Optics Express: 基于Φ-OTDR的新一代分布式光纖水聽器

  撰稿 | 盧斌 & 蔡海文、高侃(論文第一作者&通訊作者)

  近日，中國科學院上海光學精密機械研究所空間激光信息傳輸與探測技術重點實驗室和中國電子科技集團公司第二十三研究所合作，基于相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)實現了一種新型的分布式光纖水聽器，并首次開展了外場湖試。通過在聲敏芯棒上纏繞光纖，并覆以防水護套，實現了一種可自動化制備的聲敏光纜，水聲靈敏度可達-146 rad·μPa-1·m-1，較普通光纜靈敏度提高了多個數量級;建立了適用于分布式水聽器的陣列模型，并分析了陣列孔徑對水聽器方向響應上的影響，為陣列信號處理提供了技術依據;在外場湖試中，利用104m長的光纜，實現了水下不同頻率聲目標的檢測、定向和軌跡跟蹤，驗證了分布式水聲探測技術的可行性，為聲吶技術突破現有“點式”水聽器陣列孔徑受限、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高工。

封面圖：水聲目標探測技術

圖源: 水聲目標探測技術研究現狀與展望-黃海寧.

  研究背景

  海洋水聲探測對于水下軍事安防和資源勘探具有重要意義。聲吶(水聽器)是海洋水聲探測常用的技術手段，近年來迅速發展。其中，光纖水聽器具有抗電磁干擾，體積小，重量輕，濕端無源等優點，已成為下一代水聽器的研究熱點。目前常見的光纖水聽器是基于干涉儀結構的“點式”水聽器。這種光纖水聽器要實現大范圍測量需要通過時分復用(TDM)，波分復用(WDM)和空分復用(SDM)技術，將多個單點光纖水聽器結合從而構成了整個陣列。陣列系統復雜，體積大且成本較高，陣列規模受限;陣元間隔固定，多頻探測應用靈活性受限。

  相位敏感光時域反射計(Φ-OTDR)作為一種新型的分布式光纖聲傳感技術，基于光纖中的相干后向瑞利散射信號進行感知，除具有常規光纖傳感器的優點外，還具有探測距離長、空間分辨率高、分布式測量等獨特優勢。近年來，在周界安防、鐵路安全監測、油氣勘探等領域發揮了重要作用。鑒于其技術特點，Φ-OTDR在海洋水聲探測領域具有廣闊的應用前景，有望實現自動化制備、布設靈活、大復用規模的新一代分布式水聽器。不過，與陸上應用不同的是，常規光纜對水下聲波的靈敏度較低(-212dB rad·μPa-1·m-1)，無法滿足水聲探測的需求，需要對光纜進行增敏處理。此外，目前還沒有一套完整理論用于處理分布式光纖陣列的陣列信號，在信號處理方面具有一定難度。

  中科院上海光機所和中電23所等研究機構的研究人員針對分布式水聽技術面臨的難題，開展了相關的聯合攻堅工作，完成了分布式光纖水聽器系統的開發，并首次開展了湖試研究，實現了水下聲目標的定向、波束形成和運動軌跡跟蹤等功能。

  創新研究

  3.1 設計并制備了一種新型的聲敏光纜

圖1 聲敏光纜結構示意圖圖源: 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，光纜中的鋼管保護結構會進一步降低光纜的聲壓靈敏度。為了提高光纖聲壓靈敏度，干涉型光纖水聽器的解決方法是將長距離光纖緊密纏繞在聲敏元件上。當聲敏元件受到水聲影響發生聲致形變時，纏繞在上面的光纖也發生相應的形變。由于結構增益和長度增益，使得光纖水聽器能夠實現很高的聲壓靈敏度。在本項目中，將借鑒該種方法設計一種如圖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套，以達到聲壓增敏效果。

  通過建模分析不同芯軸材料的楊氏模量、泊松比、幾何尺寸等對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，選取了特定參數的材料作為聲敏芯軸。在駐波管結構中進行了聲壓靈敏度測試，得到的結果如圖2所示，實現的聲壓靈敏度可達-146dB rad·μPa-1·m-1，比常規單模光纖提升了多個數量級，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度約為7.5 m。

圖2 聲敏光纜靈敏度測試曲線

  3.2建立了基于分布式光纖水聽器的陣列信號處理模型

圖3 分布式陣列信號處理模型

  與點式傳感器構成的陣列不同，分布式陣列中的陣元間隔、陣元數目和陣列孔徑等參數更為靈活，可根據需要在數字域進行靈活設置。同時，分布式陣列中也存在一定的局限性，尤其是聲信號在陣元孔徑內存在一定的積分效應。通過對遠場信號的理論分析和數值仿真得出，陣元孔徑的積分效應可能會帶來陣列方向響應上的不一致性，且待測信號頻率越高或陣元孔徑越大，所引起的方向響應一致性問題越突出，如圖4所示。在實際應用中，需要根據需要進行陣列參數的優化選擇，或采取相應的補償算法消除該效應。同時，當目標來向固定時，各個陣元的響應是一致的，各個陣元測得的聲波信號的相位信息是與各陣元的位置線性相關的，滿足陣列信號處理的要求。

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 開展分布式光纖水聽器湖試研究

  采用自主研發的外差相干相位型Φ-OTDR系統：通過本地參考光的放大作用，較直接探測方案可獲得更高信噪比;空間差分在數字域實現，空間分辨率靈活可變;通過頻率分集和合并方案，消除信號衰落的影響，且可有效降低系統自噪聲?，F場測試在浙江某水庫完成，水庫中部署了104 m長的光纜，通過壓電換能器產生水下模擬聲目標?；谏鲜鲫嚵行盘柼幚砟Ｐ瓦M行信號處理，部分結果如圖5、圖6所示，實現了水下聲源信號的定向、波束形成和運動軌跡跟蹤，這是分布式光纖水聽器現場測試的第一次公開報道。

圖5 波束形成前后信號PSD對比

圖6 水下聲目標軌跡跟蹤結果

  應用與展望

      本文提出的基于Φ-OTDR的分布式光纖水聽器，除具有現有光纖水聽器所有的濕端無源、抗電磁干擾等優勢外，采用連續聲敏光纜作為傳感媒介，可全自動化制備，復用規模大，單纜可實現數十公里的陣列范圍的探測;可實現分布式測量，陣元間隔靈活可變，能同時滿足不同頻率目標的探測需求;陣列便于實現輕型化，可機動部署，能滿足更多場景的應用需求。作為新一代分布式光纖水聲探測技術，其后期在海洋和港口安防、海洋礦產資源勘探、海洋地震學等領域具有廣闊的應用前景。

  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