一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆及信号补偿算法制造技术

本发明专利技术公开了一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆及信号补偿算法，涉及水声传感领域。其中具有姿态感测功能的水听拖曳缆包括：外保护套层1、透声防水层2、水听传感单元3、弹性增敏层4、形状传感单元5、刚性芯轴层6；水听传感单元采用微结构散射增强光纤螺旋缠绕在弹性增敏层上；形状传感单元采用多芯光纤紧贴刚性芯轴层固定，且在径向上不发生位置偏移。信号补偿算法包括：基于光频域反射技术对水听光缆的空间姿态进行反演，对水听传感单元测得的信号进行时延和角度补偿，降低拖曳过程中以及波浪等流噪声的影响，提高目标定位精度。本发明专利技术抗电磁干扰，绝缘且耐高温耐腐蚀，可实时测量拖曳缆的姿态，有效解决拖曳过程中姿态未知的问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆及信号补偿算法


[0001]本专利技术属于水声传感领域，更具体地，涉及一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆及信号补偿算法。

技术介绍

[0002]海洋因具有丰富的矿产资源、生物资源和水资源等自然资源已成为各国探索研究的重点。随着人们日益增长的物质需求和对美好生活的向往，以及正在面临的严重的资源、环境问题，海洋探测的意义越发重要。但是电磁波如光波、无线电波等在水中传输损耗大，地质钻探等工程成本高昂，因此声波探测成为海洋勘探的重要手段。
[0003]光纤水听器自上世纪70年代专利技术以来，以其具有灵敏度高、抗电磁干扰、低损耗、耐恶劣环境、水下无源等优势，被广泛应用于海洋资源勘探、地质勘查、水下安防等领域。
[0004]目前水听拖曳光缆大多基于相位敏感光时域反射(φ
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OTDR)分布式光纤传感技术。声波作用在光纤上会导致光纤长度发生变化，进而引起瑞利散射光传输相位的变化，在接收端通过解调相位实现扰动信号的还原。
[0005]但是水听光缆在拖曳过程中，会受到拖曳船尾流以及海浪等运动的影响，使光缆发生形变，无法保持于水面平行的直缆状态，这对于重构声场信号的空间分布产生很大的误差，影响声源定位精度。因此需要对拖曳缆的姿态实时测量，通过信号补偿算法对水听信号进行补偿，提高定位精度。
[0006]为了解决上述光缆姿态对于定位精度的影响，专利CN201910382971.X公开了使用B
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OTDR和φ
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OTDR结合的拖曳缆，用一根串联起来的光纤通过频移键控的方式即可同时实现声波探测和光缆姿态重构，但是这种基于B
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OTDR技术的方法数据处理非常复杂，并且布里渊散射相对瑞利散射弱得多，可探测距离和空间分辨率受限，并且应变灵敏度很低。专利CN202210703510.X公开了采用声能流的方法获取声源对应光纤矢量水听器的方位角，通过内嵌姿态传感器进行姿态校准，但是该技术需要额外的声源，并且要围绕光纤矢量水听器旋转一周，实际操作较复杂，此外姿态传感器的嵌入缩短了探测阵列的有效长度，降低了系统性能。
[0007]综上，现有方法存在牺牲系统部分性能、结构复杂、数据处理繁琐等问题，一种结构简单、不牺牲其他性能的水听拖曳缆姿态感测技术亟待提出。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆及信号补偿算法，旨在解决目前水听器在拖曳过程中因姿态变化引起的声源定位误差的问题。
[0009]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆，所述水听拖曳缆为圆形截面直缆，从外至内依次包括：外保护套层、透声防水层、水听传感单元、弹性增敏层、形状传感单元、刚性芯轴层；所述水听传感单元设置于弹性增敏层和透
声防水层之间，螺旋缠绕在弹性增敏层上；所述形状传感单元设置于刚性芯轴层和弹性增敏层之间，采用层绞式结构紧贴刚性芯轴层固定，确保在径向上不发生位置偏移；水听传感单元和形状传感单元各留一端口用于光信号发射、接收以及进一步处理。
[0010]优选地，所述水听传感单元为普通单模光纤或微结构光纤，螺旋缠绕在弹性增敏层上。
[0011]进一步地，水听传感单元声波探测的空间分辨率通过调整缠绕螺距改变。
[0012]可选地，所述形状传感单元为以刚性芯轴层中心对称排布的n根单芯光纤或纤芯数为n的多芯光纤，其中n为大于等于3的自然数；所述光纤为普通单模光纤或微结构光纤。
[0013]可选地，所述形状传感单元的n根单芯光纤或多芯光纤的n根纤芯为直线式排布或螺旋缠绕式排布。
[0014]优选地，所述水听传感单元用于基于φ
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OTDR对声波信号进行探测和恢复，即超窄光脉冲注入光纤中，会产生后向瑞利散射光，将后向瑞利散射光与本振光进行干涉混频，得到散射拍频信号，并将其转换为电拍频信号，对电拍频信号进行相位解调，得到沿水听拖曳缆分布的声波信号，进一步对声波信号进行处理得到目标的方位信息，实现定位。
[0015]优选地，所述形状传感单元(5)用于基于光频域反射技术OFDR测量光纤轴向各位置应变，利用所述轴向各位置应变，反演出水听拖曳缆中心沿线各处的曲率和挠率参数；将所述曲率和挠率参数代入Frenet
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Serret微分方程中进行迭代实现对所述拖曳缆姿态的三维重构；根据拖曳缆实际姿态对恢复的声波信号进行时延和角度补偿，获得真实的声场信号。
[0016]优选地，所述外保护套层位于所述水听拖曳缆最外层，采用PE等具有耐高低温、耐腐蚀能力的材料，用于保护拖曳缆内部结构；所述透声防水层采用聚氨酯橡胶TPU、热塑性弹性体PTE或热塑性橡胶TPR，用于为水听传感单元提供静水压保护，同时将水声信号传递至弹性增敏层所述弹性增敏层采用硅橡胶或氟橡胶，实现水声传感增敏。
[0017]进一步地，所述微结构光纤为利用紫外光刻技术在光纤内部刻写一系列连续的微小结构制备的具有后向散射增强功能的光纤。
[0018]优选地，所述刚性芯轴层由凯夫拉纤维包裹在硬铝合金缆或钢缆表面形成，提高拖曳缆强度和抗弯性。
[0019]第二方面，本专利技术提供的一种信号补偿算法，用于对上述的水听拖曳缆姿态进行实时感测，并对恢复的声波信号进行时延和角度补偿，包括以下步骤：
[0020]测量出形状传感单元中每根光纤或纤芯的轴向各位置应变；利用所述轴向各位置应变，反演出所述水听拖曳缆中心沿线各处的曲率和挠率参数；将所述曲率和挠率参数带入Frenet方程组进行迭代运算实现对所述拖曳缆姿态的三维重构；对所述的水听传感单元恢复的声波信号进行时延和角度补偿，得到真实的声场信号，提高目标定位精度。
[0021]优选地，所述形状传感单元基于OFDR测量光纤轴向各位置应变。
[0022]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
[0023]有益效果：
[0024]1、本专利技术通过增加光纤的方式设计的水听拖曳缆，结构简单，可在进行声波信号的探测恢复的同时实时感测拖曳缆的姿态和受力情况，且二者互不干扰，整根光缆均可进行水声探测，姿态感测功能不会缩短探测阵列长度，降低系统性能。
[0025]2、本专利技术提出的信号补偿算法，利用形状传感单元对拖曳缆姿态进行三维重构，通过开窗的方式判断拖曳缆姿态是否为水平直缆，对相应的声波信号进行时延补偿，减小由于拖曳缆姿态变化引起的定位误差，算法简单，运行速度快，进一步提高了水听传感单元探测声波信号的定位精度。
[0026]3、本专利技术中水声传感单元和形状传感单元分别基于φ
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OTDR和OFDR技术，其都基于瑞利散射，相比布里渊散射、拉曼散射具有散射强度大、与探测光同频、解调简单的优势，可有效提高探测距离，降低系统复杂度，且OFDR技术空间分辨率以及应变灵敏度更高，对于拖曳缆姿态的重构更加准确。
[0027]4、本专利技术中设计的拖曳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有姿态感测功能的水听拖曳缆，其特征在于，所述水听拖曳缆为圆形截面直缆，从外至内依次包括：外保护套层(1)、透声防水层(2)、水听传感单元(3)、弹性增敏层(4)、形状传感单元(5)、刚性芯轴层(6)；所述水听传感单元(3)设置于弹性增敏层(4)和透声防水层(2)之间，螺旋缠绕在弹性增敏层(4)上；所述形状传感单元(5)设置于刚性芯轴层(6)和弹性增敏层(4)之间，采用层绞式结构紧贴刚性芯轴层(6)固定，确保在径向上不发生位置偏移；水听传感单元(3)和形状传感单元(5)各留一端口用于光信号发射、接收。2.根据权利要求1所述具有姿态感测功能的水听拖曳缆，其特征在于，所述形状传感单元(5)为以刚性芯轴层(6)中心对称排布的n根单芯光纤(51、52、53、54)或单根纤芯数为n的多芯光纤(7)，其中n为大于等于3的自然数；所述单芯光纤或多芯光纤为普通单模光纤或微结构光纤，所述单芯光纤或多芯光纤的纤芯为直线式排布或螺旋缠绕式排布。3.根据权利要求1所述的具有姿态感测功能的水听拖曳缆，其特征在于，所述水听传感单元(3)为普通单模光纤或微结构光纤，所述水听传感单元(3)的空间分辨率通过调整缠绕螺距改变。4.根据权利要求3所述的具有姿态感测功能的水听拖曳缆，其特征在于，所述水听传感单元(3)用于基于相位敏感光时域反射技术φ
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OTDR进行声波信号的探测和恢复，即超窄光脉冲注入光纤中，会产生后向瑞利散射光，将后向瑞利散射光与本振光进行干涉混频，得到散射拍频信号，并将其转换为电拍频信号，对电拍频信号进行相位解调，得到沿水听拖曳缆分布的声波信号，进一步对声波信号进行处理得到目标的方位信息，实现定位。5.根据权利要求4所述的具有姿态感测功能的水听拖曳缆，其特征在于，所述形状传感单元(5)用于基于光频域反射技术OFDR测量光纤轴向各位置应变，利用所述轴向各位置应变，反演出水听拖曳缆中心沿线...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙琪真，艾轲，李豪，陈俊峰，闫志君，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：