CN114114282A

CN114114282A - 单元线阵及含有所述单元线阵的全分布式光纤声呐线阵

Info

Publication number: CN114114282A
Application number: CN202210080041.0A
Authority: CN
Inventors: 严国锋; 王忠新; 张敏行; 饶云江
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明公开了一种单元线阵及含有所述单元线阵的全分布式光纤声呐线阵，所述单元线阵，包括：两端密封的管体；支撑结构，设置在所述管体内；分布式声学传感单元，由光纤在单根弹性体上连续增敏绕制而成，两端留有光纤余量，两端穿过所述支撑结构后与所述管体的两端相连，且与所述管体的侧壁不接触；声阻抗匹配材料，填充在所述的管体内。所述全分布式光纤声呐线阵由若干条上述的单元线阵依次连接而成。该线阵具有无熔接点结构简单、一致性好、等效水声传感单元灵敏度和空间分辨率连续可调等特点。

Description

单元线阵及含有所述单元线阵的全分布式光纤声呐线阵

技术领域

本申请涉及光纤声呐技术领域，尤其涉及一种单元线阵及含有所述单元线阵的全分布式光纤声呐线阵。

背景技术

光纤水听器具有灵敏度高、耐海水腐蚀、防漏电、抗电磁干扰等优势，在近年来发展迅速。光纤声呐阵列日益成为各国研究的热点，充油和固态的成缆设计相继被提出。其原理主要是利用时分、波分、频分等方式，将点式光纤水听单元进行组网复用和解调，最终通过成缆设计形成大规模阵列。然而多点复用的方式存在容量限制，传感网络中各单元节点也存在串扰的风险，同时目前组网设计，一旦完成，阵列固化无法调整。不同组网方式，也会对每个组网单元，在时延，工作波长和一致性等方面有很高要求。

公布号为CN106546971A公开了一种固态拖曳声呐线列阵及其装配方法，提出了一种典型的拖曳声呐线阵结构，可以看到，此类分立式水声传感单元组成的声呐阵列，成缆的传感单元结构相对复杂，需要不同光器件的精密设计和熔接，制备工艺难度高，可靠性差。在具体水声传感应用当中，为了满足后续阵列信号处理要求，每个传感单元之间还需要进行时间和空间同步，进一步增加了系统的复杂度。

总体来看，目前的光纤声呐线阵，不论是光纤水听单元性能，还是在大规模组网以及信号同步方面，都存在技术挑战和瓶颈限制。

发明内容

鉴于此，本申请实施例的目的是提供一种单元线阵及含有所述单元线阵的全分布式光纤声呐线阵，该线阵具有无熔接点结构简单、一致性好、等效水声传感单元灵敏度和空间分辨率连续可调等特点。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种单元线阵，包括：

两端密封的管体；

支撑结构，设置在所述管体内；

分布式声学传感单元，由光纤在单根弹性体上连续增敏绕制而成，两端留有光纤余量，两端穿过所述支撑结构后与所述管体的两端相连，且与所述管体的侧壁不接触；及

声阻抗匹配材料，填充在所述的管体内。

进一步地，所述管体包括：

PU管；

密封堵芯，两个所述密封堵芯分别密封安装在所述PU管的两端。

进一步地，所述支撑结构包括：

若干空骨架，放置在所述管体内，相邻两个所述空骨架通过凯夫拉绳固定连接，两端的所述空骨架通过凯夫拉绳与所在端的管体的端部固定连接。

进一步地，所述PU管与所述密封堵芯通过嵌套扣压密封。

进一步地，若干所述的空骨架等间距布置于所述管体内。

进一步地，所述凯夫拉绳通过所述空骨架外侧固定孔与各个空骨架相连，通过卡扣锁紧的方式固定于所述管体内。

进一步地，所述声阻抗匹配材料为硅油或液体胶。

进一步地，还包括：

一对水密接头，分别安装在所述管体的两端，所述分布式声学传感单元的光纤的两端分别与一对所述水密接头连接。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种全分布式光纤声呐线阵，所述全分布式光纤声呐线阵由若干条第一方面所述的单元线阵依次连接而成。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请所述分布式声学传感单元由光纤在单根弹性体上连续增敏绕制而成，两端留有光纤余量，相比先完成一批点式传感单元制备再组网形成阵列的传统线阵方案，无需复杂的组网光路设计和大量的器件连接，具有一致性好、结构简单、可靠性高的特点。

所述分布式声学传感单元由光纤在单根弹性体上连续增敏绕制而成，两端留有光纤余量，一次绕制成型，全程无需进行任何光器件的熔接，工艺可控，装配过程简单，操作性强，可标准化生产；线阵单元通过密封接头相互连接的设计，组装灵活，可根据探测孔径需求，方便的组合不同线阵。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本发明实施例提供的一种单元线阵的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种全分布式光纤声呐线阵的示意图。

图3为本发明实施例提供的全分布式光纤水听声呐线阵的阵列空间相关性。

图4为本发明实施例提供的全分布式光纤水听声呐线阵的频率响应图。

其中，1、密封堵芯；2、分布式声学传感单元；3、凯夫拉绳；4、空骨架；5、灌胶孔；6、硅油；7、PU管；8、水密接头；9、卡箍；10、单元线阵；11、水密跳线；12、连接卡箍。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图1和图2所示，本申请实施例提供一种单元线阵10，可以包括：两端密封的管体、支撑结构、分布式声学传感单元和声阻抗匹配材料。

所述管体的两端密封，形成一个密闭的腔体。具体地，所述管体包括：PU管7和密封堵芯1，两个所述密封堵芯1分别密封安装在所述PU管7的两端。用于密封所充的声阻抗匹配材料6，并把分布式声学传感单元2上的光纤引出。

所述PU管7与所述密封堵芯1通过嵌套扣压密封。此实施例中PU管7内径39mm，外径45mm。

所述支撑结构设置在所述管体内，主要起到支撑所述分布式声学传感单元2的作用。

具体地，所述支撑结构包括：若干空骨架4，放置在所述管体内，相邻两个所述空骨架4通过凯夫拉绳3固定连接，两端的所述空骨架4通过凯夫拉绳3与所在端的管体的端部固定连接，形成整体线阵的承力结构，用于承受轴向的拉力载荷。

进一步地，若干所述的空骨架4等间距布置于所述管体内，保证线阵机械强度的同时，减少重量和声学耦合损耗，此间距取决于空骨架4的宽度和线阵整体刚度的需求，此实施例中空骨架44宽度5cm，之间间距20cm。

所述空骨架4外侧开有供凯夫拉绳3通过的固定孔、通油孔以及供分布式声学传感单元2穿过的中心通孔，实现声学单元的支撑，同时避免连续线阵弯曲时，分布式声学传感单元2与PU管7内壁接触。根据线阵机械强度和密度要求，空骨架4可用合金和树脂材料制备。

所述空骨架4内部也可以安装非声学的传感器，比如陀螺仪，压立计等，用于感知线阵的姿态。

进一步地，所述凯夫拉绳3通过所述空骨架4外侧固定孔与各个空骨架4相连，通过卡扣锁紧的方式固定于所述PU管7两端密封堵芯1上，承载整线阵所受的拉力，防止所述的空骨架4与所述的PU管7发生相对位移。

所述凯夫拉绳3通过空骨架4外侧固定孔扣紧并做点胶处理，与各个空骨架4固定相连，通过卡扣与密封堵芯1锁紧并点胶固封，保证收到拉力时不松动。凯夫拉绳3的直径和数量根据整体线阵受力需求设计，并预留5-10倍余量，本实施例中凯夫拉绳3直径4mm，数量4根。

所述分布式声学传感单元2由光纤在单根弹性体上连续增敏绕制而成，两端留有光纤余量，用于水密接头8插芯的制备和连接，实现整个全分布式光纤声呐线阵无熔点，整体结构简单可靠。分布式声学传感单元2两端穿过所述支撑结构后与所述管体的两端相连，具体地，两端穿过所述支撑结构后，插入所述管体的两端的密封堵芯1中，但两者不固定连接，且与所述管体的侧壁也不接触，避免光缆上的应力传递到分布式声学传感单元2上，影响去声波探测性能。

基于相位敏感光时域反射技术实现的声波探测，其单位绕制长度声压灵敏度

可以表示为：

re：1rad/μPa/m

其中n为光纤等效折射率，P为作用在线阵上的声压，λ为光信号波长，

为声波作用下弹性体发生的位移变化，r为弹性体的半径，

为弹性体长度，L为绕制光纤的长度。

可以看到，单位长度下声学传感单元灵敏度与绕制光纤的长度有关。理论上，弹性体上光纤绕制越密，声波灵敏度越高。因此，可以采用完全密绕（光纤间距趋近于0，涂覆层紧挨排列）的方式，结合探测光信号脉宽调节以及不同间距抽样信号处理方法，实现对水下声波探测灵敏度和空间分辨率的动态调节。

其中弹性体用来增强光纤对于声波的感知灵敏度，根据不同的探测频率和灵敏度指标要求选取适当弹性模量和泊松比的材料。本实施例中，弹性体选用杨氏模量为304 MPa和泊松比为0.3的TPU材料，为了增大的声压灵敏度和方便使用，弹性体材料直径为15mm。单位长度声学传感单元灵敏度与光纤绕制长度有关，此实施例中，光纤绕制采用1mm匝距，均匀密绕，整体灵敏度可以达到-146 dB/rad/μPa/m。

所述声阻抗匹配材料填充在所述的管体内，具体地，所述声阻抗匹配材料为硅油6或液体胶，实现线阵阻抗与海水阻抗的匹配，利于声波耦合；同时，通过所填充材料的密度选择和填充的压力控制，可以实现线阵整体密度的调节，使其与海水接近，便于拖曳应用时的布放深度控制。

本实例中，所述PU管7内填充满硅油6，实现线阵阻抗与海水阻抗的匹配，利于声波耦合；因为硅油6密度小于水，不同填充压力下硅油6填充量不同。因此可以通过填充压力控制，调整线阵的整体密度，使其与海水接近，便于拖曳应用时的布放深度控制。此实施例中，采用硅油6密度为0.95 g/cm³, 填充压力为0.4 Mpa。

为了实现线阵信号的读取，本申请实施例提供一种单元线阵10还需要包括：一对水密接头8，分别安装在所述管体的两端，所述分布式声学传感单元2的光纤的两端分别与一对所述水密接头8连接，实现信号的输出，便于不同线阵单元之间的互连。

具体地，所述密封堵芯1上设有水密接头8，声学传感单元上密绕的光纤具备传感和主通信功能，与所述水密接头8连接，实现不同单元阵列之间的互联和信号传输。

特别的，水密接头8不仅仅局限于光纤信号的输出互连，当空骨架4内部集成有非声学传感器后，其信号也可以通过水密接头8的光电复合接头设计实现输出和互连。

本申请实施例还提供一种全分布式光纤声呐线阵，所述全分布式光纤声呐线阵由若干条上述的单元线阵10依次连接而成。具体地，所述的全分布式光纤声呐线阵可以根据实际对线阵孔径的需求，由若干条单元线阵10通过水密接头8和卡箍9连接组合而成。

如图1和2所示，单元线阵10装配和组成全分布式光纤声呐线阵的步骤如下：

a.把空骨架4，按照设定的20cm间距放置，分别与凯夫拉绳3依依扣紧并点胶固定；

b.分布式声学传感单元2穿过每个空骨架4的中心通孔，两端固定于密封堵芯1上；

c. 根凯夫拉绳3与两端密封堵芯1通螺丝锁紧并点胶处理，完成固定连接；

d.分布式声学传感单元2预留光纤，插入水密接头8中的陶瓷插芯中点胶固定；

e.完成水密接头8与密封堵芯1的装配；

f.将裸阵的空骨架4、分布式声学传感单元2、水密接头8和密封堵芯1放入PU管7内，两端的密封堵芯1与PU管7嵌套，通过卡箍9扣压密封；

g.通过密封堵芯1侧面的灌胶孔5对PU管7内部填充硅油6，保持填充压强0.4 Mpa，密封灌胶孔5，形成线阵单元；

h.通过水密跳线11和连接卡箍12将若干条线阵单元进行连接，形成最终的全分布式光纤声呐线阵。

基于以上实施例中线阵参数设计，利用相位敏感光时域技术测得200-600Hz线性调频声波激励下的线阵信号，将第430个采样通道的数据与整个线阵600个采样通道做相关性分析，本实施例阵列的空间相关性如图3所示，可以看到除了430相邻的通道可以保持0.9以上的相关性外，与其余通道的相关系数也能保持在0.8左右，反映出了很好的阵列空间相关性，利于后续波束合成等阵列信号处理。对本实施例线阵进行50-800Hz的湖试声波频率响应标定，如图4给出了不同通道频率响应的均方差曲线。可以看到，本实施例线阵不同频率的声波灵敏度均值在-146 dB/rad/μPa/m，且上下平均波动2dB左右，显示出了较好的响应平坦度。同时，不同通道频率响应的均方差小于1dB，表明本实施例线阵不同空间位置有很好的频率响应一致性。

采用上述技术方案的单元线阵10及全分布式光纤充油声呐线阵，具有以下显著优势：

1）本发明提供的全分布式光纤声呐线阵，采用分布式声学传感单元2设计，由光纤在单根弹性体上连续绕制形成全分布式的传感阵列。相比先完成一批点式传感单元制备再组网形成阵列的传统线阵方案，无需复杂的组网光路设计和大量的器件连接，具有一致性好、结构简单、可靠性高的特点。

2）本发明提供的全分布式光纤声呐线阵采用硅油6填充，作为声阻抗匹配材料，相比较挤塑方式制备的固态光缆，不仅可以更好与海水阻抗匹配，减少声波耦合损失，还可以通过填充压力控制方便地调节线阵单元的整体密度，以适应不同拖曳深度的布放。

3）本发明提供的全分布式光纤声呐线阵，基于相位敏感光时域反射传感原理，面向孔径可调设计需求，通过探测光信号脉宽调节以及不同间距抽样信号处理方法，可以满足对水下不同目标、不同频段信号探测灵敏度和空间分辨率的动态调节要求，与传统线阵相比，可以实现小道距、高灵敏的水声传感，具有很强的系统适应性和应用灵活性。

4）本发明提供的装配方法，分布式声学传感单元2一次绕制成型，全程无需进行任何光器件的熔接，工艺可控，装配过程简单，操作性强，可标准化生产；线阵单元通过密封接头相互连接的设计，组装灵活，可根据探测孔径需求，方便的组合不同线阵。

以上即是本发明提供的一种全分布式光纤声呐线阵及其装配方法的实施例及具体实施方式。此处需要声明，本发明的实际制作参数选择、材料和结构尺寸不仅限于实施例所给出的，不用于限定本发明，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。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims

1.一种单元线阵，其特征在于，包括：

两端密封的管体；

支撑结构，设置在所述管体内；

声阻抗匹配材料，填充在所述的管体内。

2.根据权利要求1所述的一种单元线阵，其特征在于，所述管体包括：

PU管；

3.根据权利要求1所述的一种单元线阵，其特征在于，所述支撑结构包括：

4.根据权利要求2所述的一种单元线阵，其特征在于，所述PU管与所述密封堵芯通过嵌套扣压密封。

5.根据权利要求3所述的一种单元线阵，其特征在于，若干所述的空骨架等间距布置于所述管体内。

6.根据权利要求3所述的一种单元线阵，其特征在于，所述凯夫拉绳通过所述空骨架外侧固定孔与各个空骨架相连，通过卡扣锁紧的方式固定于所述管体内。

7.根据权利要求1所述的一种单元线阵，其特征在于，所述声阻抗匹配材料为硅油或液体胶。

8.根据权利要求1所述的一种单元线阵，其特征在于，还包括：

9.一种全分布式光纤声呐线阵，其特征在于，所述全分布式光纤声呐线阵由若干条权利要求1-8任一项所述的单元线阵依次连接而成。