一种全海深海水压力分布监测方法和装置与流程

1.本发明涉及液体压力监测和光纤传感测量技术，尤其涉及一种全海深海水压力分布监测方法和装置。


背景技术：

2.海洋环境多变，海水经常处于不稳定状态。潜艇在大洋中航行，不但有暗礁、山峰、暗流，还有海中断崖和内波两种潜在威胁。受温度、盐分等多种因素影响，有些地方海水垂直密度呈负梯度变化，上层密度大，下层密度小，形成液体断崖，俗称“海中断崖”。除此之外，稳定的密度跃变层之间，受大气压、地震及潜艇、船舶等外力扰动，还会产生内波。内波和表面波本质相同，只是海面波浪发生在水与空气之间，内波发生在不同密度的水层之间。内波的规模更大，波幅从几十米到几百米，波长从几百米到上万米。
3.随着海洋开发活动的不断增加，在海底工作运行的装置越来越多，对海底环境状态的关注度也越来越高，目前目前已有的海流测量技术包括漂浮法、机械式、电磁感应式、声学式和雷达遥感等方法。尚无可以实现全海深海水压力分布监测的方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种全海深海水压力分布监测方法和装置，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
5.根据本发明实施例的第一方面，提供一种全海深海水压力分布监测方法，包括：确定传感光纤的基础参数；根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备监测传感光缆的光纤布里渊频移；根据确定的传感光纤基础参数和光纤布里渊频移，对传感光纤的分布式数据进行空间对准。
6.可选的，将传感光缆布放到海里，根据获取的基础参数，所述采用分布式光纤布里渊解调设备，实时监测传感光缆中传感光纤的光纤布里渊频移的步骤，包括：将传感光缆布放到海里，根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备，实时监测传感光缆中传感光纤的光纤布里渊频移。
7.可选的，所述对传感光纤的分布式数据进行空间对准的步骤，包括：将传感光纤不同海深的布里渊频移信号采用空间对准算法进行空间对准，利用两根传感光纤不同的压力系数和温度系数，计算出不同海深处的海水压力和温度。
8.可选的，所述将传感光纤不同海深的布里渊频移信号采用空间对准算法进行空间对准，包括：指将监测到的信号按光纤长度排列，剔除掉海面以上的光纤信号，以及在锚体内的过渡光纤信号后，剩下的光纤信号即是传感光纤测量海水压力的有用信号，将按照光纤长度监测到的两根传感光纤信号变换为对应海水深度方式进行排列，实现光纤信号在海水深度上的对应。
9.可选的，所述两根传感光纤通过所述分布式光纤布里渊解调设备采集的原始数据
为对应测量海水深度范围的数据为：
10.第一传感光纤：
11.第二传感光纤：
12.根据本发明实施例的第二方面，提供一种全海深海水压力分布监测装置，包括：参数模块，用于确定传感光纤的基础参数；监测模块，用于根据参数模块获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备监测传感光缆的光纤布里渊频移；空间对准模块，用于根据确定的传感光纤基础参数和光纤布里渊频移，对传感光纤的分布式数据进行空间对准。
13.可选的，所述监测模块，具体用于将传感光缆布放到海里，根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备，实时监测传感光缆中传感光纤的光纤布里渊频移。
14.可选的，所述空间对准模块，具体用于将传感光纤不同海深的布里渊频移信号采用空间对准算法进行空间对准，利用两根传感光纤不同的压力系数和温度系数，计算出不同海深处的海水压力和温度。
15.可选的，所述空间对准模块，具体包括：排列模块；所述排列模块，用于将监测到的信号按光纤长度排列，剔除掉海面以上的光纤信号，以及在锚体内的过渡光纤信号后，剩下的光纤信号即是传感光纤测量海水压力的有用信号，将按照光纤长度监测到的两根传感光纤信号变换为对应海水深度方式进行排列，实现光纤信号在海水深度上的对应。
16.可选的，所述两根传感光纤采集的原始数据为对应测量海水深度范围的数据为：
17.第一传感光纤：
18.第二传感光纤：
19.本发明实施例的创新点包括：
20.1、本发明提出的一种全海深海水压力分布监测方法和装置，相比现有技术，监测距离长，可以达到几十公里，并可以实时进行监测，能够实现实时全海深海水压力的分布监测。是本发明实施例的创新点之一。
21.2、本发明提出的一种全海深海水压力分布监测方法和装置，相比现有技术，本发明提出的用于全海深海水压力分布监测装置结构简单，在水下不需要单独供电和通讯，易于实施。是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
22.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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明中的全海深海流分布的监测方法的处理流程示意图；
24.图2为本发明中传感光缆基本结构示意图；
25.图3为本发明提出的全海深海水压力监测方法应用示意图；
26.图4为锚体内光纤接续设备示意图；
27.图5为本发明中光纤长度示意图；
28.图6为本发明的一种全海深海水压力分布监测装置示意图。
具体实施方式
29.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付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。
30.需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、方法及装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
31.本发明提供了一种全海深海水压力分布监测方法和装置，针对尚无可以实现全海深海水压力分布监测的方案的现状，利用两种不同结构的传感光纤构成的传感光缆，通过分布式传感技术的长距离监测优势，实现全海深范围内海水压力分布的实时监测。该方法的优势在于结构简单，在水下不需要单独供电和通讯，易于实施，监测距离长，可以实现全海深的海水压力监测，并可以进行实时在线长时间监测。参考图1，图1为本发明中的全海深海流分布的监测方法的处理流程示意图。如图1所示，全海深海流分布的监测方法的处理流程如下：
32.步骤101，获取传感光纤的基础参数。
33.在本步骤中，在实验室内通过水压试验和温度实验对传感光纤的基础参数进行校准。
34.具体的，所述基础参数包括压力系数和温度系数。
35.可选的，第一，将第一传感光纤和第二传感光纤置于加压装置，通过所述加压装置进行不同水压的试验，计算出第一传感光纤和第二传感光纤的压力系数c
p
，记为c
1p
和c
2p
；第二，通过改变传感光纤温度，测量第一传感光纤和第二传感光纤的温度系数c
t
，记为c
1t
和c
2t
。
36.需要说明的是，上述“第一”步骤和“第二”步骤不限制执行顺序。
37.步骤102，根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备监测传感光缆的光纤布里渊频移。
38.在本步骤中，将传感光缆布放到海里，根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备，实时监测传感光缆中传感光纤的光纤布里渊频移。
39.具体的，所述传感光缆，可以参考图2，图2为本发明中传感光缆基本结构示意图。如图2所示，传感光缆包括：第一传感光纤1、第二传感光纤2、第一涂覆层3、第一紧包层4、纤
芯5、波导层6、第二涂覆层7、第二紧包层8、保护套9和传感光缆11。
40.可选的，第一传感光纤1和第二传感光纤2在保护套9内自由放置，光纤外的保护套9用于保护传感光纤。
41.可选的，在保护套9上设置有至少一个通透孔，相邻的所述通透孔间隔预设的第一距离，所述通透孔用于让海水自由进入保护套内，使得所述第一传感光纤1和所述第二传感光纤2直接承受海水压力。
42.优选的，所述第一距离可以为10-30米，更优的，第一距离为15米。
43.需要说明的是，所述第一传感光纤1表面设置有第一涂覆层3，第一涂覆层3上设置有第一紧包层4；所述第二传感光纤2表面设置有第二涂覆层7，第二涂覆层7上设置有第二紧包层8；所述第一涂覆层3与所述第二涂覆层7的材料和/或厚度不同，和/或，所述第一紧包层4与所述第二紧包层8的材料和/或厚度不同，使得第一传感光纤1和第二传感光纤2的压力系数和温度系数具有比较大的差异。
44.需要说明的是，根据获取的基础参数，测算所述布里渊频移，其中，光纤布里渊频移与压力和温度呈线性关系，可以表示为公式(1)：
45.ν＝c
p
*p c
t
*δt ν0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
46.其中，ν表示光纤布里渊频移，c
p
表示光纤压力系数，p表示水中压力，c
t
表示光纤温度系数，δt表示水中温度，ν0表示在零水压和基准温度为情况下的初始光纤布里渊频移。
47.具体的，测量两根光纤在零水压和基准温度情况下的初始布里渊频移，记为ν
01
和ν
02
。
48.步骤102，根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备监测传感光缆的光纤布里渊频移。
49.需要说明的是，所述采用分布式光纤布里渊解调设备监测传感光缆的光纤布里渊频移，可以参考图3，图3为本发明提出的全海深海水压力监测方法应用示意图。如图3所示，全海深海水压力监测方法的应用装置包括：锚体10、传感光缆11、绕缆盘12、分布式光纤布里渊解调设备13和海上平台14。
50.具体的，所述分布式光纤布里渊解调设备13安置于海上平台14上，并与绕缆盘12连接，传感光缆11一端连接绕缆盘12，另一端连接于锚体10，所述锚体10用于压重，以保持传感光缆11在海水中能够垂直竖立，同时保证传感光缆11在可承受的安全拉力范围内。
51.可选的，所述分布式光纤布里渊解调设备13，可以采用布里渊光时域反射技术(botdr)或者是布里渊光时域分析技术(botda)，其中botdr与第一传感光纤1或第二传感光纤2中的一根传感光纤连接；botda与传感光缆的第一传感光纤1和第二传感光纤2连接形成环路。
52.需要说明的是，所述botdr和botda的设备图可以参考图4，图4为锚体内光纤接续设备示意图。如图4所示，锚体内光纤接续包括：锚体10和过渡光纤15。
53.具体的，所述锚体内光纤接续方式可以为r设备、a设备或者双路r设备，其中，所述r设备采用botdr技术由光纤传感解调设备12与传感光缆11连接，具体为和第一传感光纤1或第二传感光纤2中的一根传感光纤连接，锚体10内空，包含有若干长度的过渡光纤15，所述过渡光纤15将两根传感光纤的深水端连接起来，使得两根传感光纤形成一个光路。
54.具体的，所述a设备采用botda技术由光纤传感解调设备12与传感光缆11的第一传
感光纤1和第二传感光纤2连接形成环路，其中，锚体10内空，包含有若干长度的过渡光纤15，所述过渡光纤15将两根传感光纤的深水端连接起来，使得两根传感光纤形成环路。
55.具体的，所述双路r设备，采用botdr技术由光纤传感解调设备12与第一传感光纤1和第二传感光纤2分别连接。
56.步骤103，根据确定的传感光纤基础参数和光纤布里渊频移，对传感光纤的分布式数据进行空间对准。
57.在本步骤中，根据步骤101确定的传感光纤压力系数、温度系数和布里渊频移，将传感光缆11放至水下，启动光纤传感解调设备12，开始采集数据，将两根传感光纤不同海深的布里渊频移信号采用空间对准算法进行空间对准，利用两根传感光纤不同的压力系数和温度系数，计算出不同海深处的海水压力p(z)和温度t(z)。
58.需要说明的是，所述的空间对准算法是指将监测到的信号按光纤长度排列，剔除掉海面以上的光纤信号，以及在锚体内的过渡光纤信号后，剩下的光纤信号即是两个传感光纤测量海水压力的有用信号，将按照光纤长度监测到的两根传感光纤信号变换为对应海水深度方式进行排列，实现两根光纤信号在海水深度上的对应。
59.在本步骤中，可以参考图5，图5为本发明中光纤长度示意图。如图5所示，光纤长度假设被测海深为h，确定光缆总长度l。l应该包括两根传感光纤从海面到设备的长度l1和l2，以及锚体内的过渡光纤15长度l0。
60.l＝2h l1 l2 l0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
61.根据所述光纤传感解调设备12采集的原始数据为对应测量海水深度范围的数据为：
62.第一传感光纤：
63.第二传感光纤：
64.令同时将第二传感光纤的数据逆序排列，令
65.则ν1(z)和ν2(z)成为对应相同海水深度z的两组数据，可以进行后续计算。
66.其中ν1(z)，z从0到h；ν2(z)，z从h到0。
67.在本步骤中，根据步骤101所得到的传感光纤的压力系数、温度系数和布里渊频移，计算传感光缆所处每个海深z处的海水压力和温度。
68.需要说明的是，两根传感光纤在相同海水深度z时处于同一位置，可以认为其海水压力p(z)和温度t(z)＝t0 δt(z)一样，所以有如下公式(3)和公式(4)组成的方程组：
69.ν1(z)＝c
1p
*p(z) c
1t
*δt(z) ν
01
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
70.ν2(z)＝c
2p
*p(z) c
2t
*δt(z) ν
02
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
71.具体的，通过解上述方程组，可以计算得到在海深z处的海水压力p如下公式(5)和温度t如下公式(6)：
72.p(z)＝[(ν1(z)-ν
01
)*c
2t-(ν2(z)-ν
02
)*c
1t
]/(c
1p
*c
2t
–c2p
*c
1t
)
ꢀꢀ
(5)
[0073]
t(z)＝[(ν1(z)-ν
01
)*c
2p-(ν2(z)-ν
02
)*c
1p
]/(c
1t
*c
2p
–c2t
*c
1p
) t0ꢀꢀ
(6)
[0074]
对z从0至海深h处的每个点进行计算，就可以得到从海面到海深h处的压力和温度分布。
[0075]
可见，本发明方法监测距离可以达到几十公里，并可以实时进行监测，能够实现实时全海深海水压力的分布监测，为海洋水文观测提供重要数据来源。
[0076]
本发明提出了一种全海深海水压力分布监测装置，可以参考图6，图6为本发明的一种全海深海水压力分布监测装置示意图。如图6所示，全海深海水压力分布监测装置60，包括：参数模块601、监测模块602、空间对准模块603和排列模块604。
[0077]
具体的，所述参数模块601，用于确定传感光纤的基础参数；
[0078]
所述监测模块602，用于根据参数模块获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备监测传感光缆的光纤布里渊频移；
[0079]
所述空间对准模块603，用于根据确定的传感光纤基础参数和光纤布里渊频移，对传感光纤的分布式数据进行空间对准。
[0080]
可选的，所述监测模块602，具体用于将传感光缆布放到海里，根据获取的基础参数，采用分布式光纤布里渊解调设备，实时监测传感光缆中传感光纤的光纤布里渊频移。
[0081]
可选的，所述空间对准模块603，具体用于将传感光纤不同海深的布里渊频移信号采用空间对准算法进行空间对准，利用两根传感光纤不同的压力系数和温度系数，计算出不同海深处的海水压力和温度。
[0082]
可选的，所述空间对准模块603，具体包括：排列模块604；所述排列模块，用于将监测到的信号按光纤长度排列，剔除掉海面以上的光纤信号，以及在锚体内的过渡光纤信号后，剩下的光纤信号即是传感光纤测量海水压力的有用信号，将按照光纤长度监测到的两根传感光纤信号变换为对应海水深度方式进行排列，实现光纤信号在海水深度上的对应。
[0083]
可选的，所述两根传感光纤采集的原始数据为对应测量海水深度范围的数据为：
[0084]
第一传感光纤：
[0085]
第二传感光纤：
[0086]
可见，本发明装置监测距离可以达到几十公里，并可以实时进行监测，能够实现实时全海深海水压力的分布监测，为海洋水文观测提供重要数据来源。
[0087]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0088]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。