阅读说明：本技术 用于分布式光纤水听系统的光电复合缆 (The optoelectronic composite cable of system is listened for distribution type fiber-optic water ) 是由 饶云江 傅芸 *** 栗鸣 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于分布式光纤水听系统的光电复合缆,光电复合缆从内至外依次包括硬性内部支撑层、高分子柔性材料层、弹性层、油膏层和外护套,在弹性层的外壁上紧密螺旋缠绕有至少1根的光纤,不同光纤之间不交叠,光纤外面紧密包裹油膏层。本发明中光电复合缆没有采用复杂而坚硬的金属铠装、钢丝绞合或者带材包裹,仅仅使用较软的外护套进行抗腐蚀,使得声波在传入光纤时能量损耗较低。包层利用高分子柔性材料和弹性层,使得光缆在抗拉伸的同时,对于外界声波的探测灵敏度增强。把光纤螺旋缠绕在弹性层上,使得单位测量长度内积累的光程差变化量增加,同时柔性材料的形变会带动光纤进行形变,使得光缆整体的声压灵敏度有大幅提升。(The invention discloses the optoelectronic composite cables that system is listened for distribution type fiber-optic water, optoelectronic composite cable successively includes rigid inner standoff layer, macromolecule flexible material layer, elastic layer, ointment layer and oversheath from the inside to the outside, close spiral winding has at least 1 optical fiber on the outer wall of elastic layer, it is not overlapped between different optical fiber, outside of fiber tight ointment layer.Optoelectronic composite cable uses complicated in the present invention and hard metal armouring, steel wire are twisted or band package, it is anticorrosive that softer oversheath progress is only used only, so that sound wave energy loss in incoming optical fiber is lower.Covering utilizes macromolecule flexible material and elastic layer, so that optical cable while stretch-proof, enhances the detectivity of external sound wave.Fiber spiral is wrapped on elastic layer, so that the optical path difference variable quantity accumulated in unit measurement length increases, while the deformation of flexible material will drive optical fiber and carry out deformation, so that the sound pressure sensitivity of optical cable entirety is substantially improved.)

用于分布式光纤水听系统的光电复合缆

技术领域

本发明属于水听器领域以及新型光纤光缆领域，具体涉及适用于分布式水听检测系统的光电复合缆。

背景技术

水听器作为一种重要的感知海洋信息的工具，在军事、国防、民生以及科学研究领域有着重要而广泛的应用。现有的较为成熟的水听器主要依赖于3种技术，即电子检波器技术、光纤干涉仪技术以及光纤激光器技术。但是，这3种技术均存在造价太高、灵敏度不稳定、空间测量区域存在众多盲点等问题。针对这些问题，基于光纤分布式声波传感(DAS)技术的光纤分布式水听器作为一个革命性技术被提出。然而，现有的DAS系统虽然只需要一根普通光纤就可以进行分布式监测，大大降低了造价与维修成本，且可以沿着光纤进行空域无盲点监测，但是，因为普通单模光纤的杨氏模量较高，外界声波对于其长度与折射率的改变有限，因此，现有的基于伸直普通单模光纤的DAS系统的声压灵敏度达不到水听器要求。

另外，由于水下环境的特殊性，普通的通信光缆或者光电复合缆为了抗腐蚀、抗高压以及抗拉伸一般采用复杂而坚硬的金属铠装、钢丝绞合或带材包裹，使得外界声波通过光缆传导到传感光纤时损耗量太大。因此，若采用现有光缆结构进行传感，DAS系统的声压灵敏度会进一步降低。因此，设计一种新型光电复合缆，同时实现远海分布式监测、双端通信和电力传输，是基于DAS技术的分布式光纤监测系统实用化的关键性问题。

发明内容

本发明的目的在于：解决目前水下传感光缆采用伸直普通单模光纤存在的声波灵敏度达不到水听器要求，和其它采用的普通海底光缆结构声波传导损耗量大的问题，提出了用于分布式光纤水听系统的光电复合缆。

本发明采用的技术方案如下：

用于分布式光纤水听系统的光电复合缆，光电复合缆从内至外依次包括硬性内部支撑层、高分子柔性材料层、弹性层、油膏层和外护套，在弹性层的外壁上紧密螺旋缠绕有至少1根的光纤，不同光纤之间不交叠，光纤外面紧密包裹油膏层。

进一步，所述硬性内部支撑层为绝缘材料，硬性内部支撑层内设置有内部导电金属线，内部导电金属线外包绝缘体，且设置在硬性内部支撑层的导电金属线数量大于等于1。

进一步，所述硬性内部支撑层内为空气层。

进一步，所述空气层采用泡沫材质进行填充。

进一步，所述光纤为带护套的单模光纤、多芯光纤或少模光纤。

进一步，所述光纤的结构为：从内至外依次包括裸光纤、紧护套和松护套，紧护套与送护套之间运用油膏填充。

进一步，所述光纤使用抗弯光纤。

进一步，所述光纤紧密螺旋缠绕在弹性层外壁上的螺距范围为：大于光纤的直径且小于弹性层直径的2倍。

进一步，所述油膏层中添加有金属线与光纤一起进行螺旋绞合，金属线不与光纤接触，不同金属线之间不接触。

进一步，所述高分子柔性材料层采用可弯曲抗拉伸材质。

进一步，所述外护套采用抗腐蚀且具有密封性的材质。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，提出的适用于光纤分布式水听器的光电复合缆没有采用复杂而坚硬的金属铠装、钢丝绞合或者带材包裹，仅仅使用较软的外护套进行抗腐蚀，使得声波在传入光纤时能量损耗较低。包层利用高分子柔性材料和弹性层，使得光缆在抗拉伸的同时，对于外界声波的探测灵敏度增强。把光纤螺旋缠绕在弹性层上，使得单位测量长度内积累的光程差变化量增加，同时柔性材料的形变会带动光纤进行形变，使得光缆整体的声压灵敏度有大幅提升。

2、本发明中，内部硬性内部支撑层可使用带绝缘层的导电金属层或者高杨氏模量的中空筒作为硬性支撑，使得光缆更不受海洋噪声的影响；硬性内部支撑内使用导电金属线，则还可以使得远海电力传输同时实现。

3、本发明中，硬性内部支撑层内使用空气层，则外界声波会导致中空硬性支撑发生微小形变，从而造成传感光纤对于微弱声波的感知能力增强，从而使得光缆的声压灵敏度增加。

4、本发明中，使用金属线与带紧护套的光纤同时进行螺旋绞合，使得光纤的抗测压能力增加的同时，光纤对于外界声波的感知灵敏度没有发生明显下降。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1中光电复合缆的截面示意图；

图2为本发明实施例1中带紧护套的光纤横截面示意图；

图3为本发明实施例2中光电复合缆的截面示意图；

图4为本发明实施例2中带紧护套的光纤横截面示意图；

图5为本发明实施例3中光电复合缆的截面示意图；

图6为本发明实施例3中带绝缘层的金属线的横截面示意图；

图7为本发明中光纤和金属线紧密螺旋缠绕在弹性层外壁上的示意图；

图中标记：100-光纤，101-导电金属线，102-硬性内部支撑层，103-高分子柔性材料层，104-弹性层，105-油膏层，106-外护套，201-裸光纤，202-紧护套，401-松护套，301-金属线，302-绝缘层，501-空气层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

用于分布式光纤水听系统的光电复合缆，光电复合缆从内至外依次包括硬性内部支撑层102、高分子柔性材料层103、弹性层104、油膏层105和外护套106，在弹性层104的外壁上紧密螺旋缠绕有至少1根的光纤100，不同光纤之间不交叠，光纤100外面紧密包裹油膏层105。

进一步，所述硬性内部支撑层102为绝缘材料，硬性内部支撑层102内设置有内部导电金属线101。内部导电金属线101外包绝缘体，且设置在硬性内部支撑层102的导电金属线数量大于等于1。

进一步，所述硬性内部支撑层102内为空气层501。

进一步，所述空气层501采用泡沫材质进行填充。

进一步，所述光纤100为带护套的单模光纤、多芯光纤或少模光纤。

进一步，所述光纤100的结构为：从内至外依次包括裸光纤201、紧护套202和松护套401，紧护套202与送护套401之间运用油膏填充。

进一步，光纤100使用抗弯光纤，使得光纤100在螺旋缠绕之后不会产生大的弯曲损耗。

进一步，所述光纤100紧密螺旋缠绕在弹性层104外壁上的螺距范围为：大于光纤100的直径且小于弹性层104直径的2倍。

进一步，所述油膏层105中添加有金属线301与光纤100一起进行螺旋绞合，金属线301不与光纤100接触，不同金属线301之间不接触。

进一步，所述高分子柔性材料层103采用可弯曲抗拉伸材质。

进一步，所述外护套106采用抗腐蚀且具有密封性的材质。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种用于分布式光纤水听系统的光电复合缆，如图1所示，光电复合缆从内至外依次包括硬性内部支撑层102、高分子柔性材料层103、弹性层104、油膏层105和外护套106，在弹性层104的外壁上紧密螺旋缠绕有至少1根的光纤100，不同光纤之间不交叠，光纤100外面紧密包裹油膏层105，所述硬性内部支撑层102为绝缘材料，硬性内部支撑层102内设置有内部导电金属线101，导电金属线101的数量根据供电需求的不同可以为2根也可以为多根。

光纤100为带紧护套的光纤。图2展示了带紧护套的光纤100的横截面示意图，从内到外包含了裸光纤201和紧护套202。其中，裸光纤201需采用弯曲损耗较小的单模光纤、多芯光纤或少模光纤，使得光纤在螺旋缠绕在弹性层104的外壁上时，因为弯曲造成的额外损耗不多，有利于光纤分布式水听器的长距离传感。

另外，集成的裸光纤201的数量可以为1根也可以为多根，但不同的光纤之间不能在缠绕时交叠，以免出现不同光纤对声波的响应不均的问题。集成在光缆中的光纤可以一部分运用于信号传输，一部分运用于分布式光纤水听器的监测。而同一根光纤也可以既用于分布式光纤水听器也可以用于信号的传输。

光缆中弹性层104使用杨氏模量较小且抗拉伸的材质，例如软橡胶或者弹性体塑料；高分子柔性材料层103使用杨氏模量较高但容易弯曲的材料，例如芳纶，使得光缆可以预防轮船抛锚等情况下造成的意外性断裂。

光缆的外护套106使用抗腐蚀且密封性好的材质，使得光缆在水下，尤其在海水等高腐蚀性液体环境下可以较长时间地正常工作。

带紧护套的光纤100紧密螺旋缠绕在弹性层104的外壁上，其螺旋缠绕的螺距可调，螺距范围为：大于光纤100的直径且小于弹性层104直径的2倍。螺距越小则光缆的声压灵敏度越高，但所耗费的光纤长度越长。图7为3根光纤紧密螺旋缠绕在高分子柔性材料层外壁上的缠绕方式示意图，多根光纤为依次间隔排列，同向缠绕在弹性层104的外壁上，在满足螺距范围内，不同光纤之间的间距可不同或相同。光纤紧密缠绕在弹性层104上，使得单位测量长度内积累的光程差变化量增加，同时柔性材料的形变会带动光纤进行形变，使得光缆整体的声压灵敏度有大幅提升。

实施例2

本发明较佳实施例提供的一种用于分布式光纤水听系统的光电复合缆，如图3所示，在实施例1的基础上，在油膏层105中添加了金属线301与带紧护套的光纤100一起进行螺旋绞合，光纤100和金属线301单根交错排列，或间隔两根或多根交错排列，或金属线301与光纤100分别依次排列，再将金属线301和光纤100进行同向缠绕。光纤、金属线的间隔与实施例1中一样，在满足螺距范围内，不同光纤、金属线之间的间距可不同或相同。在绞合的过程中，金属线301不与带护套的光纤100接触，不同金属线之间不接触。该结构使得光缆整体抗侧压的能力增加，更适用于具有高压的深海进行传感。

进一步，为了使得该种光缆在绞合的过程中光纤不易发生损伤，该种光缆中的光纤在原本的紧护套202外面还添加了一层松护套401，因此光纤100的结构为：从内至外依次包括裸光纤201、紧护套202和松护套401，横截面结构如图4所示。

本实施例中，该结构相比于实施例1所展示的结构，因为在油膏层105中使用更加坚硬的金属线，所以光电复合缆的整体硬度有所增加，导致光缆的声压灵敏度有所降低。但是，由于金属线于光纤在绞合时未有重叠，所以侧向声压在传递到光纤时并未受到金属线的影响，因此其声压灵敏度降低的量有限。而考虑到在实际应用中光电复合缆的生存性大于灵敏度，所以该光缆尤其适用于光纤分布式水听器的深海监测。

实施例3

本发明较佳实施例提供的一种用于分布式光纤水听系统的光电复合缆，如图5所示，光电复合缆从内至外依次包括空气层501、硬性内部支撑层102、高分子柔性材料层103、弹性层104、油膏层105和外护套106；

在弹性层104的外壁上紧密螺旋缠绕有至少1根的带护套的光纤100和金属线301，光纤100和金属线301交错排列，不同光纤100之间不交叠，金属线301不与带护套的光纤100接触，不同金属线301之间不接触，金属线301带有绝缘层。光纤100和金属线301外面紧密包裹油膏层105。其螺旋缠绕的螺距可调，螺距范围为：大于光纤100的直径且小于弹性层104直径的2倍。在满足螺距范围内，不同光纤、金属线之间的间距可不同或相同。

图4展示了带护套的光纤100的横截面示意图。图6展示了带绝缘层的金属线301的横截面示意图，金属线301外面包裹着绝缘层302。图7为3根光纤和金属线紧密螺旋缠绕在弹性层外壁上的示意图。图7中标示的104为弹性层，702为交错排列的带护套的光纤100和带绝缘层的金属线301。

与实施例1相似，该光缆中使用的裸光纤201为抗弯性能较好的单模光纤、多芯光纤或少模光纤；高分子柔性材料层103需采用杨氏模量较高但是易弯曲的材料，例如芳纶；弹性层104需采用杨氏模量较低的材料，例如软橡胶或弹性体塑料；外护套105需采用抗腐蚀的柔性材料，比如橡胶或塑料。

为了使得光缆中的空气层501便于制造，可以采用泡沫材质填充。当外界声波传输至光纤时，由于内部中空，所以硬性内部支撑层102较容易带动高分子柔性材料层103和弹性层104进行形变，进而带动紧密缠绕在上的光纤发生形变。本发明所展示的所有实施例中，该结构是声压灵敏度最高的，但也是抗侧压能力最弱的，因此，该结构适用于拖曳型分布式光纤水听器。

该光缆的硬性内部支撑层102的杨氏模量需要远高于弹性层104和外护套106，使得光缆的轴向具有一定刚性，从而降低海洋噪声的影响。

设硬性内部支撑层102的杨氏模量为8×10¹⁰Pa，泊松比为0.35；弹性层104的杨氏模量为3×10⁷Pa，泊松比为0.4。而光纤的杨氏模量为7×10¹⁰Pa，直径为125μm。以下的仿真不考虑高分子柔性材料层103。

当伸直的普通单模光纤作为分布式光纤水听器的传感介质时，系统的声压灵敏度约为-180dB re 1rad/μPa。设高分子柔性材料层103外壁到光缆中心的距离为0.02m，厚度为0.005m；硬性内部支撑层102的厚度为0.01m。当10m长的光纤缠绕在5m长的柔性材料层103之后(可以缠绕68圈，螺距为0.0735m)，其灵敏度可以升高至约-134dB re 1rad/μPa。从上述例子可以看出，光纤缠绕在中空的柔性材料上，可以使得声压灵敏度大幅增加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。