基于分布式光纖聲波傳感的海洋環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)

宛立君 吳夢實 嚴(yán)愛博

（第七一五研究所，杭州，310023）

海底環(huán)境噪聲監(jiān)測短期可使用船只拖曳測量裝置進(jìn)行，而長期監(jiān)測時，通常只能固定少量點位（如固定式浮標(biāo)）來進(jìn)行。大量密布監(jiān)測點成本高同時也對航路安全有影響，因此連續(xù)、長期和大范圍且經(jīng)濟的監(jiān)測是海洋環(huán)境研究的難點。隨著海上供電、發(fā)電和通訊等行業(yè)的發(fā)展，水下的海底光纜電纜越來越多，分布越來越廣。如果能夠借用這些密布的海纜進(jìn)行部分海洋環(huán)境監(jiān)測，則既經(jīng)濟又能滿足了長期、大范圍的監(jiān)測需求。

分布式光纖傳感是近年來發(fā)展非常迅速的技術(shù)，它利用激光在光纖中傳輸?shù)暮笙蛏⑸涔鈦磉M(jìn)行傳感，能夠測量如溫度、應(yīng)變、磁場等，主要包括基于后向拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術(shù)、基于后向布里淵散射（測量布里淵頻移）的分布式光纖溫度應(yīng)變傳感技術(shù)、基于后向瑞利散射的分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)。后兩者由于采用單模光纖、監(jiān)測距離長、無需供電，已經(jīng)應(yīng)用在海纜監(jiān)測中。DAS基于瑞利后向散射光，能夠?qū)崟r監(jiān)測光纖的微小振動信號，非常適合海底光纜（包括海底光電復(fù)合纜）長距離線性設(shè)備的應(yīng)用。日本的 Hiroyuki Matsumoto、EiichiroAraki 等人利用氣槍對DAS 系統(tǒng)和傳統(tǒng)水聽器方式監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了比較[1]。海纜監(jiān)測應(yīng)用的DAS 設(shè)備的監(jiān)測距離通?！?0 km，國外已經(jīng)有人做過超長距離的DAS 在海纜的監(jiān)測實驗。美國的Zhongwen Zhan、Mattia Cantono 等成功利用了海底通訊光纜監(jiān)測到了海底微震，也監(jiān)測到了可能引起海嘯海洋膨脹壓力變化[2]。

本文用DAS 技術(shù)結(jié)合海底光纜和光電復(fù)合纜對海洋背景音及一些特定事件進(jìn)行監(jiān)測，對其中較大的信號（如海纜擾動、海底地震、海面船只噪音）進(jìn)行測量。

1 分布式光纖聲波傳感技術(shù)

分布式光纖聲波傳感技術(shù)應(yīng)用的是相位敏感φ-OTDR（Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer）技術(shù)，它采用窄線寬激光器作為光源，向傳感光纖中發(fā)射窄脈沖光，并接收背向瑞利散射信號。傳統(tǒng)OTDR 使用寬帶光源發(fā)出脈沖信號，并采用多次檢測平均的方式進(jìn)行信號處理，無法對折射率輕微變化導(dǎo)致的后向散射弱變化信號進(jìn)行探測。相位敏感OTDR 技術(shù)使用強相干光源，弱折射率的變化可以使脈沖之間的相干效應(yīng)得到調(diào)制，并且各個光脈沖后向散射的波形相干疊加后形成的干涉波形與外界振動或者聲波激勵源的頻率、振幅等特性密切相關(guān)。

系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1 所示，激光器發(fā)出脈沖光，經(jīng)過聲光調(diào)制器進(jìn)行移頻200 MHz，再經(jīng)過EDFA 進(jìn)行放大到環(huán)形器1 進(jìn)2 出到探測光纖中；探測光纖后向瑞利后向散射光回到環(huán)形器2 進(jìn)3 出到達(dá)耦合器；其中一個耦合器輸入的是后向瑞利散射光，另一路由激光器分束過來，兩者合束后形成拍頻光；拍頻光進(jìn)入探測器后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入采集卡進(jìn)行采樣，最后到達(dá)工控機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖1 外差型相位敏感OTDR 原理圖

當(dāng)光纖鏈路上某一點發(fā)生振動時，該點的光纖折射率發(fā)生改變，進(jìn)而使得后向瑞利散射信號發(fā)生對應(yīng)的波動，通過相位解調(diào)，可以還原出實際的振動或者聲音信號。

背向散射光電場的表達(dá)式為

經(jīng)過相干探測、I/Q（In-phase/Quadrature）解調(diào)、低通濾波、移動差分后?？梢缘玫綌_動引起的相位變化。由于光相位變化與外界作用于光纖上的動態(tài)應(yīng)變呈線性關(guān)系，可以實現(xiàn)定量相位解調(diào)。差分相位與外界擾動引起的光纖軸向應(yīng)變的關(guān)系為

由此可以得出，相位的變化表征了軸向應(yīng)變的變化（與振動相對應(yīng)），因此完成振動信號的還原。

2 DAS 結(jié)合海纜進(jìn)行測量的影響因素

當(dāng)應(yīng)用DAS 進(jìn)行檢測時，光纖上的每一點都會產(chǎn)生相應(yīng)的瑞利散射信號，不同點的瑞利散射信號返回到DAS 設(shè)備中探測器的時刻不同。DAS 設(shè)備依據(jù)收到的瑞利散射信號在空間組成了空間-強度向量。激光器定時發(fā)射脈沖信號，則形成了空間-強度在時間分布上的向量組。由于光脈沖很短，光纖上大于空間分辨率（光脈沖寬度×激光在光纖中速度）的各個點是獨立感知外界物理變化的。因此，每個點都可以獨立看作一個被動聲吶，而多個點就形成了線性聲吶陣列。

DAS 本質(zhì)是檢測外界振動或者聲壓變化引起的光纖微應(yīng)變，因此在利用DAS 和海纜結(jié)合進(jìn)行海洋監(jiān)測時，檢測到的信號是多種外部信號和干擾的復(fù)合作用結(jié)果，需要通過大量的實驗和復(fù)雜的算法分析才能從中甄別出有用信號。

2.1 海洋振動或者聲音產(chǎn)生的信號源

信息源包括海面海浪、海底洋流、船只噪音、船錨拖拽、魚類撕咬、海底地震等。海浪聲是所有水聲信號在采集過程中不可避免的一種噪聲干擾，它會污染水聽器采集的原始信號，影響后期信號特征的提取，降低水聲設(shè)備在定位或是環(huán)境監(jiān)測方面的精度，其特征是以頻率為0.6 Hz 為中心的寬帶，帶寬為1 Hz 左右[3-4]。海底水流速度是影響海纜靜態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，過大的海底水流速度將會同時對海纜的橫向和垂向靜態(tài)穩(wěn)定性造成明顯的不利影響[5]。當(dāng)海纜在海底發(fā)生運動或者與海底進(jìn)行摩擦?xí)r，也會對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響。

當(dāng)船錨拖曳、砸落到海纜上或者魚類撕咬等事件發(fā)生，該處會在外力作用下產(chǎn)生明顯抖動，形成海纜擾動信號源。當(dāng)海底地震發(fā)生時，地震波引起海纜微振動，受該微振動引起的光信號微小變化能夠被DAS 采集并識別。

2.2 海洋振動或者聲音到達(dá)光纖的傳播途徑

從信號傳播途徑來看，DAS 結(jié)合海纜進(jìn)行監(jiān)測受到的影響包括海纜的結(jié)構(gòu)及埋設(shè)深度、海底的地質(zhì)條件等。

2.2.1 海纜結(jié)構(gòu)的影響

與專門用于水聲的光纖聲吶設(shè)備不同，海纜主要適用于通訊或者輸電，使用松套光纖，外圍多重鎧裝也沒有專門針對水聲進(jìn)行優(yōu)化過的，且不同廠家的纜結(jié)構(gòu)也不同，因此聲音傳到的效果也會有不同。但是對于同一根纜的長期監(jiān)測來說，其狀態(tài)是固定的。以亨通光電的額定電壓1～500 kV 交聯(lián)聚乙烯絕緣交流海纜為例，從外部到光纜單元包括外披層、金屬鎧裝層（鍍鋅鋼絲）、內(nèi)襯層、成纜扎帶、填充、光纜單元。而光纜單元為金屬鎧裝，最內(nèi)層才是光纖束?？梢钥闯?，多層結(jié)構(gòu)、多種材料對水聲的衰減都是有影響的，但目前尚無專門針對這種水聲衰減特性的測量結(jié)果。

2.2.2 海纜埋深的影響

與光纖拖曳聲吶不同，海纜是埋在海床內(nèi)的，在不同的施工段可能具有不同的保護方式（如海纜到海上升壓站之間有J 型管）。本文僅考慮埋設(shè)方式的海纜保護對DAS 聽聲的影響。海纜埋設(shè)保護初始深度設(shè)定為0.6 m，未考慮海床底質(zhì)條件和其他各種可能的環(huán)境災(zāi)害。近年來，一般工程上采用的埋設(shè)深度已增至1.0～1.5 m，在漁業(yè)活動區(qū)的埋設(shè)深度通常為3.0 m，在航運繁忙區(qū)的埋設(shè)深度甚至達(dá)到了5.0～10.0 m[6]。目前海纜埋設(shè)施工方法主要有開挖法、沖埋法、刀犁法、水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）沖埋法、微控定向法等，各埋設(shè)施工方法相應(yīng)的埋設(shè)深度和適合的水深見表1[7]。

表1 各埋設(shè)施工方法相應(yīng)的埋設(shè)深度和適合的水深

掩埋覆蓋是松質(zhì)的，掩埋后是否完全覆蓋是不確定的。施工后采用側(cè)掃聲吶進(jìn)行海纜鋪設(shè)良好性檢測就很有必要，這個檢測結(jié)果也可以作為后續(xù)在海纜上應(yīng)用DAS 進(jìn)行監(jiān)測的考慮因素。

2.2.3 海底地質(zhì)的影響

海底的地質(zhì)條件對海洋聲學(xué)影響也較大，包括淺層氣、滑坡、斷層、陡坎、潮流沙脊、活動沙波。不具有活動能力的限制性地質(zhì)條件，或稱被動性地質(zhì)災(zāi)害，它們本身不具有直接的破壞性，但對海底工程具有潛在威脅，包括埋藏古河道、埋藏三角洲前緣、凹凸地、淺灘、非移動沙波和沙丘等[8]。不同的地質(zhì)條件其聲學(xué)地層特征是不一致的。

2.3 DAS 設(shè)備自身的測量約束

從DAS 設(shè)備來看，DAS 設(shè)備監(jiān)測距離、聲音采樣頻率、靈敏度等影響海洋噪音的監(jiān)測。

常規(guī)的DAS 設(shè)備其監(jiān)測距離與聲音采樣頻率是成反比的，光從激光器發(fā)送到傳感光纖末端再返回來到探測器的時間t=2Lcn（L為傳感光纖長度，c為真空中光速，n為光纖的折射率）。為了使不同時間發(fā)射的光產(chǎn)生的后向瑞利散射信號不會在探測器出發(fā)生混疊，因此發(fā)射脈沖光的重復(fù)周期要大于t。傳感光纖上同一點的振動在不同的重復(fù)周期內(nèi)被探測到的信號序列即為該點的振動采樣信息。取n=1.467（參考長飛單模光纖1550 nm 對應(yīng)的折射率），c=299 792 458 m/s。當(dāng)L=10 000 m 時，t=0.000 978 7 s。因此10 km 長的傳感光纖所能達(dá)到的振動采樣率約為10 kSPS；50 km 長的傳感光纖所能達(dá)到的采樣率約為2 kSPS。

DAS 應(yīng)用于海纜的靈敏度測試見日本的Hiroyuki Matsumoto 的實驗，其實驗對比了（圖2）應(yīng)用OBS51 型水聽器和應(yīng)用DAS 技術(shù)通過海纜測試氣炮和環(huán)境噪音的信號[1]。

圖2 DAS 與水聽器靈敏度比對圖

3 DAS 結(jié)合實際海纜測量海洋背景音

為了驗證采用海上風(fēng)電場景下的海底電纜背景音測試效果，采用已知路徑的海底電纜監(jiān)聽不同位置的聲音，觀察與實際路徑是否相符。

通過對距離使用DAS 內(nèi)部計算距離位移偏差進(jìn)行標(biāo)定，DAS 設(shè)備接入光纜出口在170 m 處，因此實驗圖中的坐標(biāo)位置代表的實際距離為（x-170）m。分別選取坐標(biāo)200（實際30 m）、坐標(biāo)1000（實際830 m）、坐標(biāo)1500（實際1330 m）、坐標(biāo)2000（實際1830 m）的幾個點進(jìn)行初步聲音監(jiān)聽，并與實際環(huán)境背景音對比。在坐標(biāo)200 處，單點實時音頻見圖3。上圖是該時刻音頻（采樣率為2 kHz，圖中表示了2 s 的數(shù)據(jù)），下圖的曲線表示了該時刻的聲音頻譜圖。從頻譜圖中可以看出，在200 Hz左右位置，具有較為明顯的強度增強，經(jīng)過與實際位置環(huán)境對比，該位置處于機房內(nèi)，光纖尚未正式進(jìn)入海纜中，各種設(shè)備的散熱風(fēng)扇引起的低頻噪音較為明顯，確定是這些低頻噪音引起的信號變化。通過音箱外放實際判定，與實際環(huán)境位置相符。

圖3 坐標(biāo)200 處音頻和頻譜

在坐標(biāo)1000，單點實時音頻見圖4。從音頻中可以看出，波形起伏較為明顯。從頻譜中可以看出，整體強度較坐標(biāo)200 位置明顯變大，尤其在50 Hz以下的低頻區(qū)域，譜線抬升現(xiàn)象較為突出。使用音箱外放進(jìn)行聲音判斷，可以聽到微弱的海浪聲音。

圖4 坐標(biāo)1000 處音頻和頻譜

與實際位置環(huán)境對比，坐標(biāo)1000 處在海邊的地埋沙土內(nèi)，沙土濕潤，測試時刻處于落潮時，該位置尚無法被海浪波及。經(jīng)過分析，該位置監(jiān)聽到通過濕潤沙地傳過來的聲音正確的。DAS 設(shè)備監(jiān)聽到的結(jié)果是符合實際環(huán)境的。

在坐標(biāo)1500 處，單點實時音頻圖見圖5。在這個位置，音頻波形起伏很大，通過音箱外放，可以聽出非常明顯的波浪聲音。從頻譜圖上，可以看出，在10 Hz 以下的信號強度很大。海浪聲時域信號的包絡(luò)面，近似一個簡諧波。海浪聲的特征頻率比較固定，在0.6 Hz 左右，雷聲和機械撞擊聲的頻率范圍主要集中在5～1000 Hz 之間[4]。實驗時間段內(nèi)未有雷聲發(fā)生，DAS 監(jiān)測的結(jié)果符合海浪的低頻特性結(jié)果。經(jīng)過實際場景勘察，坐標(biāo)1500 的位置已經(jīng)處于海邊，海浪起伏能夠經(jīng)過海纜上方，DAS 測量結(jié)果與實際場景相符。

圖5 坐標(biāo)1500 處音頻和頻譜

在坐標(biāo)2000 處，單點實時音頻圖見圖6。在這個位置，可以聽到連續(xù)不斷的海浪聲音，頻譜圖中10 Hz 以下區(qū)域的信號好強度大。經(jīng)過分析，這些信號應(yīng)該是海浪波和海浪破碎的機械波相疊加而來。經(jīng)過實際場景勘察，坐標(biāo)2000 位置已經(jīng)進(jìn)入海面，水深較淺（<5 m），海浪連綿不絕。DAS測量結(jié)果與實際場景相符。

圖6 坐標(biāo)2000 處音頻和頻譜

4 結(jié)論

本文使用真實海底光電復(fù)合纜結(jié)合DAS 技術(shù)能夠聽到清晰的海浪聲，因此對于比海浪聲音大的水下信號（如海纜擾動、海底地震、大型船只噪音）本文方法也能夠正確測量。與此同時我們也發(fā)現(xiàn)當(dāng)事件激發(fā)信號較小時（接近或者小于海浪聲音時），直接通過海纜方式監(jiān)測到的信號非常微弱，必須通過后續(xù)的信號處理方法來解決。

為了進(jìn)一步確定DAS 結(jié)合海纜的監(jiān)測能力，需要在以下幾個方面做進(jìn)一步工作：應(yīng)用換能器作為標(biāo)準(zhǔn)信號源，對不同水深、不同位置的海纜監(jiān)測能力進(jìn)行標(biāo)定；針對幾種特定結(jié)構(gòu)形式的海纜進(jìn)行仿真和驗證其信號衰減程度；針對特定船只，測量海纜監(jiān)測船只噪聲能力；強化信號處理能力，提高信號提取和甄別能力。今后，應(yīng)用DAS 結(jié)合海纜進(jìn)行海洋環(huán)境噪音和水中目標(biāo)狀態(tài)監(jiān)測是海洋監(jiān)測領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。