[发明专利]基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置及方法

权利要求书

1.一种基于多芯光纤布里渊散射的有缆潜水器定位装置进行定位的方法，所述的有缆潜水器定位装置包括多芯光纤(8)、扇入扇出模块(9)、N个环形器(10)、多芯光纤布拉格光栅(11)、布里渊光时域反射/分析的解调仪(12)和数据处理平台(13)，所述的数据处理平台(13)与所述的解调仪(12)的控制端相连，所述的解调仪(12)有N个子输出端和N个子输入端，第i个子输出端将波长λ₁的探测光与波长为λ₂的连续光经第i光纤输入所述的第i环形器(10)第1端口(10-1)，所述的第i环形器(10)第2端口(10-2)与所述的扇入扇出模块(9)的第i扇入端口相连，该扇入扇出模块(9)的扇出端口与所述的多芯光纤(8)相连，所述的多芯光纤布拉格光栅(11)的中心波长为λ₂，且与所述的多芯光纤(8)的末端相连，所述的第i环形器(10)第3端口(10-3)与所述的解调仪(12)的第i个输入端口相连；所述的多芯光纤(8)具有N根纤芯(14)，N≥3，其中，一根纤芯位于所述的多芯光纤(8)的中心，称为中心纤芯，其余N-1根纤芯围绕该中心纤芯在多芯光纤(8)的横截面内呈中心对称分布；其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)初始化安装与定位：将母船(1)的脐带缆(3)连接有缆潜水器(2)，多芯光纤(8)内嵌于该脐带缆(3)的中央；对母船(1)的脐带缆(3)收放起始点进行定位，得到初始位置点P₀(n₀，e₀，h₀)，其中，n₀和e₀表示脐带缆(3)的收放起始点的经纬度，h₀表示脐带缆(3)的收放起始点的高度；

2)计算多芯光纤的应变矢量：

第j根纤芯(14)的布里渊频移变化量Δv_Bj与第j根纤芯(14)的总应变ε_t，j之间的关系为：

Δv_Bj＝α·v_B·ε_t，j，j＝1，2，...，N

其中，α是弯曲应变的响应系数；ε_t，j是第j根纤芯的总应变，包含温度、拉伸和弯曲等因素引起的应变之和；v_B是初始布里渊频移，表示为：

其中，n_eff，j是第j根纤芯的有效折射率；V_a是光纤中的声速；λ₁是探测光的波长；第1根纤芯是中心纤芯，位于中性层，因此第j根纤芯的弯曲应变ε_j与第j根纤芯的总应变ε_t，j的关系为：

ε_j＝ε_t，j-ε_t，1，j＝1，2，...，N

对多芯光纤(8)的横截面建立局部坐标系(u，v，w)，w为多芯光纤(8)轴向方向，外围的N-1根纤芯(14)的局部曲率矢量和ρ_app为：

其中，d_j是第j根纤芯与多芯光纤中心的距离；θ_j是第j根纤芯与多芯光纤中心连线相对于u轴正方向的夹角；和是u轴和v轴的单位矢量；

外围的N-1根纤芯局部曲率矢量和ρ_app的大小|ρ_app|为：

从而可以得到多芯光纤(8)的应变曲率ρ和应变方向θ_b为：

其中，多芯光纤(8)的应变曲率ρ与多芯光纤(8)的弯曲半径R的关系为：

3)对脐带缆进行三维重构：

从第二步中，可以知道每个探测点P_i的应变方向θ_bi，对应变方向θ_bi进行函数拟合：

θ_b(s)＝FIT{θ_b0，θ_b1，...，θ_bM}，s＝1，2，...，M

则每个探测点P_i的扭曲量κ_i为

令，为了方便计算，假设多芯光纤(8)在全局坐标系(x，y，z)中的初始位置P₀的坐标为：

再为多芯光纤(8)建立局部坐标系(T，N，B)，其中，T是曲线正切矢量，N是曲线法向量，B是曲线副法向量，T、N、B的初始值和相对关系为：

因此，在全局坐标系(x，y，z)中，有缆潜水器(2)的位置点P_M为：

其中，有缆潜水器(2)在局部坐标系(T，N，B)的位置为：

则有缆潜水器(2)的地理位置为：

其中，在CGCS2000国家大地坐标中，R_a＝6378137m为地球长半轴半径，R_b＝6356752.31414m为地球短半轴半径。