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听海洋的声音 ——水听器用特种光纤及解决方案

来源:  |  时间:2020.09.11  |  浏览:585

声音信号是唯一能在海水中进行远距离传播的能量形式,利用声波作为信息载体对水下目标声学特性的监测,是海底监测及资源勘测的先进手段。我国拥有三万多公里的海岸线和丰富的海洋资源,为捍卫我国领海主权,同时加大海洋资源的开发,在我国重要海区建立完善的水下警戒系统,开发完备水声探测系统具有深远的战略意义。

光纤水听器是水声探测系统中的重要部件(见图1),它是先进光纤光电子技术与水声工程技术结合的新产物,在海洋环境监测、先进水声装备等方向具有广阔的应用前景。按照原理分类,光纤水听器有强度型、偏振型、相位干涉型等。其中,相位干涉型光纤水听器因其精度高、稳定性好、体积小以及易于大规模组成阵列等优势,已成为目前研究和开发使用的主要对象。相位干涉型光纤水听器基于Michelson和Mach-Zehnder干涉原理制成,其干涉结构已进入成熟的产品化阶段。两者基本原理相同(如图2所示),由激光器发出的激光经过光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位。两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。

水听器中的关键部件是光纤绕制的光纤环,这种环的尺寸一般比较小,直径最低仅10mm,普通的光纤的宏弯损耗指标难以满足其要求,同时这种海底用光纤的机械可靠性比常规光纤要求更高。

一、水听器用特种光纤

长飞光纤光缆股份有限公司(以下简称“长飞公司”)是国内最早一批研制弯曲不敏感光纤的企业,采用“匹配沟槽”结构设计加上独特的PCVD工艺(见图3),可以实现优良的光纤拉锥、研磨和抗弯性能,并且通过采用高可靠性涂料,保障了光纤的高强度与可剥离性,光纤主要优势与特点如下:

图3 光纤结构设计

1)光纤细径化

水听器用弯曲不敏感光纤目前普遍朝着细径化和高强度的方向发展,如何在减小光纤直径的同时保障光纤的高强度是一大难点。如图4,长飞第二代弯曲不敏感光纤的最小抗弯直径目前设计为10mm,其光纤尺寸从125/250μm减小到80/165μm,于此同时光纤的筛选强度仍可以继续保持200kpsi。另外第三代产品BI1015-F和BI1015-P保持了光纤的细径、高筛选张力外,着重于涂层的改进与优化,采用耐水煮材料大大提高了光纤的机械稳定性。

图4 长飞弯曲不敏感光纤

2)良好的几何一致性

在几何上,通过精确的拉丝工艺控制,光纤涂覆层外径公差可控制在±2μm以内,而包层公差在±1.0μm以内(如图5所示),这对精确绕制和降低熔接损耗至关重要。

图5 长飞BI1015-B系列光纤涂覆层和包层统计数据

3)优异的拉锥性能

在拉锥性能上,通过优化光纤波导结构和材料的配比,长飞水听器用弯曲不敏感光纤具有优异的拉锥性能。以1550nm 50/50型光纤耦合器为例,根据耦合光纤在熔融拉锥过程中的过程损耗衡量和验证光纤的拉锥性能(见图6所示)。

图6 长飞BI1015-A与BI1015-B光纤拉锥性能验证

4)可靠的机械稳定性

在强度上,除了满足200kpsi筛选,在抗拉和抗老化方面也表现良好(如图7所示)。对客户所关心的弯曲半径下的使用寿命,我们也进行了比较验证(如图8所示),所得验证数据根据行业内默认公式推导得出的使用寿命结果远超过了客户要求。

图7 老化前后弯曲不敏感光纤的断裂力测试数据(TC表示老化)

图8极小弯曲半径下,国内外弯曲不敏感光纤断裂时间对比

二、水下用特种光缆

基于长飞的弯曲不敏感光纤,长飞公司制备出水下用特种光缆来进行水下观测网用光缆、水下探测等应用。光缆可以应用的最大水深至5000米,光缆的拉力可以根据客户所要求指标定制,光缆具备6.75Mpa纵向耐水压性能。主要产品有拖曳缆、水密光缆、水听光缆等。

1)拖曳光缆

长飞公司拖曳光缆采用耐水解聚氨酯材料作为护套保护材料,阻水芳纶作为加强原件,采用长飞特种抗弯高强度光纤作为光传输介质,可以根据客户要求进行光单元和电单元进行设计(见图9)。该光缆可以用于水下航行器、ROV水下航行器的远程遥控、航行状态监测、浮标用光缆及视频数据等大容量信息的短距离传输。

图9 拖曳光缆结构示意图

2)水密光缆

长飞公司水密光缆用于水下短距离传输用,能够满足径向耐水压试验要求。紧套层采用双层结构,内层为高模量抗压材料,外层为高密度材料(见图10)。光缆具备一定的机械性能,水压下传输稳定。所采用的护套材料具备水密性能,能够长时间水下通信,并且具备良好耐油性能,机械性能。

图10 水密光缆结构示意图

3)水听光缆

长飞公司水听光缆应用于水下观测网阵列铺设,光缆具备轻量化,高柔韧性的优点。光缆采用长飞高强度抗弯光纤,硬度较低的聚氨酯弹性体成缆(见图11),确保光缆能够满足更小的弯曲半径,以适应更为复杂的布线。光缆可适用于不同情况下开天窗的同时,具备耐油、耐水解、耐硅油特性,可运用于水听光缆阵列布线。

图11 水听光缆结构示意图

三、展望

正是弯曲不敏感光纤的优异性能,保证了光纤水听器的正常运行,从而可以让我们倾听海洋的声音。目前,长飞公司生产的弯曲不敏感光纤已经在国内水听器行业的投入应用,随着世界新技术的飞速发展和新产品迭代,长飞公司也将通过不断的技术努力,为光纤水听器系统的整体可靠性提供了有力保障,为中国海洋事业做出新的贡献。