一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置及方法

1.本发明涉及海流探测领域，特别是涉及一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置及方法。


背景技术：

2.目前，测量近海海流流速的方法主要分为接触水流式以及不接触水流式两类。其中，接触水流的主要为转子式流速仪、超声波多普勒流速仪等，不接触水流的主要为激光多普勒流速仪、海洋环境探测分析雷达(sea environment sounding&analysis radar，sesar)等。
3.转子式流速仪是目前使用最为广泛的水流测速仪之一。转子式流速仪使用旋桨、旋杯式转子感应流速，通过测量转子的转速来计算水流速度。当水流流过流速仪转子时，水流的直线运动能量对转子产生转矩，此转矩克服转子的惯量、轴承等内摩擦，以及水流及转子之间相对运动引起的流体阻力，从而使流速仪转子转动。在一定水流速度范围内，流速仪转子的转速与水流速度呈现比较稳定的近似线性关系。传统的转子流速仪存在启动流速高且不稳定、体积大、不便使用和携带等缺点，测流时会破坏水流的自然流态从而影响测量精度。当水中存在水草漂浮物时，会缠绕住转动轴，除了对测流速产生严重的影响外对测速仪本身也存在安全威胁。此外，由于水流驱动的惯性影响，测定瞬时流速比较困难，一般只能用于常用平均流速的测量。
4.超声波多普勒流速仪是一个包括由adcp(acoustic doppler current profiler)换能器、操作软件系统、计算机及连接设备等组成的测速系统，是一种利用声学换能器所发射的声脉冲在随水流运动的悬浮物质中所产生的多普勒频移进行应答从而推算出水流流速的仪器。相比于传统转子式流速仪，该装置在测流工作时，由于没有转动或传动机构，做到了不破坏、不干扰河流或渠道中水流的流场，具有更高的灵敏度及较好的抗干扰能力，无论水流强弱都能精确地反映出水流的流速，也较好地解决了传统转子流速仪由于水体中水草、杂物缠绕影响测量精度等问题。
5.然而海底环境错综复杂，例如在海底火山反复爆发以及大陆板块移动的海底裂缝处会出现形似黑烟囱的热液喷发现象，这样的环境不利于水下通信设备的使用，因此发展出了不接触水流的激光以及雷达水流测速仪。
6.激光多普勒流速仪的测量原理是激光器发出的激光经传输介质照射到运动的颗粒物，经过准直器准直后照射区域的面积较小。当该探测区域含有运动的杂质颗粒时，在这个过程中，选定一个接收器方向去接收杂质颗粒的散射光，散射光带有粒子的运动速度信息，检测这个频移即多普勒频移的信号处理，通过相关公式进而解析出水流速度。与传统的声学多普勒测速仪相比，由于激光器的连续工作时长远超压电陶瓷的寿命，且激光的光波频率远高于超声波的频率，激光多普勒测速仪具有使用寿命长、灵敏度高等优势。但是，由于海面环境复杂多变，空气中的悬浮颗粒以及海水中的悬浮生物会影响激光的传播路径，可能对测量精度造成一定影响。此外，激光多普勒流速仪还存在设备笨重，成本昂贵，需要
熟练的操作人员等问题。
7.sesar的工作原理与激光多普勒测速仪相类似，遥感雷达射向海面的电波遇到海洋表面后会产生反射，此反射信号与入射信号的频谱之间存在多普勒频移量，在接收的无线电波中开设一个时间窗，分析此时间窗滤出的回波信号频谱特征，即可利用多普勒频移理论反演出海洋表面在该时间窗对应距离处的流速。虽然sesar相比于传统的测速方法具有更高的测量精度和灵敏度，然后由于海面的电磁信号干扰，其抗强噪声能力仍然有待提高。
8.综上，现有的近海海流流速测量方法，对海流流速探测的准确性有待提升。


技术实现要素：

9.基于此，本发明实施例提供一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置及方法，以提高海流特征探测的准确性。
10.为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
11.一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，包括：双芯光缆和φ-otdr系统；
12.所述双芯光缆，包括第一光纤纤芯和第二光纤纤芯；所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯呈对称的双螺旋结构排列；所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯的尾部相接；所述φ-otdr系统与所述第一光纤纤芯或所述第二光纤纤芯的首部连接；
13.当需要测量目标海域的海流特征时，所述双芯光缆处于目标海域的水下且引起涡激效应，所述φ-otdr系统用于向所述双芯光缆发出激光，并接收返回的双芯振动信号，提取所述双芯振动信号中的振动特征，根据所述振动特征确定所述目标海域的海流特征；所述海流特征，包括：海流流速和海流流向。
14.可选地，所述φ-otdr系统，包括：
15.数字解调模块，用于对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号；
16.特征提取模块，用于提取所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征；所述主要振动特征，包括：双芯光缆的振动频率；
17.海流流速计算模块，用于根据所述主要振动特征确定所述目标海域的海流流速。
18.可选地，所述数字解调模块，具体包括：
19.信号解调单元，对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号；
20.位置确定单元，用于对所述双芯振动信号进行累加，确定第一位置和第二位置；所述第一位置为第一光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；所述第二位置为第二光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；
21.信号截取单元，用于根据所述第一位置和所述第二位置，将第一光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第一解调信号，将第二光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第二解调信号；
22.信号翻折单元，用于将所述第二解调信号进行翻折，得到翻折解调信号；
23.加权求和单元，用于将所述第一解调信号中的鉴幅结果作为第一权重系数，将所述翻折解调信号中的鉴幅结果作为第二权重系数，并将所述第一权重系数与所述第一解调信号中的鉴相结果相乘，得到第一乘积，将所述第二权重系数与所述翻折解调信号中的鉴
相结果相乘，得到第二乘积，将所述第一乘积和所述第二乘积相加，得到噪声抑制解调信号。
24.可选地，所述海流流速计算模块，具体包括：
25.流速计算单元，用于根据公式计算所述目标海域的海流流速；其中，v表示目标海域的海流流速，fs表示双芯光缆的振动频率，d表示双芯光缆的直径，s表示双芯光缆的螺距，t表示时间。
26.可选地，所述φ-otdr系统，还包括：
27.海流流向判断模块，用于将所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征剔除，得到次要振动特征，根据所述次要振动特征沿着所述双芯光缆的变化确定双芯光缆的轴向位移连续分布规律，并根据所述轴向位移连续分布规律确定目标海域的径向海流的流向。
28.可选地，双芯光缆的螺距满足其中，n表示φ-otdr系统的最小空间分辨率；d表示螺旋线与横截面投影的圆直径；
29.双芯光缆的直径满足其中，re表示雷诺数；η表示海水动力粘度系数。
30.为实现上述目的，本发明实施例还提供了如下方案：
31.一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测方法，用于上述的基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置；所述方法，包括：
32.当向双芯光缆发出激光时，接收返回的双芯振动信号；
33.提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流流速。
34.可选地，提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流流速，具体包括：
35.对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号；
36.提取所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征；所述主要振动特征，包括：双芯光缆的振动频率；
37.根据所述主要振动特征确定所述目标海域的海流特征；所述海流特征，包括：海流流速和海流流向。
38.可选地，对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号，具体包括：
39.对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号；
40.对所述双芯振动信号进行累加，确定第一位置和第二位置；所述第一位置为第一光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；所述第二位置为第二光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；
41.根据所述第一位置和所述第二位置，将第一光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第一解调信号，将第二光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第二解调信号；
42.将所述第二解调信号进行翻折，得到翻折解调信号；
43.将所述第一解调信号中的鉴幅结果作为第一权重系数，将所述翻折解调信号中的鉴幅结果作为第二权重系数，并将所述第一权重系数与所述第一解调信号中的鉴相结果相乘，得到第一乘积，将所述第二权重系数与所述翻折解调信号中的鉴相结果相乘，得到第二乘积，将所述第一乘积和所述第二乘积相加，得到噪声抑制解调信号。
44.可选地，提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流流向，具体包括：
45.将所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征剔除，得到次要振动特征，根据所述次要振动特征沿着所述双芯光缆的变化确定双芯光缆的轴向位移连续分布规律，并根据所述轴向位移连续分布规律确定目标海域的径向海流的流向。
46.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
47.本发明实施例提出了一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置及方法，基于涡激现象的物理学特性，设计适用于采用φ-otdr系统的双芯光纤，双芯光缆，包括第一光纤纤芯和第二光纤纤芯；第一光纤纤芯和第二光纤纤芯呈对称的双螺旋结构排列，双芯光纤实现双芯振动信号的采集，φ-otdr系统根据双芯振动信号确定目标海域的海流特征(海流流速和海流流向)，φ-otdr系统具有高灵敏度、长距离、全天候监测的能力，能提高海流特征探测的准确性。
附图说明
48.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
49.图1为本发明实施例提供的基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置的结构示意图；
50.图2为本发明实施例提供的双芯光缆的结构图；
51.图3为光缆扰流模型的斯特劳哈尔数和雷诺数关系图；
52.图4为双芯光缆于海洋中测海流时双芯各自的相位对比以及加权平均后的相位示意图；
53.图5为光缆涡激段中心横截面4个位置处光纤的三方向位移的仿真计算示意图。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
56.参见图1，本实施例的基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，包括：双芯光缆1
和φ-otdr系统。
57.参见图2，所述双芯光缆1，包括第一光纤纤芯和第二光纤纤芯；所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯呈对称的双螺旋结构排列；所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯的尾部相接，所述φ-otdr系统与所述第一光纤纤芯或所述第二光纤纤芯的首部连接，使得φ-otdr系统可以单通道连接光缆完成双芯同步测量。
58.当需要测量目标海域的海流特征时，所述双芯光缆1处于目标海域的水下且引起涡激效应，所述φ-otdr系统用于向所述双芯光缆1发出激光，并接收返回的双芯振动信号，提取所述双芯振动信号中的振动特征，根据所述振动特征确定所述目标海域的海流特征；所述海流特征，包括：海流流速和海流流向。
59.所述海流流速，包括：两个流速分量，一是相对光缆径向方向的径向海流的流速，另一个是相对光缆轴向方向的轴向海流的流速。同样的，所述海流流向，包括：两个流向分量，一是相对光缆径向方向的径向海流的流向，另一个是相对光缆轴向方向的轴向海流的流向。
60.为了使双芯光缆1处于目标海域的水下，双芯光缆1在使用时沿预定线路抛入目标海域，不做掩埋，双芯光缆1尾部系上重物。
61.作为一种可选的实施方式，所述双芯光缆1的螺距是根据所述φ-otdr系统的空间分辨率确定的。具体如下：
62.若φ-otdr系统的最小空间分辨率为n米，螺旋线与横截面投影的圆直径为d米，每相邻两个空间分辨率的光纤在横截面上的投影位置不超过螺旋线投影所在圆弧长的1/20，否则影响后续算法的精确度。这就要求需设定合理的螺旋螺距s使得单圈螺线长度l满足l》20n，其中，单圈螺旋线长度公式为：
[0063][0064]
因此，螺距s应当满足：
[0065][0066]
本实施案例中的n为2米，d为0.01m，s最小应当为40米。同时，由于光缆在近海海域能同时引起涡激振动的连续长度一般不超过300米，通常为80～160米，因此若该段包含数个周期的螺线的光纤则可得到重复测量结果提高算法准确性，因此螺距s还应当满足s《300，因此，本实施例中螺距s取60，满足条件。可见，螺距s不仅与φ-otdr系统的空间分辨率直接相关，还与目标海域的海底环境间接相关。
[0067]
除了光缆中光纤的螺距，光缆本身的直径选择也十分重要。光缆的直径与待测海域深度、海流流速相关，需保证光缆在该海域海流中易引起涡激效应，但涡激的旋涡脱落频率不与缆固有频率相当从而引发共振，同时保证在该海域绝大部分时刻涡激现象的斯特劳哈尔数在一定范围内。光缆的密度需能自然下沉到待测海域的海床之上。下面主要对缆本身的直径选择进行介绍。
[0068]
图3展示的曲线表明，当雷诺数re在一定范畴内，光缆扰流引发涡激模型的斯特劳哈尔数st近似为0.2，是常数。因此，双芯光缆1的直径d的设计需要使得re在200～105之间。因此：
[0069][0070]
其中，v为海域的海流流速，可取值为近海海底的平均流速；η为海水动力粘度系数，受到海域内温度、深度影响。通常使用的振动光缆直径d可满足绝大部分近海探测的要求。本案例中，双芯光缆1的直径d为0.01米，海水温度为283.15
°
，海水密度为1027kg/m3，海水动力粘度为0.0014pa*s。因此，当海流速度达到0.004m/s时便可满足准确测量的前置需求。值得注意的是，在具体某海域开展测量前，只需大致知道上述所述参数，计算光缆直径设计的边界，此边界为可得到精确测量结果的边界，实际应用中突破边界的情况只会使该时段测量结果不准确，但不影响以天为单位的长期测量结果准确性。
[0071]
作为一种可选的实施方式，仍请参见图2，以gyxts-2b1.1型室外中心管式油膏填充钢带纵包式单模通信光缆为例，所述双芯光缆1，还包括：内层保护套2、铠装3和外层保护套4。所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯的外部包裹所述内层保护套2；所述内层保护套2的外侧布设所述铠装3；所述铠装3的外部包裹所述外层保护套4。内层保护套2、铠装3和外层保护套4可采用非螺旋结构。
[0072]
光缆的铠装材料、内外层保护套的选型需要使得光缆整体的等效密度大于近海待测海域海床上方海水密度。值得注意的是，即使双芯光缆1的密度不足以让光缆沉入海底，依然可以测量所在深度海流特征，在条件有限的情况下，可通过每隔100～200米绑上重物帮助光缆下沉。
[0073]
光缆的材质和直径决定光缆自身的质量、阻尼系数，需要选择参数使得引发涡激段的光缆固有振动频率不在1～5hz之间，从而避免共振影响测量结果。本实施案例中，受涡激光缆的固有振动频率基本在0.01之下，满足要求。值得一提的是，大部分振动传感光缆在近海海域都不需要考虑共振问题，而若使用光电复合缆使用本专利方法测量近海海流，则需要考虑避免共振对缆的破坏。
[0074]
作为一种可选的实施方式，所述φ-otdr系统，包括：
[0075]
数字解调模块，用于对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号。加权平均算法，即：将采集得到的连续的双芯振动信号进行累加，得到信号头尾有无光纤位置的分界点，从而确定每根纤芯的信号在整体信号中的位置，将双芯各自的振动信号从解调结果中截取出来，第二光纤纤芯的解调结果需要进行翻折与第一光纤纤芯对齐。由于信号受到相干衰落噪声影响，为了克服随机的相干衰落引起的信噪比恶化以及探测死区，以双芯分别得到的鉴幅结果为权重系数，乘以双芯分别的得到鉴相结果相加，得到加权平均的结果，即得到得到噪声抑制解调信号，如图4所示。其中，图4的(a)部分示出了双芯光缆于海洋中测海流时双芯各自的相位，图4的(b)部分示出了双芯光缆于海洋中测海流时双芯加权平均后的相位。
[0076]
特征提取模块，用于提取所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征；所述主要振动特征，包括：双芯光缆的振动频率。具体的，双芯振动信号在加权平均过后，不仅抑制了相干衰落噪声，同时抑制了光缆的径向方向海流引起涡激时，上下旋涡脱落方向之外的振动特征。由于保证了涡激时的斯特哈尔数在一定范围，此时留下的振动特征即为旋涡脱落时双芯光缆的主要振动特征。
[0077]
海流流速计算模块，用于根据所述主要振动特征确定所述目标海域的海流流速。具体的，双芯光缆的振动频率fs与旋涡脱落频率相一致并且与来流速度成正比，从而计算出光缆径向方向的来流流速，即目标海域的海流流速v。
[0078]
作为一种可选的实施方式，所述数字解调模块，具体包括：
[0079]
信号解调单元，对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号。
[0080]
位置确定单元，用于对所述双芯振动信号进行累加，确定第一位置和第二位置；所述第一位置为第一光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；所述第二位置为第二光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置。
[0081]
信号截取单元，用于根据所述第一位置和所述第二位置，将第一光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第一解调信号，将第二光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第二解调信号。
[0082]
信号翻折单元，用于将所述第二解调信号进行翻折，得到翻折解调信号。
[0083]
加权求和单元，用于将所述第一解调信号中的鉴幅结果作为第一权重系数，将所述翻折解调信号中的鉴幅结果作为第二权重系数，并将所述第一权重系数与所述第一解调信号中的鉴相结果相乘，得到第一乘积，将所述第二权重系数与所述翻折解调信号中的鉴相结果相乘，得到第二乘积，将所述第一乘积和所述第二乘积相加，得到噪声抑制解调信号。
[0084]
作为一种可选的实施方式，所述海流流速计算模块，具体包括：
[0085]
流速计算单元，用于根据公式计算所述目标海域的海流流速；其中，v表示目标海域的海流流速，fs表示双芯光缆的振动频率，s表示双芯光缆的螺距，t表示时间。
[0086]
作为一种可选的实施方式，当涡激现象发生时，双芯光缆的主要振动特征反映在其频率与漩涡脱落是造成的升力变化频率相一致，而次要振动特征则包括了：成对漩涡脱落产生的频率为升力一半的曳力，同时，柔性的光缆轴向的力不可忽略，缆芯各个位置存在频率与升力一致的轴向位移。与光缆横截面中心点对称分布的双芯光纤，其轴向位移方向相反，幅度与双芯在横截面上连线与海流方向相关，使用双螺旋双芯光缆，通过解调数百米的双芯光缆轴向位移连续分布规律，即可推断出双芯光缆的径向来流具体方向。
[0087]
因此，所述φ-otdr系统，还包括：海流流向判断模块。
[0088]
海流流向判断模块，用于将所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征剔除，得到次要振动特征，根据所述次要振动特征沿着所述双芯光缆的变化确定双芯光缆的轴向位移连续分布规律，并根据所述轴向位移连续分布规律确定目标海域的径向海流的流向。
[0089]
参见图5，其中，图5的(a)部分反映了双芯在沿水平线对称的典型位置在x方向上的位移(x-d)，图5的(b)部分反映了双芯在沿水平线对称的典型位置在y方向上的位移(y-d)，图5的(c)部分反映了双芯在沿水平线对称的典型位置在z方向上的位移(z-d)，图5的(d)部分示出了在横截面上的有芯位置，图5的(e)部分示出了x、y、z三方向位移变化的频率，图5的(f)部分示出了x、y、z三方向位移综合造成的系统测得的光纤相位。如图5所示，通过仿真计算光缆涡激段中心横截面4个位置处光纤的三方向位移，观察到量每两两对称位置处光纤的轴向位移方向相反，并且随着二者连线与来流方向夹角越小，轴向位移幅度越小。而两两对称的纤芯，其径向相垂直两方向的位移规律一致，其中一个与升力频率一致，
一个与曳力频率一致，仿真计算验证了海流流向判断方法的可行性。
[0090]
作为一种可选的实施方式，当海流沿着一段光缆轴向方向有较强分量时，会引起该段光缆整体的轴向形变，与解调得到光缆轴形变引起的相位变化存在整体的偏置，从而判断海流的轴向分量。同时，由于光缆在海中并非严格的直线分布，对于某段光缆的轴向方向海流对于其他段光缆存在径向分量，可通过海流流向判断方法加以判别。
[0091]
因此，所述φ-otdr系统，还包括：海流轴向分量判断模块。
[0092]
海流轴向分量判断模块，用于根据双芯光缆整体的轴向形变与双芯光缆轴形变引起的相位变化存在的整体的偏置，判断海流的轴向分量。海流的轴向分量，包括：轴向海流的流速和相轴向海流的流速。
[0093]
本实施例的φ-otdr系统，解调双芯振动信号，基于二者的幅值与相位做加权平均，抑制相干衰落噪声、消除光缆次要的振动模态，提取光缆的主要振动特征从而判断光缆径向方向海流的流速；分别将双芯振动信号中的光缆的主要振动特征剔除，得到光缆的次要振动特征，通过双芯各自的次要振动特征沿着螺旋结构的缓慢变化从而判断对于光缆径向海流的流向；再根据主要振动特征、次要振动特征幅值的偏移来判断对于光缆轴向海流的流动特点。
[0094]
相比于近海海域内的作业通常需要避免涡激现象对海缆或其他装置造成破坏，本实施例抓住涡激现象的物理学特性，通过对现有传感光缆进行规范改造创新设计，结合φ-otdr系统的高灵敏度、长距离、全天候监测能力，适配振动信号还原算法，实现对海流特征(包括海流流速、海流流向等)的准确监测。
[0095]
实施例二
[0096]
为了实现上述实施例一对应的装置，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测方法。
[0097]
所述方法用于上述实施例一的基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置；所述方法，包括：
[0098]
(1)当向双芯光缆发出激光时，接收返回的双芯振动信号。
[0099]
(2)提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流流速。具体的：
[0100]
①
对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号。具体的：
[0101]
对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号。
[0102]
对所述双芯振动信号进行累加，确定第一位置和第二位置；所述第一位置为第一光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；所述第二位置为第二光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置。
[0103]
根据所述第一位置和所述第二位置，将第一光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第一解调信号，将第二光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第二解调信号。
[0104]
将所述第二解调信号进行翻折，得到翻折解调信号。
[0105]
将所述第一解调信号中的鉴幅结果作为第一权重系数，将所述翻折解调信号中的鉴幅结果作为第二权重系数，并将所述第一权重系数与所述第一解调信号中的鉴相结果相
乘，得到第一乘积，将所述第二权重系数与所述翻折解调信号中的鉴相结果相乘，得到第二乘积，将所述第一乘积和所述第二乘积相加，得到噪声抑制解调信号。
[0106]
②
提取所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征；所述主要振动特征，包括：双芯光缆的振动频率。
[0107]
③
根据所述主要振动特征确定所述目标海域的海流流速。
[0108]
作为一种可选的实施方式，在步骤
③
之后，还包括：
[0109]
将所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征剔除，得到次要振动特征，根据所述次要振动特征沿着所述双芯光缆的变化确定双芯光缆的轴向位移连续分布规律，并根据所述轴向位移连续分布规律确定目标海域的径向海流的流向。
[0110]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0111]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，其特征在于，包括：双芯光缆和φ-otdr系统；所述双芯光缆，包括第一光纤纤芯和第二光纤纤芯；所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯呈对称的双螺旋结构排列；所述第一光纤纤芯和所述第二光纤纤芯的尾部相接；所述φ-otdr系统与所述第一光纤纤芯或所述第二光纤纤芯的首部连接；当需要测量目标海域的海流特征时，所述双芯光缆处于目标海域的水下且引起涡激效应，所述φ-otdr系统用于向所述双芯光缆发出激光，并接收返回的双芯振动信号，提取所述双芯振动信号中的振动特征，根据所述振动特征确定所述目标海域的海流特征；所述海流特征，包括：海流流速和海流流向。2.根据权利要求1所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，其特征在于，所述φ-otdr系统，包括：数字解调模块，用于对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号；特征提取模块，用于提取所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征；所述主要振动特征，包括：双芯光缆的振动频率；海流流速计算模块，用于根据所述主要振动特征确定所述目标海域的海流流速。3.根据权利要求2所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，其特征在于，所述数字解调模块，具体包括：信号解调单元，对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号；位置确定单元，用于对所述双芯振动信号进行累加，确定第一位置和第二位置；所述第一位置为第一光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；所述第二位置为第二光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；信号截取单元，用于根据所述第一位置和所述第二位置，将第一光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第一解调信号，将第二光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第二解调信号；信号翻折单元，用于将所述第二解调信号进行翻折，得到翻折解调信号；加权求和单元，用于将所述第一解调信号中的鉴幅结果作为第一权重系数，将所述翻折解调信号中的鉴幅结果作为第二权重系数，并将所述第一权重系数与所述第一解调信号中的鉴相结果相乘，得到第一乘积，将所述第二权重系数与所述翻折解调信号中的鉴相结果相乘，得到第二乘积，将所述第一乘积和所述第二乘积相加，得到噪声抑制解调信号。4.根据权利要求2所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，其特征在于，所述海流流速计算模块，具体包括：流速计算单元，用于根据公式计算所述目标海域的海流流速；其中，v表示目标海域的海流流速，f
s
表示双芯光缆的振动频率，d表示双芯光缆的直径，s表示双芯光缆的螺距，t表示时间。5.根据权利要求2所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，其特征在于，所述φ-otdr系统，还包括：海流流向判断模块，用于将所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征剔除，得到次要
振动特征，根据所述次要振动特征沿着所述双芯光缆的变化确定双芯光缆的轴向位移连续分布规律，并根据所述轴向位移连续分布规律确定目标海域的径向海流的流向。6.根据权利要求4所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置，其特征在于，双芯光缆的螺距满足其中，n表示φ-otdr系统的最小空间分辨率；d表示螺旋线与横截面投影的圆直径；双芯光缆的直径满足其中，re表示雷诺数；η表示海水动力粘度系数。7.一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测方法，其特征在于，用于权利要求1-6中任意一项所述的基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置；所述方法，包括：当向双芯光缆发出激光时，接收返回的双芯振动信号；提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流特征；所述海流特征，包括：海流流速和海流流向。8.根据权利要求7所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测方法，其特征在于，提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流流速，具体包括：对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号；提取所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征；所述主要振动特征，包括：双芯光缆的振动频率；根据所述主要振动特征确定所述目标海域的海流流速。9.根据权利要求8所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测方法，其特征在于，对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号，并采用加权平均法对所述初始解调信号进行相干衰落噪声的抑制，得到噪声抑制解调信号，具体包括：对所述双芯振动信号进行解调，得到初始解调信号；对所述双芯振动信号进行累加，确定第一位置和第二位置；所述第一位置为第一光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；所述第二位置为第二光纤纤芯的振动信号在所述双芯振动信号中的位置；根据所述第一位置和所述第二位置，将第一光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第一解调信号，将第二光纤纤芯的振动信号从所述初始解调信号中截取出来，得到第二解调信号；将所述第二解调信号进行翻折，得到翻折解调信号；将所述第一解调信号中的鉴幅结果作为第一权重系数，将所述翻折解调信号中的鉴幅结果作为第二权重系数，并将所述第一权重系数与所述第一解调信号中的鉴相结果相乘，得到第一乘积，将所述第二权重系数与所述翻折解调信号中的鉴相结果相乘，得到第二乘积，将所述第一乘积和所述第二乘积相加，得到噪声抑制解调信号。10.根据权利要求8所述的一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测方法，其特征在于，提取所述双芯振动信号中的振动特征，并根据所述振动特征确定所述目标海域的海流流向，具体包括：
将所述噪声抑制解调信号中的主要振动特征剔除，得到次要振动特征，根据所述次要振动特征沿着所述双芯光缆的变化确定双芯光缆的轴向位移连续分布规律，并根据所述轴向位移连续分布规律确定目标海域的径向海流的流向。

技术总结
本发明公开了一种基于双螺旋双芯振动光缆的海流探测装置及方法，所述装置，包括：双芯光缆和φ-OTDR系统；双芯光缆，包括第一光纤纤芯和第二光纤纤芯；第一光纤纤芯和第二光纤纤芯呈对称的双螺旋结构排列；第一光纤纤芯和第二光纤纤芯的尾部相接；φ-OTDR系统与第一光纤纤芯或第二光纤纤芯的首部连接；当需要测量目标海域的海流特征时，双芯光缆处于目标海域的水下且引起涡激效应，φ-OTDR系统用于向双芯光缆发出激光，并接收返回的双芯振动信号，提取双芯振动信号中的振动特征，根据振动特征确定目标海域的海流特征；海流特征，包括：海流流速和海流流向。本发明能提高海流特征探测的准确性。准确性。准确性。


技术研发人员：张旭苹 张驰 张益昕 佟帅 王顺 丁晨阳 王峰
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/18