Optics Express: 基于Φ-OTDR的新一代分布式光纤水听器

  撰稿 | 卢斌 & 蔡海文、高侃(论文第一作者&通讯作者)

  近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室和中国电子科技集团公司第二十三研究所合作，基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)实现了一种新型的分布式光纤水听器，并首次开展了外场湖试。通过在声敏芯棒上缠绕光纤，并覆以防水护套，实现了一种可自动化制备的声敏光缆，水声灵敏度可达-146 rad·μPa-1·m-1，较普通光缆灵敏度提高了多个数量级;建立了适用于分布式水听器的阵列模型，并分析了阵列孔径对水听器方向响应上的影响，为阵列信号处理提供了技术依据;在外场湖试中，利用104m长的光缆，实现了水下不同频率声目标的检测、定向和轨迹跟踪，验证了分布式水声探测技术的可行性，为声呐技术突破现有“点式”水听器阵列孔径受限、阵元间隔固定的固有瓶颈提供了可能。

  研究成果以“Distributed optical fiber hydrophone based on Φ-OTDR and its field test”为题在Optics Express上发表，第一作者为卢斌副研究员，通讯作者为蔡海文研究员和高侃研究员级高工。

封面图：水声目标探测技术

图源: 水声目标探测技术研究现状与展望-黄海宁.

  研究背景

  海洋水声探测对于水下军事安防和资源勘探具有重要意义。声呐(水听器)是海洋水声探测常用的技术手段，近年来迅速发展。其中，光纤水听器具有抗电磁干扰，体积小，重量轻，湿端无源等优点，已成为下一代水听器的研究热点。目前常见的光纤水听器是基于干涉仪结构的“点式”水听器。这种光纤水听器要实现大范围测量需要通过时分复用(TDM)，波分复用(WDM)和空分复用(SDM)技术，将多个单点光纤水听器结合从而构成了整个阵列。阵列系统复杂，体积大且成本较高，阵列规模受限;阵元间隔固定，多频探测应用灵活性受限。

  相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)作为一种新型的分布式光纤声传感技术，基于光纤中的相干后向瑞利散射信号进行感知，除具有常规光纤传感器的优点外，还具有探测距离长、空间分辨率高、分布式测量等独特优势。近年来，在周界安防、铁路安全监测、油气勘探等领域发挥了重要作用。鉴于其技术特点，Φ-OTDR在海洋水声探测领域具有广阔的应用前景，有望实现自动化制备、布设灵活、大复用规模的新一代分布式水听器。不过，与陆上应用不同的是，常规光缆对水下声波的灵敏度较低(-212dB rad·μPa-1·m-1)，无法满足水声探测的需求，需要对光缆进行增敏处理。此外，目前还没有一套完整理论用于处理分布式光纤阵列的阵列信号，在信号处理方面具有一定难度。

  中科院上海光机所和中电23所等研究机构的研究人员针对分布式水听技术面临的难题，开展了相关的联合攻坚工作，完成了分布式光纤水听器系统的开发，并首次开展了湖试研究，实现了水下声目标的定向、波束形成和运动轨迹跟踪等功能。

  创新研究

  3.1 设计并制备了一种新型的声敏光缆

图1 声敏光缆结构示意图图源: Optics Express (2021).https://doi.org/10.1364/OE.414598 (Fig. 4)

  普通光纤的声压灵敏度仅为-212dB rad·μPa-1·m-1，封装成为通信光缆后，光缆中的钢管保护结构会进一步降低光缆的声压灵敏度。为了提高光纤声压灵敏度，干涉型光纤水听器的解决方法是将长距离光纤紧密缠绕在声敏元件上。当声敏元件受到水声影响发生声致形变时，缠绕在上面的光纤也发生相应的形变。由于结构增益和长度增益，使得光纤水听器能够实现很高的声压灵敏度。在本项目中，将借鉴该种方法设计一种如图1所示的基于声敏材料芯棒的声敏传感光缆：传感光缆的支撑芯轴由声敏材料制成，在其上紧密缠绕耐弯曲光纤，最后挤塑一层透声的护套，以达到声压增敏效果。

  通过建模分析不同芯轴材料的杨氏模量、泊松比、几何尺寸等对光缆声压灵敏度的影响，并综合考虑支撑芯轴的刚度等特性，选取了特定参数的材料作为声敏芯轴。在驻波管结构中进行了声压灵敏度测试，得到的结果如图2所示，实现的声压灵敏度可达-146dB rad·μPa-1·m-1，比常规单模光纤提升了多个数量级，光缆的最终直径仅为12.5 mm，均匀缠绕在每米光缆上的光纤长度约为7.5 m。

图2 声敏光缆灵敏度测试曲线

  3.2建立了基于分布式光纤水听器的阵列信号处理模型

图3 分布式阵列信号处理模型

  与点式传感器构成的阵列不同，分布式阵列中的阵元间隔、阵元数目和阵列孔径等参数更为灵活，可根据需要在数字域进行灵活设置。同时，分布式阵列中也存在一定的局限性，尤其是声信号在阵元孔径内存在一定的积分效应。通过对远场信号的理论分析和数值仿真得出，阵元孔径的积分效应可能会带来阵列方向响应上的不一致性，且待测信号频率越高或阵元孔径越大，所引起的方向响应一致性问题越突出，如图4所示。在实际应用中，需要根据需要进行阵列参数的优化选择，或采取相应的补偿算法消除该效应。同时，当目标来向固定时，各个阵元的响应是一致的，各个阵元测得的声波信号的相位信息是与各阵元的位置线性相关的，满足阵列信号处理的要求。

图4 分布式阵元在不同声波频率和阵元孔径下的方向响应特性。

(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 开展分布式光纤水听器湖试研究

  采用自主研发的外差相干相位型Φ-OTDR系统：通过本地参考光的放大作用，较直接探测方案可获得更高信噪比;空间差分在数字域实现，空间分辨率灵活可变;通过频率分集和合并方案，消除信号衰落的影响，且可有效降低系统自噪声。现场测试在浙江某水库完成，水库中部署了104 m长的光缆，通过压电换能器产生水下模拟声目标。基于上述阵列信号处理模型进行信号处理，部分结果如图5、图6所示，实现了水下声源信号的定向、波束形成和运动轨迹跟踪，这是分布式光纤水听器现场测试的第一次公开报道。

图5 波束形成前后信号PSD对比

图6 水下声目标轨迹跟踪结果

  应用与展望

      本文提出的基于Φ-OTDR的分布式光纤水听器，除具有现有光纤水听器所有的湿端无源、抗电磁干扰等优势外，采用连续声敏光缆作为传感媒介，可全自动化制备，复用规模大，单缆可实现数十公里的阵列范围的探测;可实现分布式测量，阵元间隔灵活可变，能同时满足不同频率目标的探测需求;阵列便于实现轻型化，可机动部署，能满足更多场景的应用需求。作为新一代分布式光纤水声探测技术，其后期在海洋和港口安防、海洋矿产资源勘探、海洋地震学等领域具有广阔的应用前景。

  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).

  论文地址：

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

  https://doi.org/10.1364/OE.414598