АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ВОЛОКОННЫЙ КАБЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ACOUSTO-OPTICAL FIBRE CABLE AND METHOD OF MAKING SAME

Изобретения относятся к области техники, предназначенной для проведения квазираспределенных акустических измерений.
Известно устройство гидроакустической буксируемой антенны для геофизических работ, которая является акустическим кабелем, в котором снижен диаметр, увеличена акустическая чувствительность и уменьшена зависимость от глубины погружения за счет того, что акустический кабель содержит внешнюю эластичную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичные корпусы с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровую линию связи и линию питания (патент РФ №2511076, МПК G01S 7/52,  16.10.2012 г.).
Недостатком известного устройства является использование в качестве приемников акустического сигнала пьезоэлементов, что влечет нестойкость к ударным нагрузкам, проблематичность изготовления распределенного датчика и большой диаметр кабеля, а расположенный на периферии силовой элемент приводит к снижению чувствительности.
Известен способ изготовления акустического кабеля, изложенный в описании гидроакустической антенны (патент РФ №2475774, МПК G01S 15/00,  06.10.2011 г.), заключающийся в изготовлении чувствительных элементов, кабелей питания и связи, корделей, скрутки их вокруг центрального силового элемента, встраивании гибких плат в центральную часть кабеля с осуществлением необходимых подсоединений чувствительных элементов и кабелей к элементарным блокам и наложении влагозащитной оболочки, причем операцию подсоединения чувствительных элементов, кабелей питания и связи, корделей, а также дополнительных силовых элементов к соединителям, размещенных на гибких платах электронных блоков, производят в горизонтальной плоскости с последующей намоткой изготовленного комбинированного устройства на барабан, на комбинированное устройство методом экструзии под давлением накладывают полимерную оболочку и получают плоский акустический кабель, который обмоткой по спирали накладывают на центральный силовой элемент и получают сердечник кабеля, а затем на сердечник кабеля экструзионным способом накладывают влагозащитную полимерную оболочку.
Недостатком этого способа является то, что силовой элемент сформирован из отдельных фрагментов, присоединенных к гибким платам, что приведет к их растяжению под внешней растягивающей нагрузкой, также сложно получить однородную структуру при изготовлении и намотке плоского кабеля на центральный силовой элемент.
Известно устройство, выбранное в качестве прототипа к предлагаемому устройству (патент US 2012/0227504 A1, опубл. 13.09.2012, G01H 9/00, B29C 70/08), являющееся волоконно-оптическим акустическим массивом датчиков, которые представляют собой акустооптический волоконный кабель, содержащий под защитной оболочкой волоконно-оптический акустооптического сенсор, состоящий из оптико-электронного модуля, оптически соединенного с чувствительным элементом, представляющим собой оптическое волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга, намотанное по спирали на первый полимерный слой и покрытое по всей длине вторым полимерным слоем, а также внутри вышеуказанной защитной оболочки находится оптическая линия связи, представляющая собой модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, представляющих собой линии электрического питания и модуль силовых элементов.
Недостатками известного решения являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны вследствие большого диаметра антенны из-за намотанного по спирали оптического волокна и защитных корпусов, диаметр которых превышает диаметр сформированного кабеля, покрытие волокна полимерным материалом, незначительно увеличивающим акустическую чувствительность, модульная система изготовления, требующая дополнительных механических соединителей.
Задачи, решаемые заявляемыми решениями, состоят в увеличении чувствительности в области низких частот от 0,1 до 500 Гц с одновременным снижением внешнего диаметра кабеля, который постоянен на протяжении всей длины кабеля.
Поставленная задача решается следующим образом.
В устройстве акустооптического волоконного кабеля, включающего более одной секции, каждая из которых сформирована из волоконно-оптического акустооптического сенсора, состоящего из оптико-электронного модуля, оптически соединенного с расположенным внутри полимерной основы, покрытой защитной оболочкой, чувствительным элементом, представляющим собой двулучепреломляющее оптическое волокно не менее чем с двумя волоконными решетками Брэгга, покрытое по всей длине полимерным материалом, а также расположенные внутри указанной полимерной основы оптическую линию связи, представляющую собой модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, представляющий собой линии электрического питания,  и модуль силовых элементов, полимерная основа представляет собой волоконно-оптический кабель с предварительно удаленным временным заполнением, а во внутреннем пространстве кабеля продольно по его длине размещены вышеупомянутые секции, причем чувствительные элементы размещены в освободившихся после удаления временного заполнения пространствах, оптико-электронные модули каждой секции последовательно оптически соединены между собой с помощью связных волокон оптической линии связи и подключены к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов, чувствительные элементы в каждой секции представляют собой двулучепреломляющее оптическое волокно не менее чем с двумя волоконными решетками Брэгга,  значение коэффициента Пуассона силиконового полимерного материала покрытия более 0.35, а расстояние между решетками Брэгга  не более длины полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона.
В способе изготовления акустооптического волоконного кабеля поставленная задача решается путем размещения вышеперечисленных компонентов во внутреннем пространстве продольно по длине полимерной основы, представляющей собой волоконно-оптический кабель, включающий временное заполнение, модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, модуль силовых элементов, для этого кабель вскрывают продольно и последовательно вырезают отдельными секциями части полимерной оболочки кабеля, удаляют временное заполнение и укладывают в освободившиеся пространства чувствительные элементы, выдерживая расстояния, необходимые для их размещения, а вместо вырезанных секций полимерной оболочки кабеля укладывают корпуса с оптико-электронными модулями, которые оптически соединяют с чувствительными элементами, оптико-электронные модули каждой секции между собой соединяют путем сварки оптических волокон со связными волокнами,  также присоединяют их к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов, а затем осуществляют покрытие антенны защитной оболочкой.
Сущность заявляемых изобретений поясняется следующим.
В качестве основы акустооптического волоконного кабеля лежит волоконно-оптический кабель с модулем изолированных электрических проводов, модулем оптических связных волокон, модулем силовых элементов и временным заполнением, который в процессе установки и укладки в него оптико-электронных блоков и чувствительных элементов не разрывается, силовой элемент и линия электропитания остаются неразрывны, а из полимерной основы вырезается сегмент, что обеспечивает отсутствие дополнительных механических соединителей и стойкость кабеля к продольным растягивающим нагрузкам. Чувствительные элементы и малогабаритные оптико-электронные модули располагаются внутри кабельной полимерной основы продольно и не выходят за ее границы, т.е. максимальный размер ограничен диаметром волоконно-оптического кабеля, взятого за основу, что обеспечивает снижение диаметра акустооптического волоконного кабеля и его постоянство на всей длине кабеля. Двулучепреломляющее волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга, записанными на расстоянии, не более длины полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона, покрытое силиконовым полимерным материалом с коэффициентом Пуассона более 0,35, позволяет увеличить акустическую чувствительность в области низких частот от 0,1 до 500 Гц благодаря увеличению аксиальной нагрузки на чувствительное волокно при воздействии акустического поля.
Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен акустооптический волоконный кабель. На фиг. 2 показана функциональная блок-схема оптико-электронного модуля. На фиг. 3 изображена функциональная блок-схема соединения оптико-электронных модулей с чувствительным элементом, между собой и с блоком обработки сигналов, размещаемого на борту.
Акустооптический волоконный кабель (фиг. 1), состоит из оптико-электронного модуля 1, оптически соединенного с расположенным внутри полимерной основы 2, покрытой защитной оболочкой 3, чувствительным элементом 4, представляющим собой оптическое волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга 5, покрытое по всей длине силиконовым полимерным материалом 6, а также расположенные внутри указанной полимерной основы 2 оптическую линию связи 7, оптически соединяющую оптико-электронные модули 1, модуль изолированных электрических проводов 8, подводящий электропитание к оптико-электронным модулям 1, и модуль силовых элементов 9.
Оптико-электронный модуль 1 (фиг. 2) состоит из оптико-электронной платы 10, соединенной с компенсационным волоконно-оптическим интерферометром Майкельсона 11. Оптико-электронная плата 10 состоит из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 12, запрограммированные входы и выходы которой соединены с источником оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации 13, с блоком приема-передачи информации 14, через который осуществляется связь с другими оптико-электронными блоками по оптической линии связи 7, с аналого-цифровым преобразователем 15, с подключенным к нему фотоприемным устройством 16, с блоком управления модулятором 17. В компенсационный волоконно-оптический интерферометр Майкельсона 11 оптический сигнал заводится от источника оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации 13 в первый порт волоконно-оптического циркулятора с сохранением поляризации 18, для этого его первый порт оптически соединен с выходом источника оптического излучения, второй порт которого служит для подсоединения к чувствительному элементу 4, а третий порт оптически соединен с входным портом волоконно-оптического разветвителя с сохранением поляризации 19, два противоположных порта которого подсоединены к двум плечам волоконно-оптического компенсационного интерферометра Майкельсона 11: к двулучепреломляющему волокну 20, на торце которого сформировано зеркало, и к интегрально-оптическому модулятору 21, на торце которого сформировано зеркало, к выходному порту волоконно-оптического разветвителя с сохранением поляризации 19 подсоединяется оптический вход фотоприемного устройства 16, к интегрально-оптическому модулятору 21 подключена плата термодатчика 22, соединяющаяся с блоком управления модулятором 17.
1
2
m
1
2
m
1
2
m
1
2
m
1
2
m
1
2
m
На Фиг. 3 представлена оптическая схема соединения оптико-электронных модулей 1, 1 … 1 с чувствительными элементами 4, 4 ... 4 и блоком обработки сигналов 23, расположенным на борту. К входу/выходу, предназначенному для опроса чувствительного элемента каждого оптико-электронного модуля 1, 1 … 1 подсоединяется чувствительный элемент 4, 4 ... 4, а оптико-электронные модули 1, 1 … 1 последовательно оптически соединены между собой, а именно оптический выход блока обработки сигналов 23 подсоединен к оптическому входу оптико-электронного модуля 1, оптический выход которого соединен с оптическим входом оптико-электронного модуля 1, и так до оптико-электронного модуля 1, оптический выход которого подсоединен к оптическому входу блока обработки сигналов 23.
Устройство работает следующим образом.
Расположенный в оптико-электронном модуле 1 на оптико-электронной плате 10 источник оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации 13 испускает узкополосный линейно-поляризованный оптический импульс, который проходит через волоконно-оптический циркулятор с сохранением поляризации 18 и попадает в двулучепреломляющее волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга 5, покрытое по всей длине силиконовым полимерным материалом 6, чувствительного элемента 4. Оптический импульс отражается от первой решетки Брэгга и проходит дальше по волокну, заключенному между двумя решетками Брэгга, где измеряемое акустическое поле создает на поверхности акустооптического волоконного кабеля акустическое давление, которое вследствие акустооптического эффекта изменяет показатель преломления чувствительного двулучепреломляющего оптического волокна 5 и вносит сдвиг фазы в распространяющийся оптический импульс. Анализируя сдвиг фазы, определяются параметры акустического поля. Расстояние между решетками Брэгга в чувствительном двулучепреломляющем оптическом волокне 5 равно длине полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона, чтобы низкочастотные акустические колебания оказывали наибольшее воздействие на чувствительный элемент. Оптический импульс отражается от второй решетки Брэгга и оба оптических импульса, отраженные от первой и второй решеток Брэгга, попадают в компенсационный волоконно-оптический интерферометр Майкельсона 11, они проходят через волоконно-оптический циркулятор с сохранением поляризации 18 и, пройдя через волоконно-оптический разветвитель с сохранением поляризации 19, попадают в два плеча интерферометра: двулучепреломляющее волокно 20, на торце которого сформировано зеркало, и в интегрально-оптический модулятор 21, на торце которого сформировано зеркало, где длина двулучепреломляющего волокна 20 с зеркалом выбрана таким образом, чтобы устранить временную задержку между отраженными от первой и второй решеток Брэгга оптическими импульсами. Интегрально-оптический модулятор 21 с зеркалом, управляемый платой термодатчика 22, модулирует сигнал для стабилизации рабочей точки интерференции. Фотоприемное устройство 16 регистрирует интерференцию двух сведенных оптических импульсов. Схема обработки в виде программируемой логической интегральной схемы 12, принимающая сигналы от фотоприемного устройства 16 с аналого-цифрового преобразователя 15, формирует информационные пакеты об акустическом воздействии и с помощью блока приема-передачи информации 14 передает их по оптической линии связи 7 другим оптико-электронным модулям 1. Блок управления модулятором 17 производит управление модуляцией интегрально-оптического модулятора 21 через плату термодатчика 22. Электропитание оптико-электронных модулей 1 осуществляется с помощью модуля изолированных электрических проводов 8. Вышеописанный малогабаритный оптико-электронный модуль 1 и продольное расположение чувствительного элемента позволяют сделать акустооптический волоконный кабель малого диаметра.
Способ изготовления акустооптического волоконного кабеля включает размещение в полимерной основе 2, содержащей временное заполнение, модуль оптических связных волокон 7, модуль изолированных электрических проводов 8, силовой элемент 9, оптико-электронных модулей 1 и чувствительных элементов 4, а также покрытие защитной оболочкой 3. Для этого полимерную основу 2 вскрывают продольно и последовательно вырезают отдельными секциями части этой полимерной оболочки 2, удаляют временное заполнение и укладывают в освободившееся пространство чувствительные элементы 4, а вместо вырезанных секций полимерной оболочки 2 укладывают корпуса с оптико-электронными модулями 1, которые оптически соединяют с чувствительными элементами 4, оптико-электронные модули 1 каждой секции между собой соединяют путем сварки оптических волокон со связными волокнами 7, а также присоединяют их к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов 8, а затем осуществляют покрытие антенны защитной оболочкой 3.
В качестве конкретного примера выполнения акустооптического волоконного кабеля и способа его изготовления предлагается следующее решение.
За основу акустооптического волоконного кабеля взят специальный волоконно-оптический кабель с модулем оптических волокон, модулем электрических проводом, силовым элементом и временным заполнением. Этот кабель представляет собой полимерную основу, выполненную из ПЭВП ПНД 271 - 274К, имеющую внешний диаметр 18 мм, внутри которой содержатся модуль оптических волокон, волокна в котором являются одномодовыми волоконными световодами SMF28, а сам модуль заполнен кремнийорганической жидкостью, модуль изолированных электрических проводов, который является стандартным трехжильным медным кабелем ПВС 3×0.75, силовой элемент, выполненный из восемнадцати арамидных нитей Kevlar49 1420 д., временное заполнение, представляющее собой стандартный РИП-корд из арамидных нитей, после удаления которого в освободившееся пространство укладывается чувствительный элемент, состоящий из анизотропного одномодового волоконного световода с эллиптической напрягающей оболочкой с записанными в него пятью решетками Брэгга на длину волны 1546 нм с шириной спектра 0.5 нм, расстояние между решетками Брэгга 1.44 м, двулучепреломляющее волокно чувствительного элемента покрыто двухкомпонентным силиконовым полимером 6 RTV 655 с коэффициентом Пуассона ~0.5, диаметр покрытия равен 4 мм. Оптико-электронная плата включает программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) с количеством логических элементов 49000 и 3383 Кбит памяти, 16-битный аналого-цифровой преобразователь, блок приема-передачи информации выполнен из микросхемы драйвера лазера max3710, ограничивающего усилителя, модулирующего лазер на длину волны 1550 нм LDI-FP-1550 и фотоприемного устройства PMI-155, фотоприемное устройство 16 состоит из фотоприемника PDI-40p, трансимпедансного усилителя ADA4817 и 2-х операционных усилителей ADA4927, 18-битного цифроаналогового преобразователя, источник оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации состоит из полупроводникового лазера с длиной волны 1550 нм, драйвера лазера МАХ3869 и контроллера термостабилизации ADN8831. Волоконно-оптический компенсационный интерферометр Майкельсона состоит из волоконно-оптического циркулятора с сохранением поляризации с центральной длиной волны 1550 нм, прямыми потерями ≤1 дБ и обратными потерями ≥55 дБ, волоконно-оптический разветвитель с сохранением поляризации в конфигурации 2×2 с коэффициентом деления 50÷50, с центральной длиной волны 1550 нм, прямыми потерями ≤ 1 дБ, двулучепреломляющее волокно, являющееся компенсационным плечом интерферометра, выполнено из анизотропного одномодового волоконного световода с эллиптической напрягающей оболочкой длиной 1,478 м, на торце которого сформировано зеркало, интегрально оптический модулятор представляет собой кристалл ниобата лития с вытравленным волноводом и нанесенными электродами, на торце модулятора сформировано зеркало, оптические потери 3,3 дБ, полуволновое напряжение <10B, входной импеданс R>2 МОм,  C=20 пФ, длина модулятора 25 мм. Оптико-электронные модули помещены в защитные корпуса из СТ 12Х18Н10Т. Акустооптический волоконный кабель покрыт защитной оболочкой из ПВХ O-65, Δ-2 мм.
Использование вышеперечисленных компонентов позволило изготовить и испытать макет акустооптического волоконного кабеля, обладающего высокой чувствительностью в области низких частот от 1 до 500 Гц и имеющего малый внешний диаметр. Макет основывается на двух оптико-электронных модулях, соединенных с пятью решетками Брэгга каждый, что дает восемь акустических датчиков. Макет позволяет добиться следующих значений акустической чувствительности в воде: на частоте 500 Гц - 0,002 рад/Па, на 300 Гц - 0,007 рад/Па, на 200 Гц - 0,012 рад/Па. Уровень шумов не превышает 600 мкрад . Длина изготовленного макета акустооптического волоконного кабеля составляет 14 м, а диаметр 22 мм.
Таким образом, изготовленный акустооптический волоконный кабель обладает высокой чувствительностью в области низких частот от 0.1 Гц до 500 Гц и малым постоянным диаметром.