Кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы
CABLE SECTION OF TOWED FIBRE-OPTIC HYDROACOUSTIC STREAMER

Изобретение относится к области техники, предназначенной для проведения квазираспределенных гидроакустических измерений с использованием буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы.
Известно устройство, представляющее массив волоконно-оптических гидрофонов в кабеле (патент US 2005/0174887 А1). Устройство состоит из сердцевины, массива волоконно-оптических гидрофонов и внешней оболочки. Сердцевина включает в себя временные модули и связной модуль со связным оптическим волокном, которые скручены вокруг силового элемента, на сердцевину нанесена оболочка. Каждый волоконно-оптический гидрофон из массива включает в себя конструкцию, увеличивающую гидроакустическую чувствительность оптического волокна, которая представляет собой полый сердечник, намотанное на конструкцию оптическое волокно, которое входит в оптическую схему, образованную двумя волоконно-оптическими отражателями, более конкретно волоконно-оптическими зеркалами и волоконно-оптическим разветвителем 1 в 2. Причем первый порт волоконно-оптического разветвителя оптически подсоединен к связному оптическому волокну, второй порт - к первому отражающему элементу, а третий - к намотанному оптическому волокну, которое оптически соединено с первым портом следующего волоконно-оптического разветвителя с вышеописанными аналогичными связями. Таким образом, второе волоконно-оптическое зеркало для волоконно-оптического гидрофона с номером n является первым отражающим элементом для волоконно-оптического гидрофона с номером n+1. Вышеописанные компоненты оптической схемы каждого волоконно-оптического гидрофона размещаются внутри полости, образованной локальным удалением оболочки и временных модулей, над полостью размещается полый сердечник, закрывая полость полностью. В пустое пространство в полости вводится жидкий или гелевый заполнитель. На конструкцию локально наносится внешняя оболочка, ее края герметизируются.
Недостатки данного решения:
- неоднородный диаметр чувствительного элемента волоконно-оптической гидроакустической измерительной системы, который появился из-за конструкции, увеличивающей гидроакустическую чувствительность оптического волокна, диаметр которой больше, чем диаметр сердцевины, что ухудшает гидродинамические свойства массива волоконно-оптических гидрофонов в кабеле при его буксировке;
- полное удаление временных модулей нарушает жесткость сердцевины, что приводит неравномерность радиуса изгиба при эксплуатации.
Известно устройство, представляющее акустооптический волоконный кабель (патент RU 2602422). Устройство состоит из внешней оболочки, покрывающей сердцевину, которая содержит полимерную основу и размещенные внутри нее силовой элемент, модуль изолированных электрических проводов, оптическую линию связи, временное заполнение, массив волоконно-оптических гидрофонов и оптико-электронные модули. Все вышеперечисленные элементы размещаются продольно внутри полимерной основы. Причем для размещения оптико-электронных модулей вырезается часть полимерной основы, необходимая для их размещения. Массив волоконно-оптических гидрофонов представляет собой двулучепреломляющее оптическое волокно с записанными в него волоконными брэгговскими решетками, используемыми в качестве волоконно-оптических отражателей, покрытое слоем материала с коэффициентом Пуассона более 0.35 и размещенное в освободившемся пространстве после удаления временного заполнения из полимерной основы. При этом рядом с каждым массивом волоконно-оптических гидрофонов размещен оптико-электронный модуль, с которым он оптически соединен, причем все оптико-электронные модули оптически соединены друг с другом посредством связных оптических волокон.
Недостатки данного решения:
- силовой элемент, оптическая линия связи и модуль изолированных электрических проводов размещены несимметрично в поперечном сечении сердцевины и не имеют скрутки вдоль продольной оси сердцевины, что сильно ограничивает минимальный радиус изгиба акустооптического волоконного кабеля из-за избыточного растяжения или избыточного сжатия элементов внутри;
- продольное размещение чувствительного оптического волокна в покрытии значительно ограничивает длину волокна и, следовательно, его гидроакустическую чувствительность.
Известно устройство, массив волоконно-оптических гидроакустических сенсоров в кабеле, выбранное в качестве прототипа к предлагаемому устройству (патент US 2012/0227504 А1), которое состоит из размещенных во внешней оболочке сердцевины и массива волоконно-оптических гидрофонов. Сердцевина включает в себя связной модуль со связными оптическими волокнами, вокруг которого повит силовой элемент, а каждый волоконно-оптический гидрофон из массива включает в себя корпуса для размещения оптической схемы, оптическую схему с оптическим волокном и конструкцию, увеличивающую гидроакустическую чувствительность оптического волокна, которая представляет собой два полимерных слоя, выполненных из эластичного материала. Оптическая схема является интерферометрической, причем оптическое волокно является ее чувствительным плечом. При этом оптическое волокно намотано на конструкцию, увеличивающую гидроакустическую чувствительность оптического волокна, а именно, находится между первым и вторым полимерными слоями. Остальные компоненты оптической схемы размещены в корпусах. Конструкция для увеличения гидроакустической чувствительности оптического волокна размещена по всей длине сердцевины, при этом оптическое волокно намотано на нее только в требуемых местах, а корпуса, с уложенной внутри оптической схемой, размещаются поверх второго полимерного слоя. Входное оптическое волокно оптической схемы оптически соединено со связным оптическим волокном из связного модуля. Поверх второго полимерного слоя и корпусов нанесена внешняя оболочка, а полость, образованная между внешней оболочкой и вторым полимерным слоем заполнена жидким или гелеобразным заполнителем.
Недостатком известного решения является наличие выступающих за диаметр сердцевины корпусов, в которых размещается оптическая схема, а для того, чтобы сохранить однородность диаметра, нанесена внешняя оболочка поверх корпусов и сердцевины так, что между оболочкой и сердцевиной остается пустое пространство, которое заполняется жидким или гелеобразным заполнителем. Это приводит к общему увеличению диаметра вышеописанного чувствительного элемента волоконно-оптической гидроакустической измерительной системы, что увеличивает его гидродинамическое сопротивление во время его буксировки и «сухой» вес.
Техническая проблема, решаемая заявляемым решением -совершенствование конструкции кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы.
Достигаемый технический результат - снижение шумов буксировки и гидродинамического сопротивления при эксплуатации кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы.
Заявляемый технический результат достигается за счет уменьшения внешнего диаметра и обеспечения его однородности на протяжении всей длины кабельной секции при сохранении разрывной нагрузки, большого числа волоконно-оптических гидрофонов и околонулевой плавучести в морской воде.
Поставленная задача решается следующим образом.
Кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы включает:
- размещенные во внешней оболочке сердцевину с массивом волоконно-оптических гидрофонов;
- сердцевина включает силовой элемент, и, по крайней мере, один связной модуль;
- каждый такой связной модуль содержит, по крайней мере, одно связное оптическое волокно;
- каждый волоконно-оптический гидрофон из массива волоконно-оптических гидрофонов содержит оптическую схему, оптическое волокно, конструкцию, увеличивающую его гидроакустическую чувствительность и представляющую собой два полимерных слоя из эластичного материала, нанесенных по всей длине сердцевины, в то время как, оптическое волокно намотано на первый полимерный слой только в месте установки волоконно-оптического гидрофона и покрыто вторым полимерным слоем;
- при этом оптическая схема каждого волоконно-оптического гидрофона является интерферометрической и оптическое волокно является ее чувствительным плечом;
- вместе с тем, по крайней мере, первая оптическая схема в массиве волоконно-оптических гидрофонов оптически соединена, по крайней мере, с одним связным оптическим волокном и при этом все оптические схемы волоконно-оптических гидрофонов в массиве оптически соединены друг с другом.
Согласно предлагаемому изобретению, сердцевина с вышеперечисленными элементами дополнительно содержит не менее двух временных модулей, каждый из которых представляет собой протяженный цилиндр из полимерного материала, и фигурный сердечник, который нанесен экструзионным способом по всей длине силового элемента и представляет собой слой полимерного материала, на поверхности которого расположены четыре и более пазов, каждый из которых размещен по траектории трехмерной спирали с постоянным шагом витков. Пазы предназначены для размещения в них на протяжении всей длины двух и более связных модулей, двух и более временных модулей, причем в поперечном сечении пазы с одинаковым заполнением располагаются на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. Оптические схемы волоконно-оптических гидрофонов из массива размещены локально в пазах в освободившихся пространствах вместо предварительно локально удаленных частей временного модуля в местах установки волоконно-оптических гидрофонов; причем пустоты между волоконно-оптическим компонентами заполнены гелеобразным заполнителем.
3
Для обеспечения околонулевой плавучести в морской воде фигурный сердечник выполнен из полимерного материала с плотностью меньше, чем 1 г/см.
Для увеличения количества гидрофонов, обеспечивающих более высокое разрешение сейсмической съемки, в кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы сердцевина содержит более одного массива волоконно-оптических гидрофонов, при этом каждый из массивов волоконно-оптических гидрофонов оптически соединен, по крайней мере, с одним связным оптическим волокном.
Для обеспечения возможности подсоединения внешних электрических устройств на протяжении всей длины кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы в фигурном сердечнике содержится дополнительно два и более пазов, в которых размещены два и более электрических модулей, каждый из которых содержит, по крайней мере, один электрический провод в изоляции.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.
При эксплуатации кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы внешняя оболочка защищает расположенные внутри нее элементы от механических повреждений, химического воздействия морской воды и ультрафиолетового излучения. Силовой элемент предотвращает избыточное растяжение остальных элементов при буксировке чувствительного элемента волоконно-оптической гидроакустической измерительной системы. С
Связные модули и, более конкретно, связные оптические волокна обеспечивают оптическую связь между массивом волоконно-оптических гидрофонов и опрашивающим оборудованием, а также могут обеспечивать оптическую связь между волоконно-оптическими гидрофонами в массиве. В обоих случаях связное оптическое волокно оптически соединяется с оптической схемой гидрофона, которая является интерферометрической, причем чувствительным плечом интерферометра является оптическое волокно; при этом гидроакустический сигнал, воздействующий на него, вносит дополнительный сдвиг фазы в распространяющееся по оптическому волокну оптическое излучение, а для увеличения этого эффекта оптическое волокно намотано на конструкцию, увеличивающую его гидроакустическую чувствительность, а именно намотано на первый полимерный слой и покрыто сверху вторым полимерным слоем.
Фигурный сердечник выполняет несколько функций: является твердотельным заполнителем внутреннего пространства и размещает в своих пазах связные модули, временные модули и оптические схемы, которые укладываются в освободившееся пространство в пазу после удаления частей временных модулей; таким образом, временные модули резервируют пространство для оптических схем. Пазы, идущие по траектории трехмерной спирали с постоянным шагом витков, снижают минимальный радиус изгиба кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы благодаря однонаправленной скрутке вдоль ее центральной оси; причем пазы с одинаковым заполнением располагаются на одинаковом угловом расстоянии друг от друга для предотвращения неравномерности изгиба кабельной секции вследствие различия жесткостей размещаемых внутри пазов фигурного сердечника элементов. Для заполнения пустот между волоконно-оптическими компонентами в паз с ними вводится гелеобразный заполнитель, который обеспечивает отсутствие продавливания полимерных слоев и внешней оболочки вовнутрь паза из-за внешнего гидростатического давления.
3
При выполнении фигурного сердечника из материала с плотностью меньше 1 г/см можно обеспечить околонулевую плавучесть в морской воде чувствительного элемента волоконно-оптической измерительной системы.
Размещение в сердцевине более одного массива волоконно-оптических гидрофонов, каждый из которых подсоединен к связному оптическому волокну, позволяет увеличить общее количество волоконно-оптических гидрофонов, что обеспечивает более высокое разрешение сейсмической съемки.
Кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы с дополнительными двумя и более электрическими модулями обеспечивает электрическим питанием подсоединенные к ним внешние электрические устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен волоконно-оптический гидрофон кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы. На фиг. 2 изображена функциональная оптическая схема одного массива на восемь мультиплексированных волоконно-оптических гидрофонов.
На фиг. 1 изображен волоконно-оптический гидрофон кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы, который состоит из размещенных во внешней оболочке 1 силового элемента 2, двух и более связных модулей 3, каждый из которых содержит, по крайней мере, одно связное оптическое волокно 4 оптической схемы 5, оптического волокна 6, которое намотано на первый полимерный слой 7 и покрыто вторым полимерным слоем 8, двух и более временных модулей 9, фигурного сердечника 10 и гелеобразного заполнителя 11.
l
n
n
На фиг. 2 изображена функциональная оптическая схема массива волоконно-оптических гидрофонов, которая использовалась в качестве оптической схемы конкретного примера выполнения. Она содержит связное оптическое волокно 4 и подсоединенные к нему оптические схемы 5 - 5, оптическая схема - интерферометрическая, а оптическое волокно 6 - является ее чувствительным плечом. Связное оптическое волокно 4 в местах подсоединения каждого волоконно-оптического гидрофона разрезается, образуя два конца: первый и второй. Каждая оптическая схема за исключением последней содержит первый волоконно-оптический разветвитель 12, первый порт которого оптически соединен с первым концом связного оптического волокна 4, второй порт, имеющий меньшие оптические потери, соединен со вторым концом связного оптического волокна 4, а третий порт соединен со вторым волоконно-оптическим разветвителем 13, у которого второй порт оптически соединен с первым волоконно-оптическим зеркалом 14, а третий порт - с первым концом оптического волокна 6, второй конец которого оптически соединен со вторым волоконно-оптическим зеркалом 15. А последняя оптическая схема 5 не содержит волоконно-оптического разветвителя 12, и первый порт второго волоконно-оптического разветвителя 13 подсоединяется к первому концу связного оптического волокна 4.
Устройство работает следующим образом.
1
2
n
Кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы состоит из размещенных во внешней оболочке 1 сердцевины с массивом волоконно-оптических гидрофонов. Сердцевина состоит из силового элемента 2, двух и более связных оптических модулей 3, каждый из которых содержит, по крайней мере, одно связное оптическое волокно 4. Оптическое излучение, распространяющееся по связному оптическому волокну 4, попадает в первую оптическую схему 5, где волоконно-оптический разветвитель 12 отводит часть оптического излучения к волоконно-оптическому разветвителю 13, а остальное оптическое излучение проходит к последующим оптическим схемам 5 - 5. При этом оптические схемы 5 размещены вместо локально удаленных частей временного модуля 9 в пазах фигурного сердечника 10. Волоконно-оптический разветвитель 13 делит приходящее оптическое излучение на два плеча: короткое, образованное первым волоконно-оптическим зеркалом 14, и длинное, образованное оптически соединенными оптическим волокном 6 и вторым волоконно-оптическим зеркалом 15, причем для увеличения гидроакустической чувствительности оптическое волокно 6 намотано на первый полимерный слой 7 и покрыто сверху вторым полимерным слоем 8. Оптическое излучение проходит по обоим плечам интерферометрической схемы, отражается от первого и второго волоконно-оптических зеркал 14 и 15 и проходит весь описанный выше оптический путь в обратном направлении. Оптическое излучение, прошедшее по длинному плечу будет иметь больший фазовый сдвиг вследствие воздействия гидроакустического воздействия, чем оптическое излучение, прошедшее по короткому плечу, так как в длинном плече дополнительно установлено оптическое волокно 6.
В качестве конкретного примера выполнения кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы предлагается следующее решение.
Кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы, включающая, размещенные во внешней оболочке, выполненной из материала BASF Elastollan 1180 толщиной 1 мм, сердцевину с двенадцатью массивами волоконно-оптических гидрофонов, каждый массив содержит по восемь оптически соединенных волоконно-оптических гидрофонов, сердцевина включает силовой элемент, выполненный из арамидных нитей Du Pont Kevlar 49 1W003, диаметр силового элемента 5.4 мм, два связных модуля, представляющих собой трубку диаметром 3 мм с толщиной стенки 0.5 мм, выполненную из материала Valox V3000 HR-1001 с гидрофобный гелем Lunectra 8930С, а каждый такой модуль содержит по восемь связных оптических волокон стандарта G.657.A2, каждый волоконно-оптический гидрофон из массива волоконно-оптических гидрофонов содержит оптическую схему с оптическим волокном, конструкцию, увеличивающую гидроакустическую чувствительность оптического волокна и представляющую собой два полимерных слоя из материала BASF Elastollan soft 35 А толщиной 0.75 мм каждый, нанесенных по всей длине сердцевины, при этом, оптическое волокно стандарта G.657.B3, намотано на первый полимерный слой только в месте установки волоконно-оптического гидрофона с шагом намотки 1.8 мм, длинной 13.5 м и покрыто вторым полимерным слоем, а оптическая схема образована двумя волоконно-оптическими отражателями, представляющими собой волоконно-оптические фарадеевские зеркала, оптически соединенные с двумя волоконно-оптическими разветвителями: первым и вторым, за исключением восьмой, т.е. последней, оптической схемы, у которой отсутствует первый волоконно-оптический разветвитель. Причем первые волоконно-оптические разветвители имеют разные коэффициенты деления, для того чтобы от каждого волоконно-оптического гидрофона приходила одинаковая оптическая мощность, в зависимости от номера волоконно-оптического гидрофона и, соответственно, оптической схемы, коэффициенты следующие: 1 - 10/90, 2 - 12/88, 3 - 15/85, 4 - 18/82, 5 - 23/77, 6 - 32/68, 7 - 49/51, а вторые волоконно-оптические разветвители имеют коэффициент деления 50/50. Связное оптическое волокно разрезается в месте установки волоконно-оптического гидрофона и образуется два конца: первый и второй. К первому концу связного оптического волокна оптически подсоединяется первый порт первого волоконно-оптического разветвителя, второй порт, имеющий меньшие оптические потери, оптически соединен со вторым концом связного оптического волокна, а третий порт оптически соединен с первым портом второго волоконно-оптического разветвителя, у которого второй порт оптически соединен с первым волоконно-оптическим фарадеевским зеркалом, образуя короткое плечо интерферометрической схемы, а третий порт с первым концом оптического волокна, второй конец которого оптически соединен со вторым волоконно-оптическим фарадеевским зеркалом, образуя длинное плечо интерферометрической схемы. А восьмая оптическая схема, являющаяся в массиве последней, не содержит первого волоконно-оптического разветвителя, и первый порт второго волоконно-оптического разветвителя подсоединяется сразу к первому концу связного оптического волокна. Сердцевина дополнительно содержит два временных модуля, каждый из которых представляет собой протяженный цилиндр из материала Elasto DryFlex 500800S диаметром 3 мм, и фигурный сердечник, который нанесен экструзионным способом по всей длине силового элемента и представляет собой слой материала Elasto DryFlex 500800S с внешним диаметром 15 мм, на поверхности которого расположены четыре паза диаметром 4 мм, каждый из которых размещен по траектории трехмерной спирали с шагом витков 480 мм, пазы предназначены для размещения в них на протяжении всей длины двух связных модулей, двух временных модулей, а оптические схемы волоконно-оптических гидрофонов из массива размещены локально в пазах в освободившихся пространствах вместо предварительно локально удаленных частей временного модуля в местах установки волоконно-оптических гидрофонов, а пустоты между волоконно-оптическими компонентами заполнены гидрофобным гелем Lunectra 8930С. В поперечном сечении пазы со связными и временными модулями располагаются через 90 градусов с чередованием. Расстояния между началами намотки оптического волокна, т.е. расстояние между фазовыми центрами составляет 1.44 м, а массивы установлены последовательно друг за другом без промежутков.
3
Указанная кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы содержит 96 волоконных гидрофонов и обеспечивает на протяжении всей длины внешний однородный диаметр 20 мм. Плотность кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы составляет 1.03 г/см.
Таким образом, заявляемая кабельная секция буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы обеспечивает более низкие шумы буксировки и сниженное гидродинамическое сопротивление при эксплуатации, что подтверждается проведенным математическим моделированием, которое показало достижение заявляемого технического результата за счет уменьшения внешнего диаметра и обеспечения его однородности на протяжении всей длины, при этом у заявляемой кабельной секции буксируемой волоконно-оптической гидроакустической косы сохраняется разрывная нагрузка, большое число волоконно-оптических гидрофонов и околонулевая плавучесть в морской воде.