CN103674219A

CN103674219A - 一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器

Info

Publication number: CN103674219A
Application number: CN201310711632.4A
Authority: CN
Inventors: 张自丽; 金梦群; 葛辉良; 吴国军; 陈小军; 刘瑞; 倪程辉; 叶全虎
Original assignee: 715th Research Institute of CSIC
Current assignee: 715th Research Institute of CSIC
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器。该矢量水听器包括：密封外壳，用于安装和保护内部用来测量X、Y、Z三个方向的振动加速度的基于光纤光栅的一维加速度计，密封外壳；由低密度材料加工而成，满足零浮力配重要求；安装在密封外壳外部的弹性壳体和粘接在弹性壳体上的基于光纤光栅的光纤干涉仪，构成声压测量通道用来测量水中声压；基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪结构相同，分别由两根光栅和之间的传感光纤组成，两根光栅分别反射部分入射光信号；密封壳体上的开孔用于引出内部基于光纤光栅的一维加速度计的尾纤。本发明无分立光器件，有利于尺寸的小型化，在可靠性、复用技术等方面具有明显的优势。

Description

一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的矢量水听器。

背景技术

矢量水听器可用来测量声压梯度、质点振速、质点加速度等水中信号矢量场，相比声压水听器可获取更多的信息。矢量水听器构成的阵列增益高，可有效减小低频阵列的尺寸。矢量水听器在海洋声学测量、声纳浮标、水声通信等领域应用广泛。

光纤传感技术与矢量水听器技术相结合构成的光纤矢量水听器，采用光纤作为敏感元件，集成构成光路的分光、反射等光分立器件，利用外界环境对光纤内传输光的调制效应探测水中信号。常用的方案是利用光纤耦合器、反射镜、光纤等构成多个光纤干涉仪，采用光学干涉检测技术实现对水中信号矢量场和声压的测量。该光纤矢量水听器具有灵敏度易调节、不受电磁干扰、信号传输与传感一体化、易于复用等优点，但由于内部包含较多光分立器件，在尺寸方面难以小型化，安装工艺复杂。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术不足，提供一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，能同时集成三维矢量场探测通道和声压探测通道，同时进一步减少光纤矢量水听器中的分立光器件，以利于尺寸的小型化。

本发明为解决技术问题采取的技术方案：

一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，该三维矢量水听器包括：封装在密封外壳内的X、Y、Z三个方向的基于光纤光栅的一维加速度计，用来测量X、Y、Z三个方向的振动加速度；安装在密封外壳外部的弹性壳体与粘接在弹性壳体上的光纤干涉仪构成声压测量通道，用来测量水中声压；密封外壳上的开孔用于引出内部基于光纤光栅的一维加速度计的尾纤；光源输出脉冲光信号至环行器，经由光纤输入至光纤耦合器，光信号经光纤耦合器分成两部分，一部分经光纤输入至粘接在弹性壳体上的光纤干涉仪，一部分经光纤输入至基于光纤光栅的一维加速度计；时延补偿干涉仪有两臂，两臂之间存在臂长差用来产生干涉信号，臂长差由传感光纤的长度决定，两根光栅反射的两个光脉冲经时延补偿干涉仪短臂的光信号与经由时延补偿干涉仪长臂的光信号发生干涉，干涉信号的相位信息也由两根光栅之间的传感光纤决定。

作为优选，所述的三个基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪结构相同，所述的基于光纤光栅的一维加速度计包括两根光栅及其之间的传感光纤、圆形弹性片、质量块、外壳组成，传感光纤粘接在圆形弹性片上，圆形弹性片在外界振动作用下发生变形，带动粘接在上面的传感光纤发生形变，改变其中的传输光信号的相位，圆形弹性片中心位置安装质量块，质量块用来增强圆形弹性片在外界振动作用下的变形，圆形弹性片边沿与外壳紧密粘接，外壳用来对内部部件进行密封和保护。

作为优选，所述的三个基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪可通过采用时分复用技术复用至一根光纤，所有光纤干涉仪都采用同种工作波长的光栅，相邻光栅对构成光纤干涉仪，光栅对和传感光纤构成的光纤干涉仪形成声压探测通道，光栅对和传感光纤、传感光纤、传感光纤构成3个正交方向的一维加速度计，各个光纤干涉仪信号在时间上进行区分。

作为优选，所述的三个基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪可通过采用波分复用技术复用至一根光纤，所有光纤干涉仪都采用不同工作波长的光栅，相同波长光栅对和之间的传感光纤构成光纤干涉仪，光栅对和传感光纤构成的光纤干涉仪形成声压探测通道，光栅对和传感光纤、传感光纤、传感光纤构成3个正交方向的一维加速度计，光源输出包含多波长的光脉冲信号，光栅返回的光信号经时延补偿干涉仪后进入波分复用器进行解波分，对各个光纤干涉仪信号进行区分。

本发明能够带来以下有益效果：

1、本发明可实现水中三维矢量场探测和声压探测。

2、本发明不采用光分立器件，有利于尺寸的小型化。

3、本发明采用光纤光栅对和传感光纤构成干涉仪，有利于三个矢量通道和声压探测通道的复用。

附图说明

图1是本发明的矢量水听器结构示意图；

图2是基于光纤光栅的一维加速度计正视结构示意图；

图3是基于光纤光栅的一维加速度计侧视结构示意图；

图4是时延补偿干涉仪工作脉冲时序图；

图5是采用时分复用技术的矢量水听器干涉仪结构示意图；

图6是采用波分复用技术的矢量水听器干涉仪结构示意图；

附图标记说明：光源（10）、环行器（20）、光纤耦合器（30）、三维矢量水听器（40）、密封外壳（41）、弹性壳体（42）、开孔（43）、一维加速度计（44）、一维加速度计（45）、一维加速度计（46）、时延补偿干涉仪（50）、光纤（60）、光栅（61）、传感光纤（62）、传感光纤（63）、传感光纤（64）、传感光纤（65）、外壳（70）、圆形弹性片（71）、质量块（72）、波分复用器（80）。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，结合具体实施例和附图，对本发明进一步详细说明：

参见图1，为本发明提供的矢量水听器40包括：封装在密封外壳41内的X、Y、Z三个方向的基于光纤光栅的一维加速度计44～46，用来测量X、Y、Z三个方向的振动加速度。安装在密封外壳41外部的弹性壳体42将水中声压传递给粘接在弹性壳体42上的光纤干涉仪的传感臂，即传感光纤62，弹性壳体42与粘接在上面的光纤干涉仪构成声压测量通道，用来测量水中声压。密封外壳41由低密度材料或其他材料加工而成，满足三维矢量水听器40的零浮力配重要求；密封外壳41内壁开槽用来安装三个基于光纤光栅的一维加速度计44～46，满足X、Y、Z三个安装方向的正交性的要求。密封外壳41上的开孔43用于引出内部基于光纤光栅的一维加速度计44～46的尾纤。

光源10输出脉冲光信号至环行器20，经由光纤60输入至光纤耦合器30，光信号经光纤耦合器30分成两部分，一部分经光纤60输入至粘接在弹性壳体42上的光纤干涉仪，一部分经光纤60输入至基于光纤光栅的一维加速度计44。光纤耦合器30不是必须的，可通过图5和图6所示复用方式消除光纤耦合器30。两根光栅61反射部分输入光信号，经光纤60、光纤耦合器30、环形器20输出至时延补偿干涉仪50发生干涉。

参见图2、图3，基于光纤光栅的一维加速度计44～46和粘接在弹性壳体42上的光纤干涉仪结构相同，以基于光纤光栅的一维加速度计44为例：由两根光栅61和传感光纤63组成。传感光纤63粘接在圆形弹性片71上，圆形弹性片71在外界振动作用下发生变形，带动粘接在上面的传感光纤63发生形变，改变其中的传输光信号的相位。圆形弹性片71中心位置安装质量块72，质量块72的功能是增强圆形弹性片71在外界振动作用下的变形。圆形弹性片71边沿与外壳70紧密粘接，外壳70用来对内部部件进行密封和保护。

参见图4，为时延补偿干涉仪50工作脉冲时序图。时延补偿干涉仪50的两臂臂长差由传感光纤63的长度决定。时延补偿干涉仪50的功能是产生干涉信号。两根光栅61反射的两个光脉冲经时延补偿干涉仪50短臂的光信号与经由时延补偿干涉仪50长臂的光信号发生干涉。干涉信号的相位信息由两根光栅61之间的传感光纤63决定。

参见图5，基于光纤光栅的一维加速度计44～46和粘接在弹性壳体42上的光纤干涉仪可通过采用时分复用技术复用至一根光纤。所有光纤干涉仪都采用同种工作波长的光栅。相邻光栅对构成光纤干涉仪，光栅对和传感光纤62构成的光纤干涉仪形成声压探测通道，光栅对和传感光纤63～65构成3个正交方向的一维加速度计。各个光纤干涉仪信号在时间上进行区分。

参见图6，基于光纤光栅的一维加速度计44～46和粘接在弹性壳体42上的光纤干涉仪可通过采用波分复用技术复用至一根光纤。所有光纤干涉仪都采用不同工作波长的光栅。相同波长光栅对和之间的传感光纤构成光纤干涉仪，光栅对和传感光纤62构成的光纤干涉仪形成声压探测通道，光栅对和传感光纤63～65构成3个正交方向的一维加速度计44～46。图1中光源10输出包含多波长的光脉冲信号，光栅61返回的光信号经时延补偿干涉仪50后进入波分复用器80进行解波分，对各个光纤干涉仪信号进行区分。

本发明不局限于上述实施方式，不论其实施方式作任何变化，凡是采用本发明所提供的实施结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，其特征在于：该三维矢量水听器包括：封装在密封外壳（41）内的X、Y、Z三个方向的基于光纤光栅的一维加速度计（44）、一维加速度计（45）、一维加速度计（46），用来测量X、Y、Z三个方向的振动加速度；安装在密封外壳（41）外部的弹性壳体（42）与粘接在弹性壳体（42）上的光纤干涉仪构成声压测量通道，用来测量水中声压；密封外壳（41）上的开孔（43）用于引出内部基于光纤光栅的一维加速度计的尾纤；光源（10）输出脉冲光信号至环行器（20），经由光纤（60）输入至光纤耦合器（30），光信号经光纤耦合器（30）分成两部分，一部分经光纤（60）输入至粘接在弹性壳体（42）上的光纤干涉仪，一部分经光纤（60）输入至基于光纤光栅的一维加速度计（44）；时延补偿干涉仪（50）有两臂，两臂之间存在臂长差用来产生干涉信号，臂长差由传感光纤（63）的长度决定，两根光栅（61）反射的两个光脉冲经时延补偿干涉仪（50）短臂的光信号与经由时延补偿干涉仪（50）长臂的光信号发生干涉，干涉信号的相位信息也由两根光栅（61）之间的传感光纤（63）决定。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，其特征在于：所述的三个基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪结构相同，所述的基于光纤光栅的一维加速度计（44）包括两根光栅（61）及其之间的传感光纤（63）、圆形弹性片（71）、质量块（72）、外壳（70）组成，传感光纤（63）粘接在圆形弹性片（71）上，圆形弹性片（71）在外界振动作用下发生变形，带动粘接在上面的传感光纤（63）发生形变，改变其中的传输光信号的相位，圆形弹性片（71）中心位置安装质量块（72），质量块（72）用来增强圆形弹性片（71）在外界振动作用下的变形，圆形弹性片（71）边沿与外壳（70）紧密粘接，外壳（70）用来对内部部件进行密封和保护。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，其特征在于：所述的三个基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪可通过采用时分复用技术复用至一根光纤，所有光纤干涉仪都采用同种工作波长的光栅，相邻光栅对构成光纤干涉仪，光栅对和传感光纤（62）构成的光纤干涉仪形成声压探测通道，光栅对和传感光纤（63）、传感光纤（64）、传感光纤（65）构成3个正交方向的一维加速度计，各个光纤干涉仪信号在时间上进行区分。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器，其特征在于：所述的三个基于光纤光栅的一维加速度计和声压测量通道的光纤干涉仪可通过采用波分复用技术复用至一根光纤，所有光纤干涉仪都采用不同工作波长的光栅，相同波长光栅对和之间的传感光纤构成光纤干涉仪，光栅对和传感光纤（62）构成的光纤干涉仪形成声压探测通道，光栅对和传感光纤（63）、传感光纤（64）、传感光纤（65）构成3个正交方向的一维加速度计，光源（10）输出包含多波长的光脉冲信号，光栅（61）返回的光信号经时延补偿干涉仪（50）后进入波分复用器（80）进行解波分，对各个光纤干涉仪信号进行区分。