[发明专利]基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器

说明书

本发明公开了基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器，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和超强抗弯多芯光纤柔性光缆；上述光缆包括中心支撑层、p根多芯光纤和外护层，每根多芯光纤包括q根纤芯，多芯光纤套设紧包套管，p根多芯光纤同向等距螺旋缠绕在中心支撑层上；分布式光纤水听器包括脉冲调制模块、多路解复用模块和多路复用模块，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。本发明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。

技术领域

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。

背景技术

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f₁，f₂，…，f_h的短脉冲，相邻脉冲的间隔时间τ为：