CN103134581A - 推挽式光纤激光矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种推挽式光纤激光矢量水听器，涉及光纤传感器技术领域，包括：两个线型腔光纤激光器，两个镂空鼓状光纤激光传感器基元增敏结构，质量块和刚性壳外壳及两个端盖。两个线型腔光纤激光器谐振腔为串联式，分别封装在两个镂空鼓状增敏结构中，用于获得高的灵敏度和平坦的加速度频率响应；两个增敏结构共用一个质量块，受到声压所导致的质点加速度作用时，由于惯性作用，质量块对一个激光谐振腔进行压缩的同时导致另一个激光谐振腔伸长，形成推挽式结构。本发明可实现灵敏度高、频率响应平坦、正交轴向串扰和本底噪声极低的一维光纤激光矢量水听器，通过进一步组合封装，还可实现多维光纤激光矢量水听器。

Description

推挽式光纤激光矢量水听器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种光纤激光矢量水听器。

背景技术

光纤矢量水听器是水下声纳系统的重要研究前沿之一，在水下油气勘探、地震波检测等领域具有广阔的应用前景。与阵元数目相同的标量水听器阵列相比，光纤矢量水听器阵列的输出本身已蕴含了空间目标的方向信息，在提高信噪比、改善目标的定位精度、增大基阵的孔径、减小阵列尺寸和重量等方面具有突出优势。但由于光纤矢量水听器的探测基元包括了三个振速传感部分，探测基元的外径尺寸往往远大于标量声压探测基元，导致光纤矢量水听器阵列的外径远大于标量光纤水听器阵列，相应的安装、收发等装置的体积和复杂性也随之增加。为适应实际应用的需要，光纤矢量水听器的阵列规模不得不减小，最终导致系统无法充分发挥出矢量探测的巨大优势。目前技术最为成熟的基于耦合器的干涉型光纤矢量水听器外径尺寸已经减小到

以下，但受到光学结构本质的限制，进一步减小其外径尺寸非常困难，且小型化会导致灵敏度下降、成阵工程技术难度增加等问题。一些基于光纤F-P腔、在线式光纤干涉仪等新传感机理的光纤矢量水听器逐渐成为研究的重点和热点，但目前系统的噪声难以达到与基于耦合器的干涉型光纤矢量水听器相当的水平。

光纤激光矢量水听器的传感基元为分布反馈式（Distributed Feedback，DFB）或分布布拉格反射式（Distributed Feedback Reflector，DBR）光纤激光谐振腔。这两种光纤谐振腔都属于长度很短的线型腔，由于谐振腔对外界的干扰非常敏感，光纤激光探测的灵敏度非常高，且灵敏度不会随着传感基元的微型化而降低，能够实现高灵敏度的微型矢量探测基元。光纤激光矢量水听器的光学结构本质仍然是高相干激光光源和非平衡光纤干涉仪构成的光学相干检测系统，与基于耦合器的干涉型光纤矢量探测系统完全相同，因此更有可能达到与基于耦合器的干涉型光纤矢量水听器相当的水平。光纤激光传感基元具有天然良好的波分复用性能，光纤激光矢量水听器阵列中不包含任何多余的光学器件和光纤熔接点，不仅提高了系统可靠性，还避免引入其它多余的阵列组件来收纳光学器件和光纤熔接点，阵列的体积和重量达到最小。

光纤激光传感技术研究始于1995年前后，并迅速应用于标量水听器研究，从2009年起，基于光纤激光传感的矢量水听器研究工作逐步展开。文献“AFibre Laser Acoustic Vector Sensor”（Proc.SPIE,2009,Vol.7503,paper750329）和文献“Fiber laser sensors:Enabling the next generation of miniaturized,wideband marine sensors”（Proc.SPIE,2011,Vol.8028,paper802801）分别报道了两种基于悬臂梁封装的一维DFB光纤激光矢量水听器。专利“基于超短腔光纤激光器的光纤加速度传感器”（专利公开号CN101261281A）、专利“光纤激光加速度传感器”（专利公开号CN101398440A）和专利“光纤激光矢量水听器”（专利公开号CN101726354A）分别报道了基于悬臂梁和支撑筒封装的光纤激光加速度传感器以及球形光纤激光矢量水听器。文献“Investigation onberlaser vector hydrophone:theory and experiment”（Proc.of SPIE,2010，Vol.7544,paper754443）和文献“Fiberlaser vector hydrophone:theory and experiment”（Proc.ofSPIE,2011，Vol.7753,paper77533D-1）再次报道了球形光纤激光矢量水听器。文献“Two-Axis Slim Fiber Laser Vector Hydrophone”（IEEE PhotonicsTechnology Letters,2011,23(6):335-337）、文献“High Performance UltrathinFiber Laser Vector Hydrophone”（Journal of Lightwave Technology,2012,30(8):1196-1200）和文献“Ultrathin fiber laser vector hydrophone”（Proc.of SPIE,2011，Vol.7753,paper775337）还报道了一种基于V形梁封装的细长型三维光纤激光矢量水听器。

尽管光纤激光矢量水听器在小型化、低噪声等指标上具有潜在优势，特别适合发展超细矢量水听器阵列，但由于其传感基元是长度仅为几个厘米的线型激光谐振腔，其封装工艺受到限制，常规的光纤缠绕、弹性涂敷等手段都会导致线型光纤激光谐振腔噪声增加或者完全失效。在基于耦合器的干涉型光纤矢量水听器研究领域，推挽式封装结构被证明是增敏、降低轴向串扰和降噪的有效手段，但因为光纤激光传感器待封装的光纤太短，且对激光谐振腔进行推挽会导致激光谐振腔输出紊乱，导致推挽式结构难以应用到光纤激光矢量传感设计上。因此目前光纤激光矢量水听器的主要设计思路为悬臂梁与质量块相结合的结构，仅能实现初步的增敏功能，其正交轴的交叉串扰远大于基于耦合器的干涉型光纤矢量水听器，不仅会导致噪声的提升，更会影响对目标的定位精度，不能完全体现出光纤激光矢量水听器的优势。

发明内容

为解决上述光纤激光矢量水听器中存在的正交轴向交叉串扰和增敏封装的问题，本发明提供一种推挽式光纤激光矢量水听器，旨在提高光纤激光矢量水听器的灵敏度，降低正交轴的交叉串扰，降低系统噪声，实现稳定的加速度信号输出。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种推挽式光纤激光矢量水听器，包括两个线型腔光纤激光器，两个光纤激光传感器基元增敏结构，质量块和刚性壳；每个线型腔光纤激光器分别封装在对应的光纤激光传感器基元增敏结构之中，两个线型腔光纤激光器之间通过单模光纤连接；所述质量块设置在两个线型腔光纤激光器之间，用于产生惯性力，使所述光纤激光传感器基元增敏结构产生变形，所述质量块的中心设有供单模光纤通过的小孔；所述刚性壳包括刚性壳外壳、第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和第二端盖中心均开有小孔，分别引出两个线型腔光纤激光器的尾纤。

优选地，所述光纤激光传感器基元增敏结构为中间半径大两端半径小的鼓状柱壳，并且柱面上每隔一定角度进行镂空处理，形成若干个金属片和镂空部分周期分布的结构。

优选地，所述质量块与两个光纤激光传感器基元增敏结构采用同种金属材料一次性加工成型或者所述质量块与两个光纤激光传感器基元增敏结构采用不同的金属材料并通过粘性胶粘合在一起。

优选地，所述刚性壳外壳为圆柱形，所述第一端盖和第二端盖分别采用粘性胶与所述刚性壳外壳粘合在一起，所述第一端盖和第二端盖的中心处设置有与两个光纤激光传感器基元增敏结构端口适配的空孔，在所述空孔处采用粘性胶进行粘合。

优选地，所述单模光纤采用粘性胶直接固定在所述质量块、第一端盖和第二端盖对应的小孔中，或者通过毛细钢管保护方式间接固定在所述小孔中。

优选地，所述粘性胶是环氧胶。

优选地，所述线型腔光纤激光器为分布反馈式光纤激光器或分布布拉格反射式光纤激光器。

优选地，所述线型腔光纤激光器的输出波长位于C波段。

优选地，所述线型腔光纤激光器的有源光纤为掺铒光纤或铒镱共掺光纤或铒铋共掺光纤。

本发明还提供了一种多维光纤激光矢量水听器，包括将若干个上述的推挽式光纤激光矢量水听器通过进一步组合封装，可实现多维光纤激光矢量水听器。

本发明所述线型腔光纤激光器，其特征参数，如有源光纤的折射率、长度、光栅的反射率、长度等，可根据应用实际选定。

本发明的技术效果在于：通过双腔推挽封装结构，实现光纤激光矢量水听器的灵敏度加倍、正交轴向串扰和双腔共有的系统噪声相抵消的效果，再通过采用镂空的鼓状增敏结构，使每个光纤激光谐振腔输出稳定的高灵敏度传感信号，最终获得高灵敏度、低噪声的光纤激光矢量水听器基元。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中光纤激光传感器基元增敏结构的结构图；

其中11和12分别为两个线型腔光纤激光器，21和22分别为两个光纤激光传感器基元增敏结构，3为质量块，31为质量块小孔，4为刚性壳，41为刚性壳外壳，42和43分别为第一端盖和第二端盖，44和45分别为第一端盖和第二端盖上开设的小孔，5为单模光纤；201为金属片，202为镂空部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明包括：两个线型腔光纤激光器11、12，两个镂空鼓状光纤激光传感器基元增敏结构21、22，质量块3和刚性壳4。两个线型腔光纤激光器11、12为串联式，分别封装在两个镂空鼓状增敏结构21、22中，用于获得高的灵敏度和平坦的加速度频率响应，且两个线型腔光纤激光器11、12通过单模光纤连接；质量块3位于两个线型腔光纤激光器11、12之间，质量块3的中心开有小孔31以便光纤5通过。整个装置通过刚性壳4进行保护封装，刚性壳4分为三个部分：圆柱形刚性壳外壳41和两端的刚性第一端盖42和第二端盖43，刚性盖42、43采用粘性胶与圆柱形外壳41粘合在一起。刚性盖42、43中间为与镂空鼓状增敏结构21、22端口适配的空孔，采用粘性胶与镂空鼓状增敏结构粘合在一起。刚性壳4的第一端盖42和第二端盖43中心开孔（图中表示为44、45），引出光纤激光器的尾纤。

图2所示为本发明中光纤激光传感器基元增敏结构的结构图。光纤激光传感器基元增敏结构21、22为中间半径大两端半径小的鼓状柱壳，并且柱面上每隔一定角度进行镂空处理，形成若干个金属片201和镂空部分202周期分布的结构。

本发明中质量块3可以与镂空鼓状光纤激光传感增敏结构21、22采用同种金属材料一次性加工成型，还可以采用不同的金属材料通过粘性胶粘合在一起。质量块3与第一端盖42和第二端盖43中间均有光纤5穿过的小孔，在各小孔部位的光纤可以采用粘性胶直接固定在小孔中，还可以通过毛细钢管保护方式间接固定的小孔中。镂空鼓状光纤激光传感增敏结构21、22、质量块3以及刚性壳外壳41和两端的刚性第一端盖42和第二端盖43可以是同种金属材料，还可以是不同种金属材料。本发明中的粘性胶可以采用环氧胶，也可以采用任意一种能形成稳定连接的其它粘性材料。

本发明中光纤激光矢量水听器通过质量块产生惯性力，迫使镂空鼓状金属封装结构产生形变，并带动线型腔光纤激光器谐振腔长度发生变化，以实现加速度的有效传感。两个增敏结构共用一个质量块，受到声压所导致的质点加速度作用时，由于惯性作用，质量块对一个激光谐振腔进行压缩的同时导致另一个激光谐振腔伸长，形成推挽式结构；推挽结构整体封装在刚性外壳中，实现防水和保护功能。这种基于双光纤谐振腔的推挽结构可实现灵敏度高、频率响应平坦、正交轴向串扰和本底噪声极低的一维光纤激光矢量水听器，通过进一步组合封装，可实现多维光纤激光矢量水听器。

图1所示的实施例中光纤激光传感器基元增敏结构采用的是鼓状增敏封装结构，其中空的封装结构设计避免了常规材料涂敷所导致的激光谐振腔性能紊乱和噪声增加，在此之外，本领域技术人员也可以采用其他方式的增敏封装结构，如悬臂梁结构等。

本发明具体实现的原理可以表述如下：当外界水声信号作用到光纤激光矢量水听器时，受到声压所导致的质点加速度影响，线型腔光纤激光器和质量块构成弹簧-振子系统。惯性力导致质量块振动，对一个激光谐振腔进行压缩的同时导致另一个激光谐振腔伸长。线型光纤激光谐振腔的输出波长λ_B可表示为：

λ_B=2n_effΛ    （1）其中n_eff是纤芯材料的有效折射率，Λ是构成线型光纤激光谐振腔的光纤光栅的周期。当外界信号导致谐振腔伸长或者收缩时，线型光纤激光谐振腔的输出波长发生偏移。波长偏移量Δλ为：

Δλ=2ΛΔn_eff+2n_effΔΛ    （2）

上式中，Δn_eff为光纤有效折射率的改变量，ΔΛ为光栅周期的改变量。

将式(2)两边分别除以式(1)得：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}}+\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}---\left(3\right)$

从（3）式可以看出，求解声压作用下光频的偏移量要对光纤的弹性力学和弹光效应进行分析。为此，从光纤的折射率椭球出发进行求解。

光纤的折射率椭球为：

β_ijx_iy_j=1    （4）

上式中的下标为求和下标，β_ij称为介电不渗透张量，其分量代表光频下介质介电常数的倒数。折射率椭球的矢径长度代表光波振动方向所对应的折射率，即：

β_ij=1/ε_ij=1/n_ij ²    （5）

式中，ε_ij为介电张量，n_ij为光纤在某一方向上的折射率。由此，可以得到介电不渗透张量改变量Δβ_ij与折射率改变量Δn_ij之间的关系为：

${\mathrm{\Δ\β}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\Δ}\frac{1}{\left({n_{\mathrm{ij}}}^2\right)}=-\frac{2{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{ij}}}{{n_{\mathrm{ij}}}^2}---\left(6\right)$

介电不渗透张量β_ij与应变张量S_rs之间的关系为：

Δβ_ij=p_ijrsS_rs    (7）

式中p_ijrs为弹光系数，它是一无量纲的量。在各向同性光纤中，上述各变量和系数的独立元数都大为减少，这时（7）式简化为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\β}}_1\\ {\mathrm{\Δ\β}}_2\\ {\mathrm{\Δ\β}}_3\\ {\mathrm{\Δ\β}}_4\\ {\mathrm{\Δ\β}}_5\\ {\mathrm{\Δ\β}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}{p}_{11}& p_{12}& p_{12}& 0& 0& 0\\ p_{12}& p_{11}& p_{12}& 0& 0& 0\\ p_{12}& p_{12}& p_{11}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 2(p_{11}-p_{12})& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2(p_{11}-p_{12})& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 2(p_{11}-p_{12})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\\ S_3\\ S_4\\ S_5\\ S_6\end{array}\right]---\left(8\right)$

式中p_ij为简化后的光纤弹光矩阵元，ij=11,12；Δβ_i为简化后的介电不渗透张量元，S_i为简化后的应变张量矩阵元，i＝1,2,3,4,5,6。

假设光纤内部不存在剪切应变，光纤的轴向应变为ΔΛ/Λ，则光纤的应变张量为:

$S_i={\left[\begin{array}{cccccc}-{\mathrm{\μ}}_f& -{\mathrm{\μ}}_f& 1& 0& 0& 0\end{array}\right]}^T\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}---\left(9\right)$

式中μ_f是纤芯材料的泊松比，其中上标T为转置符号。

将式9代入式8可得：

${\mathrm{\Δ\β}}_1={\mathrm{\Δ\β}}_2=\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}[(1-{\mathrm{\μ}}_f)p_{12}-{\mathrm{\μ}}_f{p}_{11}]---\left(10\right)$

联立式6、10，得到光纤横向折射率的相对变化为：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{11}}{n_{11}}=-\frac{1}{2}{n_{11}}^2\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}[(1-{\mathrm{\μ}}_f)p_{12}-{\mathrm{\μ}}_f{p}_{11}]---\left(11\right)$

对于各向同性光纤，用纤芯材料的有效折射率n_eff代替n₁₁，将结果代入式3，得到：

$\mathrm{\Δ\λ}={\mathrm{\λ}}_B\·\{1-\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^2}{2}[p_{12}-{\mathrm{\μ}}_f(p_{11}+p_{12})\left]\right\}\·\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}---\left(12\right)$

对于熔融石英光纤，纤芯材料的有效折射率为n_eff＝1.456，弹光系数为p₁₁=0.121，p₁₂=0.270，泊松比为μ_f=0.17，可得：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_B}=-\frac{\mathrm{\Δv}}{v_B}\≈0.78\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}=\≈0.78\frac{\mathrm{\ΔL}}{L}---\left(11\right)$

其中ν_B为线型光纤激光谐振腔输出波长对应的频率，Δν为线型光纤激光谐振腔输出频率的改变量，L为线型光纤激光谐振腔的初始长度，ΔL为线型激光谐振腔的长度变化量。光纤激光水听器对声压的响应表现为输出激光的频率偏移，可以通过非平衡光纤干涉仪将声压作用导致的光频偏移转化为干涉仪输出的相位变化，采用相干检测方法即可解调出外界声信号。采用两臂光纤长度差为Δl的非平衡干涉仪对光纤激光矢量水听器进行解调，光纤激光矢量水听器的频率偏移转化的相位变化

为：

上式中，c为真空中的光速。

在图1所示的结构中，当受到沿x方向的声压作用时，两个线型光纤激光谐振腔在一个伸长的同时另一个压缩，故二者产生的频率偏移符号相反。将两个线型光纤激光谐振腔输出光频所导致的相位偏移相减，在两支线型光纤激光谐振腔长度相同的情况下，可得到输出相位变化量为：

上式中，ν₁和ν₂分别为两支线型光纤激光谐振腔输出的光频。可以看出同样的声压作用所导致的相位输出量为两个传感基元输出量的总和，因此灵敏度加倍。

当受到沿y轴和z轴方向的声压作用时，质量块在x方向上的位置不会发生改变，而是沿y轴或z轴产生轻微偏移，对于非推挽式结构而言，这种轻微偏移是造成正交轴向串扰的主要原因，但在图1所示的结构中，同样将两个谐振腔输出光频偏移所导致的相位变化相减，可得到：

可以看出同样的声压作用所导致的相位变化量为两个传感基元相位变化量的差，因此对于y轴和z轴的灵敏度大大降低，从而有效抑制正交串扰。

系统中其它因素所造成的相位输出，如电路噪声、光纤激光器的泵浦功率波动等，即系统噪声，对于两个线型激光谐振腔而言是相同的，与y轴和z轴传感类似，通过相减能够得到很大程度的降低，因此所设计的推挽式结构可进一步减小系统噪声。

虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型，如将光纤激光传感器的鼓状增敏封装结构用其他形式的增敏封装结构代替等。

Claims (10)

1.一种推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：包括两个线型腔光纤激光器（11；12）、两个光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）、质量块（3）和刚性壳（4）；每个线型腔光纤激光器（11；12）分别封装在对应的光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）之中，两个线型腔光纤激光器（11；12）之间通过单模光纤（5）连接；所述质量块（3）设置在两个线型腔光纤激光器（11；12）之间，用于产生惯性力，使所述光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）产生变形，所述质量块（3）的中心设有供单模光纤（5）通过的小孔（31）；所述刚性壳（4）包括刚性壳外壳（41）、第一端盖（42）和第二端盖（43），所述第一端盖（42）和第二端盖（43）中心均开有小孔（44；45），分别引出两个线型腔光纤激光器（11；12）的尾纤。

2.根据权利要求1所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）为中间半径大两端半径小的鼓状柱壳，并且柱面上每隔一定角度进行镂空处理，形成若干个金属片（201）和镂空部分（202）周期分布的结构。

3.根据权利要求1或2所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述质量块（3）与两个光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）采用同种金属材料一次性加工成型或者所述质量块（3）与两个光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）采用不同的金属材料并通过粘性胶粘合在一起。

4.根据权利要求3所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述刚性壳外壳（41）为圆柱形，所述第一端盖（42）和第二端盖（43）分别采用粘性胶与所述刚性壳外壳（41）粘合在一起，所述第一端盖（42）和第二端盖（43）的中心处设置有与两个光纤激光传感器基元增敏结构（21；22）端口适配的空孔，在所述空孔处采用粘性胶进行粘合。

5.根据权利要求4所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述单模光纤（5）采用粘性胶直接固定在所述质量块（3）、第一端盖（42）和第二端盖（43）对应的小孔（31；44；45）中，或者通过毛细钢管保护方式间接固定在所述小孔（31；44；45）中。

6.根据权利要求4或5所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述粘性胶是环氧胶。

7.根据权利要求1或2所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述线型腔光纤激光器（11；12）为分布反馈式光纤激光器或分布布拉格反射式光纤激光器。

8.根据权利要求1或2所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述线型腔光纤激光器（11；12）的输出波长位于C波段。

9.根据权利要求1或2所述的推挽式光纤激光矢量水听器，其特征在于：所述线型腔光纤激光器（11；12）的有源光纤为掺铒光纤或铒镱共掺光纤或铒铋共掺光纤。

10.一种多维光纤激光矢量水听器，其特征在于：包括若干个权利要求1或2所述的推挽式光纤激光矢量水听器。

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