CN106772329A - 一种基于光纤光栅f‑p干涉仪的水听器阵列结构 - Google Patents
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Abstract
本发明专利涉及一种用于海底固定布放应用环境的全光纤声基阵，即一种基于光纤光栅F‑P干涉仪的水听器阵列结构，以光缆形式的结构体作为增敏结构，用连续的增敏结构绕制更长的传感光纤提高阵列的灵敏度。增敏结构上开槽并绕制传感光纤形成水听器单元，水听器单元通过压接方式相连，形成水听器阵列。阵列中增加柔性支撑骨架增强耐侧压能力，增加承力绳增强抗拉能力。阵列外加PU护套进行密封保护，PU护套内部充填胶实现透声性。本发明与基于光纤光栅F‑P干涉仪的光路结构相配合，利用光纤光栅作为反射元件，可简化阵列光路结构，减少阵列内光学器件数量，减少阵列内熔接点，有利于提高可靠性和降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及水声传感器基阵领域，具体涉及海底固定布放声基阵领域，尤其涉及一种基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构。
背景技术
海底固定布放线列阵声纳是一种重要的水下信息化装备技术，基阵可布放于重要海域、航道、港口等，实现对舰船目标尤其是潜艇、UUV等水下航行器的警戒。由于我国海岸线长、港口众多，要形成以海底固定布放线列阵声纳为主的水声探测网，要求海底固定布放线列阵声纳具有低成本、高可靠性的特点。
现有光纤水听器阵列多采用干涉型水听器为阵元，每个水听器由光纤耦合器、法拉第旋转镜等分立光学器件组成，通过时分、波分等复用技术实现多个光纤水听器共用同一根传输光纤。为了实现复用技术，阵列包含光学元件数量多，结构复杂，成本高，研制周期长。
本发明提出的基于光纤光栅F-P(Fabry-Perot)干涉仪的水听器阵列结构，以连续的增敏结构代替单个水听器，通过增敏结构上开槽对传感光纤进行保护和备份，增敏结构间传感光纤通过光纤光栅相连形成水听器阵列。阵列利用光纤光栅的反射特性和波长选择性，采用时分复用、波分复用技术，单根光纤可复用多个传感阵元。与现有方案相比，阵列探测灵敏度高、光路简单，且阵列制作成本低、可靠性高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，采用基于光纤光栅F-P干涉仪的光路，以光缆形式的结构体作为增敏结构，用连续的增敏结构绕制更长的传感光纤提高阵列的灵敏度。增敏结构上加工多道螺旋凹槽，凹槽内同时预埋多根传感光纤，在保护光纤的同时进行光路备份，提高阵列可靠性。各增敏结构的传感光纤通过光纤光栅连接，用光纤光栅代替阵列内各分立光器件，减少了阵列内熔接点，简化阵列光路结构。各增敏结构通过压接形成水听器阵列，实现阵列探测灵敏度高、可靠性好，且阵列结构简单、成本低。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，包括水听器单元、连接单元、支撑承力单元、密封单元，采用基于光纤光栅F-P干涉仪的光路结构，水听器单元通过连接单元进行连接，形成水听器阵列，阵元数量根据实际需要进行设计，支撑承力单元用于增强阵列的抗侧压和抗拉能力，密封单元用于阵列与外部环境间的密封，并实现透声性。
所述的水听器单元用于声信号接收和增敏，采用光缆形式的结构体，结构体外层为弹性敏感材料，内层为承力结构。在增敏结构体表面沿圆周方向刻蚀多道同向螺旋凹槽，将多根传感光纤同时绕制在螺旋槽内；绕制完成后，间隔一定的距离将光纤与增敏结构粘接为一体。
所述的连接单元用于水听器单元结构及光路上的连接，在增敏结构体上压接不锈钢圆环的方式将两水听器单元连接成一个整体，同时压接圆环外固定盘纤装置，盘纤装置内放置反射光纤光栅，将各水听器单元中的传感光纤相连。
所述的支撑承力单元用于支撑和承力，包括支撑骨架和承力绳，支撑骨架采用聚氨酯类弹性材料，对水听器单元起柔性支撑作用，使水听器单元位于阵列中间位置，承力绳为高强度kevlar绳或钢丝绳，将各支撑骨架和连接单元串联，防止骨架旋转并增强阵列抗拉能力。
所述的密封单元包括PU护套和填充胶，外PU护套保证阵列的密封性，PU护套两端与结构件压接密封，内部充填凝胶实现透声性。
本发明的有益效果为：
1)阵列探测灵敏度高：通过减少绕制光纤节距或增大绕线直径，可增加传感光纤长度，提高阵列的探测灵敏度。
2)阵列可靠性高：增敏结构采用光缆形式结构体，将光纤埋在结构体内，有利于光纤保护。增敏结构上可同时开多道螺旋槽，可同时备份多条光路。
3)阵列成本低：阵列内部无分立光学器件，降低了阵列的复杂性，可大幅度降低阵列的成本。
4)阵列外部密封、内部加强的结构，可适用于不同的应用环境。
附图说明
图1阵列结构示意图；
图2水听器单元结构示意图；
图3一个实施例的增敏结构剖面示意图；
图4连接单元结构示意图；
图5压接装置结构示意图；
图6支撑承力单元结构示意图；
图7 PU护套压接密封示意图。
附图标记说明：水听器单元1、连接单元2、支撑承力单元3、密封单元4、传感光纤C1、软光缆C2、增敏结构C3、外层D1、中间层D2、不锈钢管加强件D3、连接单元2、螺帽E1、压接结构E2、承力绳E3、钢缆压扣E4、盘纤盒盖E5、盘纤盒E6、不锈钢圆环F1、去耦材料F2、压环机F3、支撑骨架G1、PU护套H1、不锈钢压环H2、承力结构件H3。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明专利作进一步说明：
参见图1，一种基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，包括水听器单元1、连接单元2、支撑承力单元3、密封单元4。水听器单元1通过连接单元2进行连接，形成水听器阵列，阵元数量可以根据实际需要进行设计。支撑承力单元3用于增强阵列的抗侧压和抗拉能力,密封单元4用于阵列与外部环境间的密封，并实现透声性。
水听器单元1为两端对称结构，其中一端结构参见图2，水听器单元1由传感光纤C1、软光缆C2和增敏结构C3组成。增敏结构C3采用光缆形式的结构体，结构体外层为弹性敏感材料，内层为承力结构。在增敏结构C3表面沿圆周方向刻蚀两道同向螺旋凹槽，螺距取决于传感光纤长度。将带紧包线的两根传感光纤C1分别沿着两道螺旋槽绕制在增敏结构C3上，绕制时需加预张力，使光纤与增敏结构紧密贴合。光纤绕制结束，螺旋槽沿圆周平滑过渡为两道直线槽，在直线槽内埋空芯软光缆C2对传感光纤C1进行保护，软光缆C2另一端与连接单元2相连。光纤绕制完成后，对螺旋槽内的光纤，间隔一段距离进行点胶粘接，对直线槽内的软光缆C2进行完全粘接。
增敏结构C3截面形状参见图3，本实施例中增敏结构C3采用现有的海底光缆结构：外层D1为HDPE材料，具有一定的弹性，起增敏作用。中间层D2含30根直径φ2mm的双层镀铬钢丝，用于承受纵向拉力和提供耐侧压力，中心为不锈钢管加强件D3。
连接单元2参见图4，两水听器单元1通过压接结构E2对接，将盘纤盒E6固定在压接结构E2上，由螺帽E1拧紧防松。盘纤盒E6内部放置反射光纤光栅，光纤光栅将各水听器单元1中的传感光纤C1相互连接。盘纤盒E6内部填充聚氨酯类胶进行密封保护，再盖上盘纤盒盖E5。盘纤盒E6两端各两个圆孔用于固定软光缆C2，实现与增敏结构体1的连接。盘纤盒E6两侧穿入承力绳E3，钢缆压扣E4防止盘纤盒E6滑动，钢缆压扣E4与承力绳E3通过压接固定。
本实例中压接结构E2参见图5，在两增敏结构C3间增加去耦材料F2，用胶水粘接后穿入不锈钢圆环F1中间，不锈钢圆环F1为316L不锈钢材质，两端压紧，中间承力。用压环机F3挤压不锈钢圆环F1两端外表面，使其发生塑性变形，不锈钢圆环F1的压力将两段水听器单元1连接成一个整体。
支撑承力单元3参见图6，包括支撑骨架G1和承力绳E3，支撑骨架G1采用柔性材料，对水听器单元1起柔性支撑作用。本实例中采用聚氨酯材料，用于支撑水听器单元1，使其位于阵列中间位置，并增强阵列的耐侧压能力，支撑骨架G1外圆周开槽，便于填充胶。与盘纤盒E6类似，支撑骨架G1与承力绳E3采用钢缆压扣E4定位。承力绳E3为高强度kevlar绳或钢丝绳，承力绳将各支撑骨架和连接单元2串联，防止骨架旋转并增强阵列抗拉能力。
密封单元4包括PU护套和填充胶，外PU护套增强阵列的耐磨能力，同时保证阵列的密封性，护套内部充填凝胶实现透声性。参见图7，PU护套H1与阵列两端的承力结构件H3通过压接密封，承力结构件H3上开环形凹槽增大接触面积，PU护套H1和承力结构件H3连接后，套入不锈钢压环H2，用压环机挤压不锈钢压环H2外表面，不锈钢压环H2压至PU护套H1厚度一半时，可实现阵列密封。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，包括水听器单元、连接单元、支撑承力单元、密封单元，其特征在于：采用基于光纤光栅F-P干涉仪的光路结构，水听器单元通过连接单元进行连接，形成水听器阵列，阵元数量根据实际需要进行设计，支撑承力单元用于增强阵列的抗侧压和抗拉能力，密封单元用于阵列与外部环境间的密封，并实现透声性。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，其特征在于：所述的水听器单元用于声信号接收和增敏，采用光缆形式的结构体，结构体外层为弹性敏感材料，内层为承力结构。在增敏结构体表面沿圆周方向刻蚀多道同向螺旋凹槽，将多根传感光纤同时绕制在螺旋槽内；绕制完成后，间隔一定的距离将光纤与增敏结构粘接为一体。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，其特征在于：所述的连接单元用于水听器单元结构及光路上的连接，在增敏结构体上压接不锈钢圆环的方式将两水听器单元连接成一个整体，同时压接圆环外固定盘纤装置，盘纤装置内放置反射光纤光栅，将各水听器单元中的传感光纤相连。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，其特征在于：所述的支撑承力单元用于支撑和承力，包括支撑骨架和承力绳，支撑骨架采用聚氨酯类弹性材料，对水听器单元起柔性支撑作用，使水听器单元位于阵列中间位置，承力绳为高强度kevlar绳或钢丝绳，将各支撑骨架和连接单元串联，防止骨架旋转并增强阵列抗拉能力。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅F-P干涉仪的水听器阵列结构，其特征在于：所述的密封单元包括PU护套和填充胶，外PU护套保证阵列的密封性，PU护套两端与结构件压接密封，内部充填凝胶实现透声性。
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