基于分布式光纤声波传感的海洋环境噪声监测技术

宛立君 吴梦实 严爱博

（第七一五研究所，杭州，310023）

海底环境噪声监测短期可使用船只拖曳测量装置进行，而长期监测时，通常只能固定少量点位（如固定式浮标）来进行。大量密布监测点成本高同时也对航路安全有影响，因此连续、长期和大范围且经济的监测是海洋环境研究的难点。随着海上供电、发电和通讯等行业的发展，水下的海底光缆电缆越来越多，分布越来越广。如果能够借用这些密布的海缆进行部分海洋环境监测，则既经济又能满足了长期、大范围的监测需求。

分布式光纤传感是近年来发展非常迅速的技术，它利用激光在光纤中传输的后向散射光来进行传感，能够测量如温度、应变、磁场等，主要包括基于后向拉曼散射的分布式光纤温度传感技术、基于后向布里渊散射（测量布里渊频移）的分布式光纤温度应变传感技术、基于后向瑞利散射的分布式光纤声波传感系统。后两者由于采用单模光纤、监测距离长、无需供电，已经应用在海缆监测中。DAS基于瑞利后向散射光，能够实时监测光纤的微小振动信号，非常适合海底光缆（包括海底光电复合缆）长距离线性设备的应用。日本的 Hiroyuki Matsumoto、EiichiroAraki 等人利用气枪对DAS 系统和传统水听器方式监测结果进行了比较[1]。海缆监测应用的DAS 设备的监测距离通常≤50 km，国外已经有人做过超长距离的DAS 在海缆的监测实验。美国的Zhongwen Zhan、Mattia Cantono 等成功利用了海底通讯光缆监测到了海底微震，也监测到了可能引起海啸海洋膨胀压力变化[2]。

本文用DAS 技术结合海底光缆和光电复合缆对海洋背景音及一些特定事件进行监测，对其中较大的信号（如海缆扰动、海底地震、海面船只噪音）进行测量。

1 分布式光纤声波传感技术

分布式光纤声波传感技术应用的是相位敏感φ-OTDR（Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer）技术，它采用窄线宽激光器作为光源，向传感光纤中发射窄脉冲光，并接收背向瑞利散射信号。传统OTDR 使用宽带光源发出脉冲信号，并采用多次检测平均的方式进行信号处理，无法对折射率轻微变化导致的后向散射弱变化信号进行探测。相位敏感OTDR 技术使用强相干光源，弱折射率的变化可以使脉冲之间的相干效应得到调制，并且各个光脉冲后向散射的波形相干叠加后形成的干涉波形与外界振动或者声波激励源的频率、振幅等特性密切相关。

系统拓扑如图1 所示，激光器发出脉冲光，经过声光调制器进行移频200 MHz，再经过EDFA 进行放大到环形器1 进2 出到探测光纤中；探测光纤后向瑞利后向散射光回到环形器2 进3 出到达耦合器；其中一个耦合器输入的是后向瑞利散射光，另一路由激光器分束过来，两者合束后形成拍频光；拍频光进入探测器后进行光电转换，然后进入采集卡进行采样，最后到达工控机进行数据处理。

图1 外差型相位敏感OTDR 原理图

当光纤链路上某一点发生振动时，该点的光纤折射率发生改变，进而使得后向瑞利散射信号发生对应的波动，通过相位解调，可以还原出实际的振动或者声音信号。

背向散射光电场的表达式为

经过相干探测、I/Q（In-phase/Quadrature）解调、低通滤波、移动差分后。可以得到扰动引起的相位变化。由于光相位变化与外界作用于光纤上的动态应变呈线性关系，可以实现定量相位解调。差分相位与外界扰动引起的光纤轴向应变的关系为

由此可以得出，相位的变化表征了轴向应变的变化（与振动相对应），因此完成振动信号的还原。

2 DAS 结合海缆进行测量的影响因素

当应用DAS 进行检测时，光纤上的每一点都会产生相应的瑞利散射信号，不同点的瑞利散射信号返回到DAS 设备中探测器的时刻不同。DAS 设备依据收到的瑞利散射信号在空间组成了空间-强度向量。激光器定时发射脉冲信号，则形成了空间-强度在时间分布上的向量组。由于光脉冲很短，光纤上大于空间分辨率（光脉冲宽度×激光在光纤中速度）的各个点是独立感知外界物理变化的。因此，每个点都可以独立看作一个被动声呐，而多个点就形成了线性声呐阵列。

DAS 本质是检测外界振动或者声压变化引起的光纤微应变，因此在利用DAS 和海缆结合进行海洋监测时，检测到的信号是多种外部信号和干扰的复合作用结果，需要通过大量的实验和复杂的算法分析才能从中甄别出有用信号。

2.1 海洋振动或者声音产生的信号源

信息源包括海面海浪、海底洋流、船只噪音、船锚拖拽、鱼类撕咬、海底地震等。海浪声是所有水声信号在采集过程中不可避免的一种噪声干扰，它会污染水听器采集的原始信号，影响后期信号特征的提取，降低水声设备在定位或是环境监测方面的精度，其特征是以频率为0.6 Hz 为中心的宽带，带宽为1 Hz 左右[3-4]。海底水流速度是影响海缆静态稳定性的关键因素，过大的海底水流速度将会同时对海缆的横向和垂向静态稳定性造成明显的不利影响[5]。当海缆在海底发生运动或者与海底进行摩擦时，也会对监测结果产生影响。

当船锚拖曳、砸落到海缆上或者鱼类撕咬等事件发生，该处会在外力作用下产生明显抖动，形成海缆扰动信号源。当海底地震发生时，地震波引起海缆微振动，受该微振动引起的光信号微小变化能够被DAS 采集并识别。

2.2 海洋振动或者声音到达光纤的传播途径

从信号传播途径来看，DAS 结合海缆进行监测受到的影响包括海缆的结构及埋设深度、海底的地质条件等。

2.2.1 海缆结构的影响

与专门用于水声的光纤声呐设备不同，海缆主要适用于通讯或者输电，使用松套光纤，外围多重铠装也没有专门针对水声进行优化过的，且不同厂家的缆结构也不同，因此声音传到的效果也会有不同。但是对于同一根缆的长期监测来说，其状态是固定的。以亨通光电的额定电压1～500 kV 交联聚乙烯绝缘交流海缆为例，从外部到光缆单元包括外披层、金属铠装层（镀锌钢丝）、内衬层、成缆扎带、填充、光缆单元。而光缆单元为金属铠装，最内层才是光纤束。可以看出，多层结构、多种材料对水声的衰减都是有影响的，但目前尚无专门针对这种水声衰减特性的测量结果。

2.2.2 海缆埋深的影响

与光纤拖曳声呐不同，海缆是埋在海床内的，在不同的施工段可能具有不同的保护方式（如海缆到海上升压站之间有J 型管）。本文仅考虑埋设方式的海缆保护对DAS 听声的影响。海缆埋设保护初始深度设定为0.6 m，未考虑海床底质条件和其他各种可能的环境灾害。近年来，一般工程上采用的埋设深度已增至1.0～1.5 m，在渔业活动区的埋设深度通常为3.0 m，在航运繁忙区的埋设深度甚至达到了5.0～10.0 m[6]。目前海缆埋设施工方法主要有开挖法、冲埋法、刀犁法、水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）冲埋法、微控定向法等，各埋设施工方法相应的埋设深度和适合的水深见表1[7]。

表1 各埋设施工方法相应的埋设深度和适合的水深

掩埋覆盖是松质的，掩埋后是否完全覆盖是不确定的。施工后采用侧扫声呐进行海缆铺设良好性检测就很有必要，这个检测结果也可以作为后续在海缆上应用DAS 进行监测的考虑因素。

2.2.3 海底地质的影响

海底的地质条件对海洋声学影响也较大，包括浅层气、滑坡、断层、陡坎、潮流沙脊、活动沙波。不具有活动能力的限制性地质条件，或称被动性地质灾害，它们本身不具有直接的破坏性，但对海底工程具有潜在威胁，包括埋藏古河道、埋藏三角洲前缘、凹凸地、浅滩、非移动沙波和沙丘等[8]。不同的地质条件其声学地层特征是不一致的。

2.3 DAS 设备自身的测量约束

从DAS 设备来看，DAS 设备监测距离、声音采样频率、灵敏度等影响海洋噪音的监测。

常规的DAS 设备其监测距离与声音采样频率是成反比的，光从激光器发送到传感光纤末端再返回来到探测器的时间t=2Lcn（L为传感光纤长度，c为真空中光速，n为光纤的折射率）。为了使不同时间发射的光产生的后向瑞利散射信号不会在探测器出发生混叠，因此发射脉冲光的重复周期要大于t。传感光纤上同一点的振动在不同的重复周期内被探测到的信号序列即为该点的振动采样信息。取n=1.467（参考长飞单模光纤1550 nm 对应的折射率），c=299 792 458 m/s。当L=10 000 m 时，t=0.000 978 7 s。因此10 km 长的传感光纤所能达到的振动采样率约为10 kSPS；50 km 长的传感光纤所能达到的采样率约为2 kSPS。

DAS 应用于海缆的灵敏度测试见日本的Hiroyuki Matsumoto 的实验，其实验对比了（图2）应用OBS51 型水听器和应用DAS 技术通过海缆测试气炮和环境噪音的信号[1]。

图2 DAS 与水听器灵敏度比对图

3 DAS 结合实际海缆测量海洋背景音

为了验证采用海上风电场景下的海底电缆背景音测试效果，采用已知路径的海底电缆监听不同位置的声音，观察与实际路径是否相符。

通过对距离使用DAS 内部计算距离位移偏差进行标定，DAS 设备接入光缆出口在170 m 处，因此实验图中的坐标位置代表的实际距离为（x-170）m。分别选取坐标200（实际30 m）、坐标1000（实际830 m）、坐标1500（实际1330 m）、坐标2000（实际1830 m）的几个点进行初步声音监听，并与实际环境背景音对比。在坐标200 处，单点实时音频见图3。上图是该时刻音频（采样率为2 kHz，图中表示了2 s 的数据），下图的曲线表示了该时刻的声音频谱图。从频谱图中可以看出，在200 Hz左右位置，具有较为明显的强度增强，经过与实际位置环境对比，该位置处于机房内，光纤尚未正式进入海缆中，各种设备的散热风扇引起的低频噪音较为明显，确定是这些低频噪音引起的信号变化。通过音箱外放实际判定，与实际环境位置相符。

图3 坐标200 处音频和频谱

在坐标1000，单点实时音频见图4。从音频中可以看出，波形起伏较为明显。从频谱中可以看出，整体强度较坐标200 位置明显变大，尤其在50 Hz以下的低频区域，谱线抬升现象较为突出。使用音箱外放进行声音判断，可以听到微弱的海浪声音。

图4 坐标1000 处音频和频谱

与实际位置环境对比，坐标1000 处在海边的地埋沙土内，沙土湿润，测试时刻处于落潮时，该位置尚无法被海浪波及。经过分析，该位置监听到通过湿润沙地传过来的声音正确的。DAS 设备监听到的结果是符合实际环境的。

在坐标1500 处，单点实时音频图见图5。在这个位置，音频波形起伏很大，通过音箱外放，可以听出非常明显的波浪声音。从频谱图上，可以看出，在10 Hz 以下的信号强度很大。海浪声时域信号的包络面，近似一个简谐波。海浪声的特征频率比较固定，在0.6 Hz 左右，雷声和机械撞击声的频率范围主要集中在5～1000 Hz 之间[4]。实验时间段内未有雷声发生，DAS 监测的结果符合海浪的低频特性结果。经过实际场景勘察，坐标1500 的位置已经处于海边，海浪起伏能够经过海缆上方，DAS 测量结果与实际场景相符。

图5 坐标1500 处音频和频谱

在坐标2000 处，单点实时音频图见图6。在这个位置，可以听到连续不断的海浪声音，频谱图中10 Hz 以下区域的信号好强度大。经过分析，这些信号应该是海浪波和海浪破碎的机械波相叠加而来。经过实际场景勘察，坐标2000 位置已经进入海面，水深较浅（<5 m），海浪连绵不绝。DAS测量结果与实际场景相符。

图6 坐标2000 处音频和频谱

4 结论

本文使用真实海底光电复合缆结合DAS 技术能够听到清晰的海浪声，因此对于比海浪声音大的水下信号（如海缆扰动、海底地震、大型船只噪音）本文方法也能够正确测量。与此同时我们也发现当事件激发信号较小时（接近或者小于海浪声音时），直接通过海缆方式监测到的信号非常微弱，必须通过后续的信号处理方法来解决。

为了进一步确定DAS 结合海缆的监测能力，需要在以下几个方面做进一步工作：应用换能器作为标准信号源，对不同水深、不同位置的海缆监测能力进行标定；针对几种特定结构形式的海缆进行仿真和验证其信号衰减程度；针对特定船只，测量海缆监测船只噪声能力；强化信号处理能力，提高信号提取和甄别能力。今后，应用DAS 结合海缆进行海洋环境噪音和水中目标状态监测是海洋监测领域的重要应用方向。