徑僅為12.5 mm，均勻纏繞在每米光纜上的光纖長(zhǎng)度約為7.5 m。

圖2 聲敏光纜靈敏度測(cè)試曲線

  3.2建立了基于分布式光纖水聽(tīng)器的陣列信號(hào)處理模型

圖3 分布式陣列信號(hào)處理模型

  與點(diǎn)式傳感器構(gòu)成的陣列不同，分布式陣列中的陣元間隔、陣元數(shù)目和陣列孔徑等參數(shù)更為靈活，可根據(jù)需要在數(shù)字域進(jìn)行靈活設(shè)置。同時(shí)，分布式陣列中也存在一定的局限性，尤其是聲信號(hào)在陣元孔徑內(nèi)存在一定的積分效應(yīng)。通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的理論分析和數(shù)值仿真得出，陣元孔徑的積分效應(yīng)可能會(huì)帶來(lái)陣列方向響應(yīng)上的不一致性，且待測(cè)信號(hào)頻率越高或陣元孔徑越大，所引起的方向響應(yīng)一致性問(wèn)題越突出，如圖4所示。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)需要進(jìn)行陣列參數(shù)的優(yōu)化選擇，或采取相應(yīng)的補(bǔ)償算法消除該效應(yīng)。同時(shí)，當(dāng)目標(biāo)來(lái)向固定時(shí)，各個(gè)陣元的響應(yīng)是一致的，各個(gè)陣元測(cè)得的聲波信號(hào)的相位信息是與各陣元的位置線性相關(guān)的，滿足陣列信號(hào)處理的要求。

圖4 分布式陣元在不同聲波頻率和陣元孔徑下的方向響應(yīng)特性。

(a)375Hz和1m；(b)375Hz和2m; (c) 375Hz和3m; (d) 625Hz和1m；(e)625Hz和2m; (f) 375Hz和3m

  3.3 開(kāi)展分布式光纖水聽(tīng)器湖試研究

  采用自主研發(fā)的外差相干相位型Φ-OTDR系統(tǒng)：通過(guò)本地參考光的放大作用，較直接探測(cè)方案可獲得更高信噪比;空間差分在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)，空間分辨率靈活可變;通過(guò)頻率分集和合并方案，消除信號(hào)衰落的影響，且可有效降低系統(tǒng)自噪聲。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在浙江某水庫(kù)完成，水庫(kù)中部署了104 m長(zhǎng)的光纜，通過(guò)壓電換能器產(chǎn)生水下模擬聲目標(biāo)?；谏鲜鲫嚵行盘?hào)處理模型進(jìn)行信號(hào)處理，部分結(jié)果如圖5、圖6所示，實(shí)現(xiàn)了水下聲源信號(hào)的定向、波束形成和運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，這是分布式光纖水聽(tīng)器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的第一次公開(kāi)報(bào)道。

圖5 波束形成前后信號(hào)PSD對(duì)比

圖6 水下聲目標(biāo)軌跡跟蹤結(jié)果

  應(yīng)用與展望

      本文提出的基于Φ-OTDR的分布式光纖水聽(tīng)器，除具有現(xiàn)有光纖水聽(tīng)器所有的濕端無(wú)源、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)外，采用連續(xù)聲敏光纜作為傳感媒介，可全自動(dòng)化制備，復(fù)用規(guī)模大，單纜可實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里的陣列范圍的探測(cè);可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，陣元間隔靈活可變，能同時(shí)滿足不同頻率目標(biāo)的探測(cè)需求;陣列便于實(shí)現(xiàn)輕型化，可機(jī)動(dòng)部署，能滿足更多場(chǎng)景的應(yīng)用需求。作為新一代分布式光纖水聲探測(cè)技術(shù)，其后期在海洋和港口安防、海洋礦產(chǎn)資源勘探、海洋地震學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

  文章信息：

  Bin Lu, Bingyan Wu, Jinfeng Gu, Junqi Yang, Kan Gao, Zhaoyong Wang, Lei Ye, Qing Ye, Ronghui Qu, Xiaobao Chen, and Haiwen Cai, "Distributed optical fiber hydrophone based on Φ-OTDR and its field test," Opt. Express 29 (3), 3147-3162 (2021).

  論文地址：

  https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-3-3147&id=446709

  https://doi.org/10.1364/OE.414598