聽海洋的聲音 ——水聽器用特種光纖及解決方案

訊石光通訊網(wǎng) 2020/9/5 17:38:02

  ICC訊 聲音信號是唯一能在海水中進行遠距離傳播的能量形式,利用聲波作為信息載體對水下目標聲學(xué)特性的監(jiān)測,是海底監(jiān)測及資源勘測的先進手段。我國擁有三萬多公里的海岸線和豐富的海洋資源,為捍衛(wèi)我國領(lǐng)海主權(quán),同時加大海洋資源的開發(fā),在我國重要海區(qū)建立完善的水下警戒系統(tǒng),開發(fā)完備水聲探測系統(tǒng)具有深遠的戰(zhàn)略意義。

  光纖水聽器是水聲探測系統(tǒng)中的重要部件(見圖1),它是先進光纖光電子技術(shù)與水聲工程技術(shù)結(jié)合的新產(chǎn)物,在海洋環(huán)境監(jiān)測、先進水聲裝備等方向具有廣闊的應(yīng)用前景。按照原理分類,光纖水聽器有強度型、偏振型、相位干涉型等。其中,相位干涉型光纖水聽器因其精度高、穩(wěn)定性好、體積小以及易于大規(guī)模組成陣列等優(yōu)勢,已成為目前研究和開發(fā)使用的主要對象。相位干涉型光纖水聽器基于Michelson和Mach-Zehnder干涉原理制成,其干涉結(jié)構(gòu)已進入成熟的產(chǎn)品化階段。兩者基本原理相同(如圖2所示),由激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光纖耦合器分為兩路:一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂,接受聲波的調(diào)制,另一路則構(gòu)成參考臂,提供參考相位。兩束波經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器,發(fā)生干涉,干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過信號處理就可以拾取聲波的信息。

  水聽器中的關(guān)鍵部件是光纖繞制的光纖環(huán),這種環(huán)的尺寸一般比較小,直徑最低僅10mm,普通的光纖的宏彎損耗指標難以滿足其要求,同時這種海底用光纖的機械可靠性比常規(guī)光纖要求更高。

  一、水聽器用特種光纖

  長飛光纖光纜股份有限公司(以下簡稱“長飛公司”)是國內(nèi)最早一批研制彎曲不敏感光纖的企業(yè),采用“匹配溝槽”結(jié)構(gòu)設(shè)計加上獨特的PCVD工藝(見圖3),可以實現(xiàn)優(yōu)良的光纖拉錐、研磨和抗彎性能,并且通過采用高可靠性涂料,保障了光纖的高強度與可剝離性,光纖主要優(yōu)勢與特點如下:

  圖3 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計

 1)光纖細徑化

  水聽器用彎曲不敏感光纖目前普遍朝著細徑化和高強度的方向發(fā)展,如何在減小光纖直徑的同時保障光纖的高強度是一大難點。如圖4,長飛第二代彎曲不敏感光纖的最小抗彎直徑目前設(shè)計為10mm,其光纖尺寸從125/250μm減小到80/165μm,于此同時光纖的篩選強度仍可以繼續(xù)保持200kpsi。另外第三代產(chǎn)品BI1015-F和BI1015-P保持了光纖的細徑、高篩選張力外,著重于涂層的改進與優(yōu)化,采用耐水煮材料大大提高了光纖的機械穩(wěn)定性。

  圖4 長飛彎曲不敏感光纖

  2)良好的幾何一致性

  在幾何上,通過精確的拉絲工藝控制,光纖涂覆層外徑公差可控制在±2μm以內(nèi),而包層公差在±1.0μm以內(nèi)(如圖5所示),這對精確繞制和降低熔接損耗至關(guān)重要。

  圖5 長飛BI1015-B系列光纖涂覆層和包層統(tǒng)計數(shù)據(jù)

 3)優(yōu)異的拉錐性能

  在拉錐性能上,通過優(yōu)化光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料的配比,長飛水聽器用彎曲不敏感光纖具有優(yōu)異的拉錐性能。以1550nm 50/50型光纖耦合器為例,根據(jù)耦合光纖在熔融拉錐過程中的過程損耗衡量和驗證光纖的拉錐性能(見圖6所示)。

 圖6 長飛BI1015-A與BI1015-B光纖拉錐性能驗證

  4)可靠的機械穩(wěn)定性

  在強度上,除了滿足200kpsi篩選,在抗拉和抗老化方面也表現(xiàn)良好(如圖7所示)。對客戶所關(guān)心的彎曲半徑下的使用壽命,我們也進行了比較驗證(如圖8所示),所得驗證數(shù)據(jù)根據(jù)行業(yè)內(nèi)默認公式推導(dǎo)得出的使用壽命結(jié)果遠超過了客戶要求。

  圖7 老化前后彎曲不敏感光纖的斷裂力測試數(shù)據(jù)(TC表示老化)

  圖8極小彎曲半徑下,國內(nèi)外彎曲不敏感光纖斷裂時間對比

 二、水下用特種光纜

  基于長飛的彎曲不敏感光纖,長飛公司制備出水下用特種光纜來進行水下觀測網(wǎng)用光纜、水下探測等應(yīng)用。光纜可以應(yīng)用的最大水深至5000米,光纜的拉力可以根據(jù)客戶所要求指標定制,光纜具備6.75Mpa縱向耐水壓性能。主要產(chǎn)品有拖曳纜、水密光纜、水聽光纜等。

  1)拖曳光纜

  長飛公司拖曳光纜采用耐水解聚氨酯材料作為護套保護材料,阻水芳綸作為加強原件,采用長飛特種抗彎高強度光纖作為光傳輸介質(zhì),可以根據(jù)客戶要求進行光單元和電單元進行設(shè)計(見圖9)。該光纜可以用于水下航行器、ROV水下航行器的遠程遙控、航行狀態(tài)監(jiān)測、浮標用光纜及視頻數(shù)據(jù)等大容量信息的短距離傳輸。

  圖9 拖曳光纜結(jié)構(gòu)示意圖

  2)水密光纜

  長飛公司水密光纜用于水下短距離傳輸用,能夠滿足徑向耐水壓試驗要求。緊套層采用雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層為高模量抗壓材料,外層為高密度材料(見圖10)。光纜具備一定的機械性能,水壓下傳輸穩(wěn)定。所采用的護套材料具備水密性能,能夠長時間水下通信,并且具備良好耐油性能,機械性能。

  圖10 水密光纜結(jié)構(gòu)示意圖

  3)水聽光纜

  長飛公司水聽光纜應(yīng)用于水下觀測網(wǎng)陣列鋪設(shè),光纜具備輕量化,高柔韌性的優(yōu)點。光纜采用長飛高強度抗彎光纖,硬度較低的聚氨酯彈性體成纜(見圖11),確保光纜能夠滿足更小的彎曲半徑,以適應(yīng)更為復(fù)雜的布線。光纜可適用于不同情況下開天窗的同時,具備耐油、耐水解、耐硅油特性,可運用于水聽光纜陣列布線。

  圖11 水聽光纜結(jié)構(gòu)示意圖

  三、展望

  正是彎曲不敏感光纖的優(yōu)異性能,保證了光纖水聽器的正常運行,從而可以讓我們傾聽海洋的聲音。目前,長飛公司生產(chǎn)的彎曲不敏感光纖已經(jīng)在國內(nèi)水聽器行業(yè)的投入應(yīng)用,隨著世界新技術(shù)的飛速發(fā)展和新產(chǎn)品迭代,長飛公司也將通過不斷的技術(shù)努力,為光纖水聽器系統(tǒng)的整體可靠性提供了有力保障,為中國海洋事業(yè)做出新的貢獻。

新聞來源:長飛光纖

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