CN105300505A - 一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器 - Google Patents

一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器 Download PDF

Info

Publication number
CN105300505A
CN105300505A CN201510661415.8A CN201510661415A CN105300505A CN 105300505 A CN105300505 A CN 105300505A CN 201510661415 A CN201510661415 A CN 201510661415A CN 105300505 A CN105300505 A CN 105300505A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
acceleration sensing
hydrophone
sensing unit
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510661415.8A
Other languages
English (en)
Inventor
金梦群
王力求
张自丽
葛辉良
倪程辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
715th Research Institute of CSIC
Original Assignee
715th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 715th Research Institute of CSIC filed Critical 715th Research Institute of CSIC
Priority to CN201510661415.8A priority Critical patent/CN105300505A/zh
Publication of CN105300505A publication Critical patent/CN105300505A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元，该水听器由4个光纤加速度传感单元串联组成，2×2耦合器和法拉第旋转镜固定在干涉仪盒中，加速度传感单元和干涉仪盒固定在聚氨酯泡沫板上，固定螺钉分布在聚氨酯泡沫板的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆引出，最外层由聚氨酯胶层灌注密封；其中光纤加速度传感单元主要包括光纤盘、增敏结构和外壳，两个光纤盘用聚氨酯胶粘接在增敏结构的上下表面，增敏结构与上下两个外壳之间用环氧胶粘接。本发明的有益效果为：对于共形阵水听器宽工作频带、高灵敏度的要求，进行了加速度传感单元及水听器的光路和结构的优化设计，解决了相应的工艺实现及装配技术问题。

Description

一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器
技术领域
本发明属于水声光纤传感技术领域，更确切地说，是一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器。
背景技术
共形阵和舷侧阵声纳在工程应用中遇到的问题有两个方面：一方面，传统的声压水听器作为阵元，需在艇壳与水听器模块间加装刚性的硬障板，由于通常厚度较大，障板重量很重，致使整阵重量超过十多吨；另一方面，共形、舷侧阵声纳为了提高基阵增益，通常基阵由数百甚至数千基元的水听器构成。光纤矢量水听器的出现为解决上述两个问题提出一种很好的解决方案。
目前，矢量水听器的应用主要集中在甚低频以下频段，对于如何在中低频段较宽的频带范围内，实现平坦的灵敏度响应，国内外鲜有报道。光纤作为一种新的传感介质，应用于水声传感器中具有灵敏度高、抗电磁干扰、湿端无需供电、易于大规模复用等诸多优点，且光纤矢量水听器安装时只需采用轻质的软障板，大大减轻共形阵和舷侧阵声纳基阵的重量，已经成为新一代水声探测技术和装备的重要发展方向。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术中存在的问题，而提供一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器。
本发明要解决的技术问题。
1、加速度传感单元作为矢量水听器的核心传感元件，其结构设计既要提高拾取振动方向的加速度灵敏度，又要降低对于声压场和其它方向振动加速度的灵敏度。特别是应用于共形阵和舷侧阵声纳的平面型光纤矢量水听器，需要在很宽的频率范围内实现平坦的灵敏度响应，必须对加速度传感单元进行合理的优化设计。
2、其次，传统的水声光纤传感器通常将参考光纤与传感光纤分开，不能同时接收外界环境变化的调制。本技术方案采用推挽式结构，对其他方向的振动加速度有抵消作用，两臂光纤都封装在传感器内部，不直接接收外界环境变化的调制，有效降低了自噪声。
3、另外，矢量水听器必须考虑零浮力、中心对称性等问题，既要保证整体结构的稳定性，又要尽量缩小尺寸，为矢量水听器的成阵应用提供有利的条件。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元，该水听器由4个光纤加速度传感单元串联组成，2×2耦合器和法拉第旋转镜固定在干涉仪盒中，加速度传感单元和干涉仪盒固定在聚氨酯泡沫板上，固定螺钉分布在聚氨酯泡沫板的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆引出，最外层由聚氨酯胶层灌注密封；其中光纤加速度传感单元主要包括光纤盘、增敏结构和外壳，两个光纤盘用聚氨酯胶粘接在增敏结构的上下表面，增敏结构与上下两个外壳之间用环氧胶粘接；在加速度的作用下，增敏结构由于惯性作用发生弯曲形变，带动增敏结构表面光纤盘的光纤长度发生变化，从而使光纤中传输的干涉光信号产生相位差，通过对干涉光信号相位差的检测，光纤加速度传感单元实现对加速度信号的提取。
激光器发出一束经由信号发生器光频调制的光信号，经过隔离器和衰减器，由2×2耦合器分成两束相同的光，分别输入加速度传感单元的上下两个光纤盘；两束光依次经过四个加速度传感单元，再经两个法拉第旋转镜反射，再次输入2×2耦合器合束并发生干涉，干涉后的光信号通过光探测器接收并转换为电信号，最后由解调仪检测出相位差变化。
本发明的有益效果为：
(1)工作频带宽；平面型光纤矢量水听器的工作频带范围覆盖近4个倍频程。
(2)灵敏度高；平面型光纤矢量水听器的在2kHz时的等效声压相移灵敏度不小于-145dBref.1rad/uPa，每倍频程灵敏度增加6dB，且有良好的八字形指向性。
(3)重量轻，单个模块质量小于1kg；且由于矢量水听器安装时采用轻质软障板，总体质量与传统的声压水听器有很大优势；
(4)与声压水听器配合使用可实现声压和振速信号的联合信息处理。
附图说明
图1加速度传感单元侧视剖面结构示意图；
图2平面型光纤矢量水听器光路原理图；
图3平面型光纤矢量水听器正视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
本发明所述的这种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元10，该水听器由4个光纤加速度传感单元10串联组成，2×2耦合器32和法拉第旋转镜31固定在干涉仪盒30中，加速度传感单元10和干涉仪盒30固定在聚氨酯泡沫板41上，固定螺钉43分布在聚氨酯泡沫板41的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆44引出，最外层由聚氨酯胶层42灌注密封；其中光纤加速度传感单元10主要包括光纤盘11、增敏结构12和外壳13，两个光纤盘11用聚氨酯胶粘接在增敏结构12的上下表面，增敏结构12与上下两个外壳13之间用环氧胶粘接；在加速度的作用下，增敏结构12由于惯性作用发生弯曲形变，带动增敏结构12表面光纤盘11的光纤长度发生变化，从而使光纤中传输的干涉光信号产生相位差，通过对干涉光信号相位差的检测，光纤加速度传感单元10实现对加速度信号的提取。激光器21发出一束经由信号发生器26光频调制的光信号，经过隔离器22和衰减器23，由2×2耦合器32分成两束相同的光，分别输入加速度传感单元10的上下两个光纤盘11；两束光依次经过四个加速度传感单元10，再经两个法拉第旋转镜31反射，再次输入2×2耦合器32合束并发生干涉，干涉后的光信号通过光探测器24接收并转换为电信号，最后由解调仪25检测出相位差变化。
1、加速度传感单元弹性盘式增敏结构方案
加速度传感单元10采用弹性盘式增敏结构，尺寸为φ40mm×17mm，如附图1所示，增敏结构12材料选用不锈钢，外壳13材料选用铝，光纤盘11绕制三层，采用先绕后粘的方式。首先，光纤通过绕线夹具绕制成圆盘形，绕线夹具的夹层厚度可控制光纤绕线层数，用紫外固化胶进行预先固化。为了使传感光纤与增敏结构充分接触和配合，再用粘接夹具将光纤盘11粘接到弹性片上。其次，外壳13与增敏结构12的粘接过程，需通过装配夹具保证中心对称，并在外壳13的出纤孔处做好保护。
2、平面型光纤矢量水听器光路技术方案
采用四个光纤加速度传感单元10串联的方式。各传感器的尾纤相熔接，并与两个法拉第旋转镜31和2×2耦合器32组成光纤Michelson干涉仪。水听器的光路及光电系统组成如附图2所示。理论上光纤矢量水听器的灵敏度将比单个传感单元的灵敏度提高12dB。
3、平面型光纤矢量水听器封装技术方案
平面型光纤矢量水听器模块，整体装配后如附图3所示。采用低密度的硬质聚氨酯泡沫板41进行零浮力配重，同时保证其在同一平面上接收声信号调制。熔接点、法拉第旋转镜31和2×2耦合器32需进行合理的放置，以减小外界振动信号对干涉光路的影响，最后以聚氨酯胶层42灌注密封。
平面型光纤矢量水听器的制作工序如下：
1、光纤盘11绕线。光纤盘11的绕线需采用特殊的夹具，边绕线边涂紫外固化胶，夹具的其中一面为透光的有机玻璃材料，绕线完成后，用紫外光照射有机玻璃的一面使光纤盘11成型，最后从绕线夹具上取下光纤盘11。
2、光纤盘11粘接。粘接夹具分为上下两部分，通过夹具的聚四氟乙烯槽将光纤盘11限位，将两个光纤盘11和增敏结构12弹性圆片同心对准，在弹性片与光纤盘11的粘接面上涂聚氨酯胶，压紧后放入烘箱中加温固化。
3、加速度传感单元10粘接。在上下外壳13粘接面均匀涂环氧胶，通过装配夹具使粘有光纤盘11的弹性片与上下外壳保持同心，尾纤从外壳13出纤孔处引出，压紧后常温固化。加速度传感单元10制作完成后，需进行插入损耗和灵敏度的测试筛选。
4、水听器装配。由于矢量水听器的零浮力要求，采用低密度的硬质聚氨酯泡沫板41装配以平衡整体密度。四个加速度传感单元用环氧胶固定在聚氨酯泡沫板41内，中心圆槽用于放置熔接点、法拉第旋转镜31和2×2耦合器32，并用705胶灌封。最后，输入和输出光纤与光缆44熔接，从板内的出纤孔处穿出。
5、水听器灌注。将装配后的水听器放入灌注模具中，用聚氨酯胶层42灌注，放入烘箱内加温固化，则平面型光纤矢量水听器制作过程完成。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，主要包括光纤加速度传感单元(10)，其特征在于：该水听器由4个光纤加速度传感单元(10)串联组成，2×2耦合器(32)和法拉第旋转镜(31)固定在干涉仪盒(30)中，加速度传感单元(10)和干涉仪盒(30)固定在聚氨酯泡沫板(41)上，固定螺钉(43)分布在聚氨酯泡沫板(41)的四角，水听器的输入和输出光纤由光缆(44)引出，最外层由聚氨酯胶层(42)灌注密封；其中光纤加速度传感单元(10)主要包括光纤盘(11)、增敏结构(12)和外壳(13)，两个光纤盘(11)用聚氨酯胶粘接在增敏结构(12)的上下表面，增敏结构(12)与上下两个外壳(13)之间用环氧胶粘接；在加速度的作用下，增敏结构(12)由于惯性作用发生弯曲形变，带动增敏结构(12)表面光纤盘(11)的光纤长度发生变化，从而使光纤中传输的干涉光信号产生相位差，通过对干涉光信号相位差的检测，光纤加速度传感单元(10)实现对加速度信号的提取。
2.根据权利要求1所述的宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器，其特征在于：激光器(21)发出一束经由信号发生器(26)光频调制的光信号，经过隔离器(22)和衰减器(23)，由2×2耦合器(32)分成两束相同的光，分别输入加速度传感单元(10)的上下两个光纤盘(11)；两束光依次经过四个加速度传感单元(10)，再经两个法拉第旋转镜(31)反射，再次输入2×2耦合器(32)合束并发生干涉，干涉后的光信号通过光探测器(24)接收并转换为电信号，最后由解调仪(25)检测出相位差变化。
CN201510661415.8A 2015-10-14 2015-10-14 一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器 Pending CN105300505A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510661415.8A CN105300505A (zh) 2015-10-14 2015-10-14 一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510661415.8A CN105300505A (zh) 2015-10-14 2015-10-14 一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105300505A true CN105300505A (zh) 2016-02-03

Family

ID=55198028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510661415.8A Pending CN105300505A (zh) 2015-10-14 2015-10-14 一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105300505A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106768263A (zh) * 2017-03-31 2017-05-31 中国计量大学 具有双圆柱增敏结构的mems矢量水听器
CN107907202A (zh) * 2017-10-27 2018-04-13 北京大学 一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法
CN109814216A (zh) * 2019-02-20 2019-05-28 海鹰企业集团有限责任公司 一种光纤水听器尾纤引出结构
CN110646082A (zh) * 2019-10-12 2020-01-03 湖南长城海盾光纤科技有限公司 一种混合复用的低损耗水听器阵列
CN114061731A (zh) * 2021-09-27 2022-02-18 北京自动化控制设备研究所 一种无磁干涉型光纤矢量水听器

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63124921A (ja) * 1986-11-13 1988-05-28 Nec Corp 光フアイバハイドロホン
GB2256561A (en) * 1991-06-05 1992-12-09 Marconi Gec Ltd Large area optical fibre hydrophone
US5633960A (en) * 1996-01-24 1997-05-27 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Spatially averaging fiber optic accelerometer sensors
US5668779A (en) * 1996-03-29 1997-09-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Hydrophone group design for shallow towed applications
US7295493B1 (en) * 2006-10-19 2007-11-13 The United States Of America Represented By The Secretary Of The Navy Pressure tolerant fiber optic hydrophone
US7466631B1 (en) * 2006-10-19 2008-12-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Enhanced sensitivity pressure tolerant fiber optic hydrophone
CN102095891A (zh) * 2010-11-09 2011-06-15 浙江大学 温度不敏感的加速度传感用光纤线圈组件
CN102183293A (zh) * 2011-03-01 2011-09-14 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种大面积薄板型矢量水听器
CN102507968A (zh) * 2011-11-09 2012-06-20 浙江大学 用于光纤加速度计的低蠕变光纤盘及其制作方法
CN102680072A (zh) * 2012-05-09 2012-09-19 清华大学 用于光纤水听器pgc时分复用系统降噪的系统及方法
CN103134581A (zh) * 2013-01-30 2013-06-05 中国人民解放军国防科学技术大学 推挽式光纤激光矢量水听器

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63124921A (ja) * 1986-11-13 1988-05-28 Nec Corp 光フアイバハイドロホン
GB2256561A (en) * 1991-06-05 1992-12-09 Marconi Gec Ltd Large area optical fibre hydrophone
US5633960A (en) * 1996-01-24 1997-05-27 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Spatially averaging fiber optic accelerometer sensors
US5668779A (en) * 1996-03-29 1997-09-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Hydrophone group design for shallow towed applications
US7295493B1 (en) * 2006-10-19 2007-11-13 The United States Of America Represented By The Secretary Of The Navy Pressure tolerant fiber optic hydrophone
US7466631B1 (en) * 2006-10-19 2008-12-16 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Enhanced sensitivity pressure tolerant fiber optic hydrophone
CN102095891A (zh) * 2010-11-09 2011-06-15 浙江大学 温度不敏感的加速度传感用光纤线圈组件
CN102183293A (zh) * 2011-03-01 2011-09-14 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种大面积薄板型矢量水听器
CN102507968A (zh) * 2011-11-09 2012-06-20 浙江大学 用于光纤加速度计的低蠕变光纤盘及其制作方法
CN102680072A (zh) * 2012-05-09 2012-09-19 清华大学 用于光纤水听器pgc时分复用系统降噪的系统及方法
CN103134581A (zh) * 2013-01-30 2013-06-05 中国人民解放军国防科学技术大学 推挽式光纤激光矢量水听器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
金梦群: "基于光纤碟型加速度传感单元的三维柱形矢量水听器", 《中国激光》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106768263A (zh) * 2017-03-31 2017-05-31 中国计量大学 具有双圆柱增敏结构的mems矢量水听器
CN107907202A (zh) * 2017-10-27 2018-04-13 北京大学 一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法
CN107907202B (zh) * 2017-10-27 2019-09-13 北京大学 一种实现共模噪声自抑制的光纤矢量水听器及其传感方法
CN109814216A (zh) * 2019-02-20 2019-05-28 海鹰企业集团有限责任公司 一种光纤水听器尾纤引出结构
CN110646082A (zh) * 2019-10-12 2020-01-03 湖南长城海盾光纤科技有限公司 一种混合复用的低损耗水听器阵列
CN110646082B (zh) * 2019-10-12 2022-07-05 湖南长城海盾光纤科技有限公司 一种混合复用的低损耗水听器阵列
CN114061731A (zh) * 2021-09-27 2022-02-18 北京自动化控制设备研究所 一种无磁干涉型光纤矢量水听器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105300505A (zh) 一种宽带高灵敏度平面型光纤矢量水听器
CN100561136C (zh) 一种光纤应变盘及其制作方法
CN101788569B (zh) 一种光纤加速度传感器探头及加速度传感器系统
US5363342A (en) High performance extended fiber optic hydrophone
CN103674219A (zh) 一种基于光纤光栅的干涉型三维矢量水听器
CN105092016B (zh) 一种moems矢量水听器
CN105222883A (zh) 膜片耦合式非本征光纤法布里珀罗传感器探头
CN112113653B (zh) 一种折叠梁式光纤激光水听器
CN111103051A (zh) 一种光纤干涉式水听器探测系统及方法
CN105021271B (zh) 一种光纤efpi次声波传感器及次声信号探测系统
CN203551100U (zh) 一种新型法布里-帕罗干涉型mems声波传感器
CN105300507B (zh) 光纤振动传感器及其m-z传感臂光路结构
JPH0215203A (ja) 光ファイバ型光分波器
CN111537008A (zh) 面向光纤珐珀声波传感器的全向式封装结构及制作方法
CN102620808A (zh) 一种局域共振型声子晶体滤波光纤水听器
CN109060105A (zh) 一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头
CN208458873U (zh) 一种费马螺线光纤环结构新型水听器探头
CN115629133A (zh) 一种基于光纤光栅声发射传感器的核电装备损伤检测系统
US7675627B2 (en) Low cost fiber optic velocity sensor for sonar applications
CN203551177U (zh) 一种预紧组合结构内微间隙层间光子晶体光纤压力传感器
CN210346898U (zh) 传感探头及抑制偏振衰落的光纤干涉装置
CN210802682U (zh) 一种光纤干涉式水听器探测系统
JPS59148832A (ja) 光フアイバ式水中音響探知装置
CN103471761B (zh) 一种预紧组合结构内微间隙层间光子晶体光纤压力传感器
CN112378509A (zh) 一种高灵敏度中频矢量水听器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160203