CN108761432A - 一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，涉及光纤传感技术领域，其包括壳体，还包括铠装光纤、激光器、探测器、第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第一干涉光纤、第二干涉光纤、传感光纤、参考光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅；壳体内部具有声波探测区，该声波探测区的两端分别为第一密封腔和第二密封腔；第一3dB耦合器、第一干涉光纤、第二干涉光纤均位于第一密封腔内；第二3dB耦合器、第一光纤光栅、第二光纤光栅均位于第二密封腔；传感光纤和参考光纤位于声波探测区内。本发明的结构敏感度高，声纹分辨率号，适合大噪声背景下水声探测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体来讲是一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器。
背景技术
众所周知,电磁波和光波能在空间有效地传播,是空中信息传递的有效载体。但它们在水中的传播损耗比声波约大3个数量级,因而不能成为水中远距离信息传递的有效形式。迄今为止，声波仍然是能在海洋中远距离传输信息的最有效的载体。随着各种先进技术在潜艇制造工艺中的应用,现代潜艇在水下运行时噪不断降低,这给反潜作战带来巨大的挑战。目前大量装备的传统压电型水听器灵敏度已不能满足水声探测的实战需要,光纤水听器应运而生。相对于传统的压电型水听器具有灵敏度高,频响特性好，抗电磁干扰，重量轻和造价低等特点，可以满足当前形势下对水听器的要求。
迈克尔逊干涉型光纤水听器是基于光纤迈克尔逊干涉仪的原理构造的。该原理为：由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路:接一路构成光纤干涉仪的传感臂,受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位。两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器,发生干涉，如果海洋中有外来生物或者其它可发声的物体进入监测区域，光纤系统的传感臂中经声波调制过的信号与参考臂中的参考信号之间有相移，通过后续解调电路，观察者就可以得到相关的位置以及具体的参数信息。
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。其在各种声纳应用中的巨大潜能已经被广泛的认知，在近几年内，光纤水听器的研究取得了长足的进展，光纤水听器具有声压灵敏度高，重量轻，体积小，抗电磁干扰能力强等诸多优点，其中高灵敏度具体表现为，它的最小可检测信号比传统的水听器要高2～3个数量级。
据查清华大学殷锴，周宏朴等人提出了一种“芯轴型光纤水听器灵敏度的优化设计”，光纤水听器探头为迈克耳孙干涉仪形式。光源发出的激光通过3dB耦合器进入迈克耳孙干涉仪的两个臂。其中敏感臂感受声压作用,参考臂与声压隔离,两臂中的激光通过反射镜反射后再次进入耦合器,在此两光束叠加并发生干涉,干涉光通过光电转换后解调,由此就得到所需的声压信号。面应变的状态。声压作用于弹性筒使弹性筒径向尺寸发生变化,进而带动敏感光纤长度发生变化,将声压信号转换为相位信号进行测量。带空气腔芯轴型光纤水听器的基本结构。参考光纤缠绕在芯轴上，敏感光纤缠绕在薄壁弹性筒上以感受声压,芯轴与弹性筒之间是空气以提高灵敏度，并且使参考光纤与声压隔离。在低频声波情况下，也就是声波波长大于或者与光纤水听器的有效尺寸相当时，弹性筒可以被认为处于一种平面应变的状态。声压作用于弹性筒使弹性筒径向尺寸发生变化，进而带动敏感光纤长度发生变化，将声压信号转换为相位信号进行测量。
同时，北京航天控制仪器研究所何哲玺等人所提出了一种新型光纤水听器探头结构。这种光纤探头包括外壳，聚脲复合材料，铠装光缆，压板接头，过度连接套，凯夫拉绳，声传感器等。外壳是声传感器的耐压封装，兼顾了探头的耐压性与透声性。聚脲复合材料是水密封装材料，具有优异的憎水性及透声性。多探头组成阵列时的连接封装采用铠装光缆，保护探头间的光纤，具备良好的水密特性与力学性能。声传感器的两端通过压板接头与铠装光缆连接，压板接头的外部套有过渡连接套进行密封，连接套上有若干固定孔，用于固定凯夫拉绳，提高组阵探测缆的抗拉强度。这一结构与之前的结构相比具有可靠性高，水密性好，深水耐压能力强，易实现工程化与批量化装配。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，结构敏感度高，声纹分辨率号，适合大噪声背景下水声探测。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，包括壳体，还包括铠装光纤、激光器、探测器、第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第一干涉光纤、第二干涉光纤、传感光纤、参考光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅；所述壳体内部具有声波探测区，该声波探测区的两端分别为第一密封腔和第二密封腔；所述第一3dB耦合器、第一干涉光纤、第二干涉光纤均位于第一密封腔内；所述第二3dB耦合器、第一光纤光栅、第二光纤光栅均位于第二密封腔；所述传感光纤和参考光纤位于声波探测区内；所述铠装光纤的一端与激光器连接，铠装光纤的另一端穿入第一密封腔与第一3dB耦合器的输入端连接；所述探测器通过第一连接光纤与铠装光纤连接；所述第一干涉光纤的一端与第一3dB耦合器的输出端连接，第一干涉光纤的另一端穿入声波探测区；所述第二干涉光纤的一端与第一3dB耦合器的输出端连接，第二干涉光纤的另一端穿入声波探测区；所述传感光纤用于检测声波信号，该传感光纤的一端通过第二连接光纤与第一干涉光纤连接，传感光纤的另一端穿入第二密封腔与第一光纤光栅的输入端连接；所述参考光纤的一端与第二干涉光纤连接，参考光纤的另一端穿入第二密封腔与第二光纤光栅的输入端连接；所述第二3dB耦合器分别与第一光纤光栅、第二光纤光栅的输出端连接。
在上述技术方案的基础上，所述激光器为窄线宽激光器。
在上述技术方案的基础上，所述第一密封腔设置有密封护套，所述铠装光纤通过该密封护套延伸到第一密封腔内部。
在上述技术方案的基础上，所述第一密封腔和声波探测区之间设置有第一密封套管，所述第一干涉光纤和第二干涉光纤通过该第一密封套管延伸到声波探测区内部。
在上述技术方案的基础上，所述声波探测区和第二密封腔之间设置有第二密封套管，所述传感光纤和参考光纤通过该第二密封套管延伸到第二密封腔内部。
在上述技术方案的基础上，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅采用同一波段的光纤光栅。
在上述技术方案的基础上，所述第一干涉光纤、第二干涉光纤、参考光纤、第一连接光纤、第二连接光纤均为单模光纤。
本发明的有益效果在于：
本发明的结构敏感度高，声纹分辨率号，适合大噪声背景下水声探测。
附图说明
图1为本发明实施例中新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器的原理图。
附图标记：
1-激光器；2-铠装光纤；3-第一3dB耦合器；4-第一连接光纤；5-探测器；6-参考光纤；7-第二光纤光栅；8-第二3dB耦合器；9-壳体；10-第一光纤光栅；11-传感光纤；13-第二连接光纤；15-密封护套；16-第一密封腔；17-第二干涉光纤；18-第一干涉光纤；19-第一密封套管；20-声波探测区；21-第二密封套管；22-第二密封腔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参见图1和图2所示，本发明实施例提供了一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，包括壳体9，还包括铠装光纤2、激光器1、探测器5、第一3dB耦合器3、第二3dB耦合器8、第一干涉光纤18、第二干涉光纤17、传感光纤11、参考光纤6、第一光纤光栅10、第二光纤光栅7；
壳体9内部具有声波探测区20，该声波探测区20的两端分别为第一密封腔16和第二密封腔22；第一3dB耦合器3、第一干涉光纤18、第二干涉光纤17均位于第一密封腔16内；第二3dB耦合器8、第一光纤光栅10、第二光纤光栅7均位于第二密封腔22；传感光纤11和参考光纤6位于声波探测区20内；
铠装光纤2的一端与激光器1连接，铠装光纤2的另一端穿入第一密封腔16与第一3dB耦合器3的输入端连接；具体的，激光器1为窄线宽激光器1。铠装光纤2是集成了多芯单模光纤的光缆。第一密封腔16设置有密封护套15，铠装光纤2通过该密封护套15延伸到第一密封腔16内部。
探测器5通过第一连接光纤4与铠装光纤2连接；
第一干涉光纤18的一端与第一3dB耦合器3的输出端连接，第一干涉光纤18的另一端穿入声波探测区20；
第二干涉光纤17的一端与第一3dB耦合器3的输出端连接，第二干涉光纤17的另一端穿入声波探测区20；第一干涉光纤、第二干涉光纤连接构成马赫泽德干涉仪的两个干涉光臂。具体的，第一密封腔16和声波探测区20之间设置有第一密封套管19，第一干涉光纤18和第二干涉光纤17通过该第一密封套管19延伸到声波探测区20内部。
传感光纤11用于检测声波信号，该传感光纤11的一端通过第二连接光纤13与第一干涉光纤18连接，传感光纤11的另一端穿入第二密封腔22与第一光纤光栅10的输入端连接；
参考光纤6的一端与第二干涉光纤17连接，参考光纤6的另一端穿入第二密封腔22与第二光纤光栅7的输入端连接；具体的，声波探测区20和第二密封腔22之间设置有第二密封套管21，传感光纤11和参考光纤6通过该第二密封套管21延伸到第二密封腔22内部。
第二3dB耦合器8分别与第一光纤光栅10、第二光纤光栅7的输出端连接。
具体的，第一光纤光栅10和第二光纤光栅7采用同一波段的光纤光栅。
具体的，第一干涉光纤18、第二干涉光纤17、参考光纤6、第一连接光纤4、第二连接光纤13均为单模光纤。
本发明的工作原理为：
窄线宽激光器1发出连续激光信号，进入第一3dB耦合器3的输入端，第一3dB耦合器3将输入光功率平均分成两束激光，分别进入第二连接光纤13和参考光纤6，参考光纤6是参考光臂，水声信号对其影响不大，第二连接光纤13与传感光纤11构成传感光臂，用来感测声波信号12，声波信号12会使传感光纤11产生拉伸或压缩形变，使传感光臂光程差发生变化。传感光臂11连接到第一光纤光栅10，第一光纤光栅10只反射特定波长的光；同样情况下，第二光纤光栅7只反射特定波长的光，第二光纤光栅7和第一光纤光栅10采用同一波段的光纤光栅，所以当水声扰动发生时，只有特定波长的光被反射并在第一3dB耦合器3的端口产生干涉，干涉光强变化与水声变化呈线性关系。这种结构敏感度高，声纹分辨率号，适合大噪声背景下水声探测。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选地”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点，包含于本发明的至少一个实施例或示例中，在本说明书中对于上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或者示例中以合适方式结合。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，包括壳体(9)，其特征在于：还包括铠装光纤(2)、激光器(1)、探测器(5)、第一3dB耦合器(3)、第二3dB耦合器(8)、第一干涉光纤(18)、第二干涉光纤(17)、传感光纤(11)、参考光纤(6)、第一光纤光栅(10)、第二光纤光栅(7)；
所述壳体(9)内部具有声波探测区(20)，该声波探测区(20)的两端分别为第一密封腔(16)和第二密封腔(22)；所述第一3dB耦合器(3)、第一干涉光纤(18)、第二干涉光纤(17)均位于第一密封腔(16)内；所述第二3dB耦合器(8)、第一光纤光栅(10)、第二光纤光栅(7)均位于第二密封腔(22)；所述传感光纤(11)和参考光纤(6)位于声波探测区(20)内；
所述铠装光纤(2)的一端与激光器(1)连接，铠装光纤(2)的另一端穿入第一密封腔(16)与第一3dB耦合器(3)的输入端连接；
所述探测器(5)通过第一连接光纤(4)与铠装光纤(2)连接；
所述第一干涉光纤(18)的一端与第一3dB耦合器(3)的输出端连接，第一干涉光纤(18)的另一端穿入声波探测区(20)；
所述第二干涉光纤(17)的一端与第一3dB耦合器(3)的输出端连接，第二干涉光纤(17)的另一端穿入声波探测区(20)；
所述传感光纤(11)用于检测声波信号，该传感光纤(11)的一端通过第二连接光纤(13)与第一干涉光纤(18)连接，传感光纤(11)的另一端穿入第二密封腔(22)与第一光纤光栅(10)的输入端连接；
所述参考光纤(6)的一端与第二干涉光纤(17)连接，参考光纤(6)的另一端穿入第二密封腔(22)与第二光纤光栅(7)的输入端连接；
所述第二3dB耦合器(8)分别与第一光纤光栅(10)、第二光纤光栅(7)的输出端连接。
2.如权利要求1所述的新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，其特征在于：所述激光器(1)为窄线宽激光器(1)。
3.如权利要求1所述的新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，其特征在于：所述第一密封腔(16)设置有密封护套(15)，所述铠装光纤(2)通过该密封护套(15)延伸到第一密封腔(16)内部。
4.如权利要求1所述的新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，其特征在于：所述第一密封腔(16)和声波探测区(20)之间设置有第一密封套管(19)，所述第一干涉光纤(18)和第二干涉光纤(17)通过该第一密封套管(19)延伸到声波探测区(20)内部。
5.如权利要求1所述的新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，其特征在于：所述声波探测区(20)和第二密封腔(22)之间设置有第二密封套管(21)，所述传感光纤(11)和参考光纤(6)通过该第二密封套管(21)延伸到第二密封腔(22)内部。
6.如权利要求1所述的新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，其特征在于：所述第一光纤光栅(10)和第二光纤光栅(7)采用同一波段的光纤光栅。
7.如权利要求1所述的新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器，其特征在于：所述第一干涉光纤(18)、第二干涉光纤(17)、参考光纤(6)、第一连接光纤(4)、第二连接光纤(13)均为单模光纤。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810749072.4A Pending CN108761432A (zh) | 2018-07-10 | 2018-07-10 | 一种新型光纤光栅马赫泽德干涉光路光纤水听传感器 |
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|---|---|
| CN (1) | CN108761432A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295260A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-08-24 | 珠海任驰光电科技有限公司 | 一种基于推挽结构的光纤水听器 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1687811A (zh) * | 2005-04-29 | 2005-10-26 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 光纤光栅波长解调器 |
| KR100810145B1 (ko) * | 2006-09-29 | 2008-03-06 | 전북대학교산학협력단 | 더블패스 마하젠더 간섭계와 광섬유 격자 센서를 이용한스트레인 측정시스템 |
| CN102506913A (zh) * | 2011-10-28 | 2012-06-20 | 北京航空航天大学 | 干涉型光纤分布式扰动传感器及其扰动定位方法 |
| CN104792402A (zh) * | 2015-04-16 | 2015-07-22 | 华中科技大学 | 一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声波传感测量装置 |
| CN105806468A (zh) * | 2016-05-06 | 2016-07-27 | 华中科技大学 | 一种光纤光栅振动传感器及其检测装置 |
| CN106052843A (zh) * | 2016-08-09 | 2016-10-26 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调方法 |
| CN106840221A (zh) * | 2017-01-06 | 2017-06-13 | 武汉理工大学 | 基于色散马赫曾德尔干涉的光纤光栅解调装置及方法 |
| CN106989811A (zh) * | 2017-03-13 | 2017-07-28 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种光纤光栅水听器的解调装置及方法 |
-
2018
- 2018-07-10 CN CN201810749072.4A patent/CN108761432A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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