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基于分布式光纤声波传感的海洋环境噪声监测技术.pdf

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基于分布式光纤声波传感的海洋环境噪声监 测技术 作者：宛立君吴梦实严爱博 来源：《声学与电子工程》2021年第02期 摘要为了应用海缆来对海洋环境噪声和海面航运状况进行监测，利用分布式光纤声波传 感技术（DistrubutedAcousticSensing，DAS）在海底电缆上进行了海洋背景音测定，获得了 与实际场景一致的海面波浪声音信号，证实了海底电缆具备监测海洋地质环境和海面航运状态 的能力，并给出了将参数定量化的下一步实验思路。 关键词光纤传感；DAS；相位敏感OTDR；海缆监测；海洋环境噪音；海洋背景音 海底环境噪声监测短期可使用船只拖曳测量装置进行，而长期监测时，通常只能固定少量 点位（如固定式浮标）来进行。大量密布监测点成本高同时也对航路安全有影响，因此连续、 长期和大范围且经济的监测是海洋环境研究的难点。随着海上供电、发电和通讯等行业的发 展，水下的海底光缆电缆越来越多，分布越来越广。如果能够借用这些密布的海缆进行部分海 洋环境监测，则既经济又能满足了长期、大范围的监测需求。 分布式光纤传感是近年来发展非常迅速的技术，它利用激光在光纤中传输的后向散射光来 进行传感，能够测量如温度、应变、磁场等，主要包括基于后向拉曼散射的分布式光纤温度传 感技术、基于后向布里渊散射（测量布里渊频移）的分布式光纤温度应变传感技术、基于后向 瑞利散射的分布式光纤声波传感系统。后两者由于采用单模光纤、监测距离长、无需供电，已 经应用在海缆监测中。DAS基于瑞利后向散射光，能够实时监测光纤的微小振动信号，非常 适合海底光缆（包括海底光电复合缆）长距离线性设备的应用。日本的HiroyukiMatsumoto、 EiichiroAraki等人利用气枪对DAS系统和传统水听器方式监测结果进行了比较[1]。海缆监测 应用的DAS设备的监测距离通常≤50km，国外已经有人做过超长距离的DAS在海缆的监测实 验。美国的ZhongwenZhan、MattiaCantono等成功利用了海底通讯光缆监测到了海底微震， 也监测到了可能引起海啸海洋膨胀压力变化[2]。 本文用DAS技术结合海底光缆和光电复合缆对海洋背景音及一些特定事件进行监测，对 其中较大的信号（如海缆扰动、海底地震、海面船只噪音）进行测量。 分布式光纤声波传感技术1 分布式光纤声波传感技术应用的是相位敏感φ-OTDR（PhaseSensitiveOpticalTime- DomainReflectometer）技术，它采用窄线宽激光器作为光源，向传感光纤中发射窄脉冲光，并 接收背向瑞利散射信号。传统OTDR使用宽带光源发出脉冲信号，并采用多次检测平均的方 式进行信号处理，无法对折射率轻微变化导致的后向散射弱变化信号进行探测。相位敏感 OTDR技术使用强相干光源，弱折射率的变化可以使脉冲之间的相干效应得到调制，并且各个 光脉冲后向散射的波形相干叠加后形成的干涉波形与外界振动或者声波激励源的频率、振幅等 特性密切相关。 系统拓扑如图1所示，激光器发出脉冲光，经过声光调制器进行移频200MHz，再经过 EDFA进行放大到环形器1进2出到探测光纤中；探测光纤后向瑞利后向散射光回到环形器2 进3出到达耦合器；其中一个耦合器输入的是后向瑞利散射光，另一路由激光器分束过来，两 者合束后形成拍频光；拍频光进入探测器后进行光电转换，然后进入采集卡进行采样，最后到 达工控机进行数据处理。 当光纤链路上某一点发生振动时，该点的光纤折射率发生改变，进而使得后向瑞利散射信 号发生对应的波动，通过相位解调，可以还原出实际的振动或者声音信号。 由此可以得出，相位的變化表征了轴向应变的变化（与振动相对应），因此完成振动信号 的还原。 2DAS结合海缆进行测量的影响因素 当应用DAS进行检测时，光纤上的每一点都会产生相应的瑞利散射信号，不同点的瑞利 散射信号返回到DAS设备中探测器的时刻不同。DAS设备依据收到的瑞利散射信号在空间组 成了空间-强度向量。激光器定时发射脉冲信号，则形成了空间-强度在时间分布上的向量组。 由于光脉冲很短，光纤上大于空间分辨率（光脉冲宽度×激光在光纤中速度）的各个点是独立 感知外界物理变化的。因此，每个点都可以独立看作一个被动声呐，而多个点就形成了线性声 呐阵列。 DAS本质是检测外界振动或者声压变化引起的光纤微应变，因此在利用DAS和海缆结合 进行海洋监测时，检测到的信号是多种外部信号和干扰的复合作用结果，需要通过大量的实验 和复杂的算法分析才能从中甄别出有用信号。 海2.1洋振动或者声音产生的信号源 信息源包括海面海浪、海底洋流、船只噪音、船锚拖拽、鱼类撕咬、海底地震等。海浪声 是所有水声信号在采集过程中不可避免的一种噪声干扰，它会污染水听器