潮科技 | 光纤激光水听器研究进展

同年，通过对声学共振腔的改进设计，Zhang等提出了具有带通滤波功能的光纤激光水听器(图8)，这在水听器领域具有很大的实用价值。如图9所示，，它的频率响应具有明显的带通滤波特点，可以在100～400Hz形成平坦的响应。

图8 具有带通滤波特点的光纤激光水听器

图9 带通光纤激光水听器频响结果

⒉ 光纤激光矢量水听器

声场除了声压大小的标量信息，还包括声矢量信息，即声压梯度、质点振速、质点加速度等，可以探测这些声矢量参数的水听器统称为矢量水听器。矢量水听器的重要应用之一就是低频目标定位。军事上，随着目标频率的降低，所要求的声压水听器阵列尺寸会急剧增大，当目标频率为10Hz以下时，用到的标量水听器阵列就须长达数百米甚至上千米。尤其在浅海探测时，地形和水深的限制下阵列尺寸越大就会给工程带来越大的困难。矢量水听器具有单元定向、线阵列定位的特点，在水声工程领域具有良好的应用前景，是20世纪80年代以来水声领域的研究热点之一。

中国科学院半导体研究所主要开展了基于光纤激光器的同振型质点加速度矢量水听器的研究。通过光纤激光加速度计来测量声场中质点的振动加速度。采用适当的悬挂系统使矢量水听器在声场中与质点保持“同振”。2011年，马睿等先后报道了基于“V”型曲折梁结构的二维细长型光纤激光矢量水听器(图10)。

图10 二维光纤激光矢量水听器结构

基于“V”型曲折梁的高灵敏度换能结构，根据弹性力学与振动理论给出了该结构的灵敏度和谐振频率，并与现有的一些结构进行了对比，归纳出影响灵敏度与谐振频率的关键因素，探讨了在不降低谐振频率的前提下提高灵敏度的方法。建立了该曲折梁结构的三维有限元仿真模型。由仿真得出，该结构的光纤激光矢量水听器在250Hz的谐振频率下可达81.3pm/g的灵敏度。二维矢量水听器的实验测试结果显示，它在x、y两个方向上获得的加速度灵敏度分别为39.2pm/g和53.2pm/g，指向性响应超过20dB。

2012年，Zhang等首次详细报道了三维细长型光纤激光矢量水听器，如图11所示。外径小于5cm，通过对各矢量方向的测试，该传感器的指向性响应超过30dB(图12)。此种结构传感器具有细长型、光路简单、易成阵、指向性好等优点，具有较高的实用价值。

图11 三维光纤激光矢量水听器

图12 矢量水听器周向指向性测试结果(x和y方向)

⒊ 光纤激光水听器阵列技术

2007年起，半导体研究所课题组逐渐开展光纤激光水听器(标量)阵列技术的研究，主要围绕三个方面进行：水听器的一致性问题；阵列的功率均衡问题；光纤激光水听器的成阵工艺。首要攻克的难题是传感器频响一致性及相位一致性控制。进行了大批量的封装试验(图13)，经过多次的结构优化和封装工艺的不断完善，目前的光纤激光水听器小批量(20支)灵敏度差异小于3dB，单支水听器自身频响优于±1.5dB(图14)，相频一致性优于 5°，单支水听器自身同频点相位长期稳定性优于2°(图15)。

图13 光纤激光水听器批量封装

图14 同一批次光纤激光水听器频率响应

图15 光纤激光水听器相频响应测试结果

不同，因此激射光功率也会有差异，这就会影响单根光纤串联水听器的数目。早在2008年，课题组就实现了16元光纤激光器的串联复用。然而，要想制成光纤激光水听器阵缆，功率均衡是重要的评价指标之一。由于光纤激光器制作工艺的差异性、传感器封装过程中光功率损耗的随机性，以及次序匹配、熔接损耗等因素影响，随机串联的8元光纤激光水听器阵列的最大功率差异可达到15～20dB。过大的光功率差异对解调结果的准度及各通道动态范围是有影响的。所以，通过长期对光纤激光器制作工艺、光纤水听器封装工艺及串联熔接工艺的摸索和改进，现制成8元光纤激光水听器阵缆最大功率差异小于5dB(图16)，这样的功率差异性在实际应用中就几乎没有影响了。

图16 8元光纤激光水听器阵缆激射光谱

一个光纤激光水听器湿端缆结构通常包括水声传感段及前后减振段，如图17所示。水听器设置在水声传感段，外套为PU管，内部利用支撑件等间距固定水听器。缆内充油，一则为了保障透声性，二则调整缆密度与水密度近似。水声传感段前后分别设有前减振段和后减振段，防止水听器阵缆在拖曳过程中的大幅抖动，保障水声传感段平直滑行。

图17 光纤激光水听器阵缆结构原理图

目前，课题组已经研制的光纤激光水听器阵列为64元，道间距1～5 m，阵列外径小于30mm，阵列噪声小于55dB(ref：1μPa/√Hz@1kHz)。

⒋ 光纤激光水听器及阵列外场试验

（编辑：核心网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!