CN109655149A - 一种光纤激光矢量水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤激光矢量水听器，它涉及水听器技术领域；技术方案：圆形壳，用于光纤激光矢量水听器的内部结构保护；至少一个相移光栅，安装在圆形壳内部，用于测量质点振动加速度；至少一个质量片安装在圆形壳外部；相移光栅的一端固定于圆形壳的内壁，相移光栅的另一端为开孔状态且通过轻质弹簧连接于质量片，轻质弹簧与圆形壳相通且设在圆形壳外部，并固定在圆形壳上，该轻质弹簧的作用在于预拉伸光栅；光纤穿过轻质弹簧中心固定于质量片中心处，圆形壳通过多个弹簧固定于框架上。本发明公开的光纤激光矢量水听器，在探头内部使用相移光栅，相对于光纤干涉型水听器测量信号，使用相移光栅使得光纤水听器更加小型化。

Description

一种光纤激光矢量水听器

技术领域

本发明属于水听器技术领域，具体涉及一种光纤激光矢量水听器。

背景技术

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。

光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围液体环境中的声波相互作用产生的种种调制效应，探测液体介质中的声波信号的仪器。它与传统的压电类水听器相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。

一般所说的水听器指的是标量水听器，即测量水中声压的水听器。而矢量水听器是测量水中矢量信号的水听器。水中声波的矢量主要有声压梯度、质点振速、质点位移、质点加速度等。这些参量只要知道其中的一个，其它的即可推算出来。由于矢量水听器的单元具有指向性，可以比较容易地判别目标的方位，在相同阵元容量的情况下具有更高的空间增益，因此在近年来得到了广泛的研究。但是，矢量水听器对于封装的要求也比较高，首先要求其结构空间对称，其次要求其平均密度与水的密度相同，这样才能保证信号不失真。

而光纤矢量水听器就是把光纤水听器技术和是矢量水听器技术结合起来的结果。它兼具光纤水听器和矢量水听器的优点。

鉴于光纤矢量水听器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。

国防科技大学胡永明等人报道了一种光纤矢量水听器(胡永明等，“光纤矢量水听器研究进展”，中国声学学会2006年全国声学学术会议，厦门，2006，pp.129-130)。该光纤矢量水听器是采用三个光纤干涉仪作为三个光纤加速度计，来分别采集三个方向质点的加速度信号。由于在矢量水听器探头中采用了光纤干涉仪，往往需要一个较大的质量块使缠绕在弹性体上的光纤产生相应的形变，致使水听器探头内部的体积较大，探头的平均密度不容易控制。

康崇等人也报道了一种光纤矢量水听器(康崇等，“薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器”，中国激光，vol.35，pp.1214-1219，2008)，同样是采用光纤干涉仪的结构作为水听器的探头。所不同的是，该矢量水听器是将光纤干涉仪的光纤直接缠绕在薄壁筒上，利用薄壁筒感受声压梯度从而得到矢量信号。其缺点在于：光纤干涉仪的绕制工艺十分复杂，难于控制；该水听器的外形并非空间对称，从而会引入信号失真等问题；并且该光纤矢量水听器只能测一个方向的矢量信号。

目前水听器的封装结构通常将质量块设在圆形壳之内，在一个方向上设置一个光栅结构，两端光纤固定，但这种结构的水听器灵敏度较低，中国专利授权公告号为CN101726354 B，于2011年07月20日公开了一种光纤激光矢量水听器，公开了在质量块两端各加一个光栅提高灵敏度，这种方法理论上可以提高近两倍，但对设在两边光栅的位置的对称度要求极高，且需要两个光栅在尺寸、光栅形成的谐振腔腔长、在圆壳内的相对位置、与拉伸情况完全一致，在实际生产的工艺上目前是无法达到的，也就是仅存在理论研究阶段，无法真正应用到实际的产品中，并且此种结构的水听器在受到垂直方向的声压时也会拉伸光栅，会造成指向性差；同时当需要两个方向(二维)或者三个方向(三维)的光栅连接到同一个质量块上时，光栅多次的固定在同一个质量块上时，随着维度提高，对于质量块越加固定限制，水听器的灵敏度会越来越低。

发明内容

为解决现有水听器安装工艺要求标准极高以及灵敏度较差问题；本发明的目的提供一种光纤激光矢量水听器。

本发明的光纤激光矢量水听器，它包括质量片、圆形壳、相移光栅、多个弹簧、框架、轻质弹簧、波分模块、光线干涉仪、光源、解调仪，

光源，通过波分模块连接探头部分的相移光栅，给相移光栅提供泵浦光；

波分模块，用于分隔开光源的泵浦光和相移光栅的输出光；

光纤干涉仪，把相移光栅的输出光的波长变化转换为相位变化，并且传输给解调仪；

解调仪，接收光线干涉仪的相位信息，解调出质点的振动加速度信号；

其中光源、波分模块、水听器探头通过光纤依次相连；水听器探头、波分复用器、光纤干涉仪、解调仪通过光纤依次相连。

光纤矢量水听器的探头部分由质量片、圆形壳、相移光栅、多个弹簧、框架、轻质弹簧构成，其平均密度等于水的密度；

圆形壳，用于光纤激光矢量水听器的内部结构保护；

至少一个相移光栅，安装在圆形壳内部，用于测量质点振动加速度；

至少一个质量片安装在圆形壳外部；

相移光栅的一端固定于圆形壳的内壁，相移光栅的另一端为开孔状态且通过轻质弹簧连接于质量片，轻质弹簧与圆形壳相通且设在圆形壳外部，并固定在圆形壳上，该轻质弹簧的作用在于预拉伸光栅；

光纤穿过轻质弹簧中心固定于质量片中心处，圆形壳通过多个弹簧固定于框架上。

作为优选，轻质弹簧为中空结构且内部光滑，光纤的直径略小于轻质弹簧的内径，用于在水平方向预拉伸光栅。

作为优选，轻质弹簧的线径为0.1至1.5毫米，内径为1至4毫米，长度为0.8至1.2cm。

作为优选，质量片(1)的厚度为0.1至2毫米，密度为3.7×103～8.9×103mg/cm3。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明公开的光纤激光矢量水听器，在探头内部使用相移光栅，相对于光纤干涉型水听器测量信号，使用相移光栅使得光纤水听器更加小型化。

2、相对于干涉式水听器的光纤缠绕，这种光纤激光适量水听器很大程度上降低了封装难度。

3、在这种光纤激光矢量水听器探头处，只有质量片、轻质弹簧、光纤，且光纤质量可忽略，因此更加容易控制光纤激光矢量水听器探头的平均密度。

4、相对于其他光纤激光矢量水听器把质量块放在圆形壳内，本发明使用的质量片设在圆形壳外，外界声压信号更直接作用在质量片，有助于提高水听器声压灵敏度。

5、本技术方案中的质量片用于接收外界声压，由于质量片较薄，几乎没有造成对其他方向的声压响应，不会影响指向性，其次由于质量片放在圆形壳之外，降低了圆形壳对声压的部分衰减影响，更加直接收到外界声压，对于灵敏度进一步提高，并且在二维三维情况下，各个光栅独立开，不会影响到水听器的灵敏度。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的结构示意图；

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明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

它包括质量片1、圆形壳2、相移光栅3、多个弹簧4、框架5、轻质弹簧7、波分模块9、光线干涉仪11、光源12、解调仪13，

光源12，通过波分模块9连接探头8部分的相移光栅3，给相移光栅3提供泵浦光；

波分模块9，用于分隔开光源12的泵浦光和相移光栅3的输出光；

光纤干涉仪11，把相移光栅3的输出光的波长变化转换为相位变化，并且传输给解调仪13；

解调仪13，接收光线干涉仪11的相位信息，解调出质点的振动加速度信号；

其中光源12、波分模块9、水听器探头8通过光纤依次相连；水听器探头8、波分复用器9、光纤干涉仪11、解调仪13通过光纤依次相连。

其特征在于：光纤矢量水听器的探头部分8由质量片1、圆形壳2、相移光栅3、多个弹簧4、框架5、轻质弹簧7构成，其平均密度等于水的密度；

圆形壳2，用于光纤激光矢量水听器的内部结构保护；

至少一个相移光栅3，安装在圆形壳2内部，用于测量质点振动加速度；

至少一个质量片1安装在圆形壳2外部；

相移光栅3的一端固定于圆形壳2的内壁，相移光栅3的另一端为开孔状态且通过轻质弹簧7连接于质量片1，质量片1，固定光纤末端，并且通过其重量预拉伸相移光栅3，并感受声波，轻质弹簧7与圆形壳2相通且设在圆形壳2外部，并固定在圆形壳2上，该轻质弹簧7的作用在于预拉伸光栅；

光纤10穿过轻质弹簧7中心固定于质量片1中心处，圆形壳2通过多个弹簧4固定于框架5上。

进一步的，轻质弹簧7为中空结构且内部光滑，光纤10的直径略小于轻质弹簧7的内径，用于在水平方向预拉伸光栅。弹簧可以采用定制线径一毫米，内径三毫米的不锈钢弹簧，长度为0.8至1.2cm，长度选择不能过长，避免悬置弯曲，保证光纤与弹簧不接触；传统的水听器的封装结构需要固定光栅的两侧，并且通过这种固定方式达到预拉伸效果，圆形壳的内壁可以直接进行固定，而圆形壳外壁没有合适的固定点，本实施方式通过设置轻质弹簧的结构，轻质弹簧的作用是预拉伸和固定。

质量片1可采用一毫米厚铝片，质量片1不会导致弹簧弯曲。

在本发明中，可以在三维垂直方向各自安装一只相移光栅3，安装一只相移光栅3时，为一维光纤矢量水听器，其测试方向为相移光栅3的轴向；，安装两只相移光栅3时，为二维光纤矢量水听器，其测试方向为两只相移光栅3构成的平面，安装三只相移光栅3时，为三维光纤矢量水听器，其测试方向为三维空间。相移光栅3的安装方式均为：其一端连接于质量片1，另一端固定于圆形壳2的内壁。相移光栅3在圆形壳2的一端固定，相移光栅3的另一端是一开孔，固定一只轻质弹簧7，该弹簧的作用在于预拉伸光栅，光纤穿过弹簧7中心固定于质量片1中心处，圆形壳2通过弹簧4固定于框架上，构成水听器探头8。对于垂直方向，可以靠质量片的重量预拉伸光栅，此时轻质弹簧7可以换为内径略大于光纤直径且内部光滑的毛细钢管，用以保护光纤。光源12用于为相移光栅3提供泵浦光，相移光栅3被光源泵浦后产生激光。

设弹簧弹性系数为k(选择弹簧弹性系数应尽可能与光纤弹性系数相近)，横截面积为单位1，质量片面积为s，水听器所处声压场声压为p，此时质量片所受力为：

f＝ps

弹簧受力

f₁＝f＝ps

为预拉伸光纤，此时弹簧与光纤的伸缩量为△x₁，弹簧压缩，光纤拉伸，二者作用力相反，设受到外界声压作用下，二者的伸缩量变化为△x₂：

即

ps＝k△x₂ (1)

由上式可知，在外界声压确定，质量片的面积应尽可能大，达到放大声压的作用，弹簧的弹性系数尽可能小，水听器灵敏度将进一步提高。

传统矢量水听器是在圆壳内放置质量块，其质量块横截面积有限，设为s₁(s₁小于s)，未受声压作用时，预拉伸质量块两边光纤△x₃，受到声压作用下伸缩量△x₄：

即

ps₁＝k△x₄ (2)

对比公式(1)和公式(2)可知，安装为一维光纤矢量水听器时，在同样声压环境下，质量片外置声压灵敏度更高，并且质量片外置情况，在二维、三维情况下各个方向相互独立，并不会相互影响各自方向的灵敏度；相对于质量块置于圆环内部，在二维、三位情况下，随着同一块质量块固定光纤增多，在受到一个方向声压作用时，其余方向上的光纤也会对质量块产生阻止其单方向拉伸光线，从而降低水听器灵敏度。

指向性：在各个方向的声压都会使得质量块不同程度的拉伸或压缩固定于质量块上的光纤，也应此降低水听器的指向性性能。而质量片外置则不会因维度增加影响指向性。

本具体实施方式的工作原理为：光纤激光水听器探头8置于水下，当受到环境中垂直于质量片1的声压信号，质量片1压缩或拉伸相移光栅3，改变相移光栅3激射的中心波长，中心波长的变化通过光纤10经波分模块9传输至光纤干涉仪11，从而把光波长的变化转换为相位的变化，并发送到解调仪13，解调出质点振动加速度信号。

Claims (5)

1.一种光纤激光矢量水听器，它包括质量片(1)、圆形壳(2)、相移光栅(3)、多个弹簧(4)、框架(5)、轻质弹簧(7)、波分模块(9)、光线干涉仪(11)、光源(12)、解调仪(13)，

光源(12)，通过波分模块(9)连接探头(8)部分的相移光栅(3)，给相移光栅(3)提供泵浦光；

波分模块(9)，用于分隔开光源(12)的泵浦光和相移光栅(3)的输出光；

光纤干涉仪(11)，把相移光栅(3)的输出光的波长变化转换为相位变化，并且传输给解调仪(13)；

解调仪(13)，接收光线干涉仪(11)的相位信息，解调出质点的振动加速度信号；

其中光源(12)、波分模块(9)、水听器探头(8)通过光纤依次相连；水听器探头(8)、波分复用器(9)、光纤干涉仪(11)、解调仪(13)通过光纤依次相连。

其特征在于：光纤矢量水听器的探头部分(8)由质量片(1)、圆形壳(2)、相移光栅(3)、多个弹簧(4)、框架(5)、轻质弹簧(7)构成，其平均密度等于水的密度；

圆形壳(2)，用于光纤激光矢量水听器的内部结构保护；

至少一个相移光栅(3)，安装在圆形壳(2)内部，用于测量质点振动加速度；

至少一个质量片(1)安装在圆形壳(2)外部；

相移光栅(3)的一端固定于圆形壳(2)的内壁，相移光栅(3)的另一端为开孔状态且通过轻质弹簧(7)连接于质量片(1)，轻质弹簧(7)与圆形壳(2)相通且设在圆形壳(2)外部，并固定在圆形壳(2)上，该轻质弹簧(7)的作用在于预拉伸光栅；

光纤(10)穿过轻质弹簧(7)中心固定于质量片(1)中心处，圆形壳(2)通过多个弹簧(4)固定于框架(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光矢量水听器，其特征在于：轻质弹簧(7)为中空结构且内部光滑，光纤(10)的直径小于轻质弹簧(7)的内径，用于在水平方向预拉伸光栅。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤激光矢量水听器，其特征在于：轻质弹簧(7)的线径为0.1至1.5毫米，内径为1至4毫米，长度为0.8至1.2cm。

4.根据权利要求1所述的一种光纤激光矢量水听器，其特征在于：质量片(1)的厚度为0.1至2毫米，密度为3.7×10³～8.9×10³mg/cm³。

5.根据权利要求3所述的一种光纤激光矢量水听器，其特征在于：质量片(1)的厚度为0.1至2毫米，密度3.7×10³～8.9×10³mg/cm³。