pigi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 严爱博联合签名入口
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（Distrubuted Acoustic Sensing， 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Hiroyuki Matsumoto、EiichiroAraki等人利用对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≤50 km，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Zhongwen Zhan、Mattia Cantono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。
1分布式光纤声波传感技术
分布式光纤声波传感技术应用的是相位敏感φ-OTDR（Phase Sensitive Optical Time-
Domain Reflectometer）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200 MHz，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。
无线麦克
nmda受体拮抗剂 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。
2 DAS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。
转向节 2.1海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，它会污染水听器采集的原始信号，影响后期信号特征的提取，降低水声设备在定位或是环境监测方面的精度，其特征是以频率为0.6 Hz为中心的宽带，带宽为1 Hz左右[3-4]。海底水流速度是影响海缆静态稳定性的关键因素，过大的海底水流速度将会同时对海缆的横向和垂向静态稳定性造成明显的不利影响[5]。当海缆在海底发生运动或者与海底进行摩擦时，也会对监测结果产生影响。
当船锚拖曳、砸落到海缆上或者鱼类撕咬等事件发生，该处会在外力作用下产生明显抖动，形成海缆扰动信号源。当海底地震发生时，地震波引起海缆微振动，受该微振动引起的光信号微小变化能够被DAS采集并识别。
2.2海洋振动或者声音到达光纤的传播途径
车载厕所 从信号传播途径来看，DAS结合海缆进行监测受到的影响包括海缆的结构及埋设深度、海底的地质条件等。
2.2.1海缆结构的影响
与专门用于水声的光纤声呐设备不同，海缆主要适用于通讯或者输电，使用松套光纤，外围多重铠装也没有专门针对水声进行优化过的，且不同厂家的缆结构也不同，因此声音传到的效果也会有不同。但是对于同一根缆的长期监测来说，其状态是固定的。以亨通光电的额定电压1～500 kV交联聚乙烯绝缘交流海缆为例，从外部到光缆单元包括外披层、金属铠装层（镀锌钢丝）、内衬层、成缆扎带、填充、光缆单元。而光缆单元为金属铠装，最内层才是光纤束。可以看出，多层结构、多种材料对水声的衰减都是有影响的，但目前尚无专门针对这种水声衰减特性的测量结果。
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