上海光机所在分布式水声形状传感技术研究中取得进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部叶青研究员团队在分布式水声形状传感技术研究中取得重要进展。研究团队提出了基于分布式光纤声波传感（DAS）与自适应约束反演法(ACIM)的分布式水声形状传感方法，成功实现了93m声敏光缆的三维形状重建，有效解决了长距离分布式形状重构中误差随距离累积的难题。相关研究成果以“Distributed hydro-acoustic shape sensing based on Adaptive Constrained Inversion Method”为题，发表于Optics Express。

海底既有光缆和声敏光缆是海洋通信基础设施和海洋探测的关键组成部分。然而，海底光缆在部署后容易因海底地形和持续的海流冲刷而发生形状变化，这严重影响了传感可靠性和定位精度。因此，实现对海底光缆的高精度形状估计，对于提升海洋信息采集的整体能力至关重要。传统形状传感方法主要依赖沿缆离散布设的姿态、加速度或GPS等点式传感器，其性能受传感器密度与数量限制。增加传感器数量会提高制造与集成复杂度，并带来大规模网络时钟同步的难题，难以适用于长距离、高精度的海洋形状传感。基于光频域反射（OFDR）或布里渊光时域分析（BOTDA）的分布式应变传感技术具有自感知特性，可通过测量轴向应变积分重构缆线形状。然而，这通常需使用多芯光纤或多根平行单模光纤，制造工艺复杂，在长距离的形状传感中将带来严重的累计误差。

针对上述问题，研究团队创新性地提出了一种基于DAS与ACIM的分布式水声形状传感的理论方法，并利用声敏光缆分别在空气与南海的海试环境中进行了初步验证。该方案通过检测双声源或移动声源的两个位置沿传感光纤传播的声场及信号时延分布，构建到达时间差方程，并采用所提出的ACIM进行求解，从而获得光缆的形状。在南海的海上试验中，成功重建了93m声敏光缆的三维形状，RMSE为2.41 m，最大误差不超过4.30 m。该方法消除了应变积分引入的累计误差，仅需少量的异步声源，为长距离分布式形状传感提供了实用且适应性强的解决方案，在海洋安全、地球物理勘探等领域具有潜在应用价值。

图1 (a)基于分布式声学传感的海缆形状传感模型；(b)传感光纤与等效阵列关系示意图

图2 声敏光缆三维重建结果与GPS校准点的对比

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