CN109827653A - 一种完备光纤矢量传声器探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于包括：一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器，一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器和一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器。所述光纤标量传声器的结构体四周外表呈长方体，相邻的两个垂直面上分别承载所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器，且每个面上都具有与相应所述二维光纤矢量传声器或所述一维光纤矢量传声器外结构尺寸相同的凹槽，使其分别严格粘贴镶嵌在两个凹槽中，以及两个凹槽的方位和位置要保证所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器构成的三维“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。

Description

一种完备光纤矢量传声器探头

技术领域

本发明公开了一种完备光纤矢量传声器探头，特别涉及采用全光纤结构，用于同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列，尤其具有三维正交“8”字指向性的综合声学性能特点，而且结构简单、体积小、重量轻、成本低、易实现。

背景技术

随着光纤传感技术的快速发展，其应用范围越来越广泛。与传统的各类电传声器相比，光纤传声器具有独特的光纤性优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列、传输距离远、抗恶劣环境等。光纤传声器可以利用各种光学原理和合理结构，实现声波对光的调制，通过对光信号的解调来获得相应的声信号。

声信号的表征分别有标量物理量声压和矢量物理量质点振速。声压是一个标量物理量，其表现为无指向性的全向指向性，而质点振速作为一个矢量物理量，其具有方向性。一方面，对标量声压P的测量，传统声压传感器如驻极体电容传声器，不具备光纤传声器的优势特点，环境适应性差特是抗电磁干扰能力差，且灵敏度较低。而基于各种原理的光纤传声器中，基于相位调制的光纤法布里-珀罗传声器的结构更为简单易实现，且各项声学性能指标非常优良。另一方面，对矢量质点振速U的测量，一种是基于相位匹配的两只声压传声器的声压梯度计算得到，如声强计，所以作为一种间接获得质点振速的方法，表现出了技术局限性，尤其是相位匹配要求高和工作频带窄；另一种是基于硅微结构的质点振速传感器也是一种直接测量空气声质点振速的传声器，可参考本人之前的发明专利：一种测量空气声质点振速的传感器及其制造方法，而采用硅微工艺结构，一种热源丝-敏感丝一体的结构形式，由热阻效应产生的电阻差，通过解调该电阻差来得到相应的质点振速，故该传声器的主要缺陷是灵敏度较低且电阻式导致本底噪声高，通过电路信号放大处理后，虽然可一定程度增大灵敏度，但是同时本底噪声也随之提高，故信噪比不高；而且因热源丝-敏感丝的极大长宽比，其成型难度大且硅微工艺流程复杂；另外，其成本较高，如铂金材料费和各种工艺设备加工费等。因此，能够直接测量声信号质点振速的光纤矢量传声器更受青睐。

目前，在民用机械车辆工业噪声测量领域尤其军用声探测预警装备目标声源定位领域，对完备矢量传声器的需要日益增加。完备矢量传声器能够同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，其中三维正交分量的“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系，特别是四路目标信息和三维正交“8”字指向性的特点，给矢量声信号处理技术提供了更多选择性和可能性，可有效的减小所形成波束的宽度、提高空间信噪比、获取信号处理方面的增益。另外，利用矢量阵信号处理技术如矢量阵波束形成和矢量阵子空间谱估计，可有效提高DOA估计精度和多目标分辨能力。以上这些优势特点可解决传统常规方法所不能解决的问题，将大幅提升尤其是我国军用声探测装备的声学综合性能。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了克服现有传声器技术的不足，特别针对上述技术的不足，本发明公开了一种完备光纤矢量传声器探头，它是一种全光纤结构，用于同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列，尤其具有三维正交“8”字指向性的综合声学性能特点，而且结构简单、体积小、重量轻、成本低、易实现。

（二）技术方案

本发明一种完备光纤矢量传声器探头，包括：

一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器；

一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器；

一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器。

所述光纤标量传声器，用于直接测量标量声压P，其指向性为全指向性或无指向性，采用基于法布里-珀罗干涉仪的光纤标量传声器。

所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述光纤标量传声器，结构体四周外表呈长方体，且相邻的两个垂直面上分别承载所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器；

所述光纤标量传声器结构体相邻两个垂直面上分别具有相应所述二维光纤矢量传声器或所述一维光纤矢量传声器外结构尺寸相同的凹槽，使其分别严格粘贴镶嵌在两个凹槽中；

所述两个凹槽的方位位置要保证所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器构成的三维“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系；

所述两个凹槽的形状尺寸完全分别由所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器的结构体底面形状尺寸所决定，故通常结构体底面的形状可选为长方形或正方形，即相应凹槽的形状；

所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器的结构体底面尺寸通常均为几个毫米，因此相应凹槽采用微纳加工技术如激光微纳制造来实现。

所述二维光纤矢量传声器，用于直接测量声信号矢量质点振速U的两维正交分量，即呈现二维正交的“8”字指向性。

所述一维光纤矢量传声器，用于直接测量声信号矢量质点振速U的一维分量，即呈现一维“8”字指向性。

所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，能够同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，其中三维正交分量的“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。

（三）有益效果

从上述技术方案可知，本发明一种完备光纤矢量传声器探头具有如下有益效果：

（1）针对现有测量声压物理量且抗电磁干扰差的传统驻极体电容传声器，本发明一种完备光纤矢量传声器探头，采用光纤标量传声器，具有光纤的独特性能优势，如环境适应性强特别是抗电磁干扰能力强。

（2）针对现有基于硅微结构的质点振速传感器，其灵敏度较低、本底噪声高、信噪比低、成型难度大、工艺流程复杂且成本较高等弱点，本发明一种完备光纤矢量传声器探头，采用光纤矢量传声器，利用光纤的独特优势特点，全面推翻基于硅微结构的质点振速传感器的综合性能弱点。

（3）针对现有传声器阵列在军用声探测预警装备目标声源定位领域上应用表现出的传统问题，本发明一种完备矢量传声器能够同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，其中三维正交分量的“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系，特别是四路目标信息和三维正交“8”字指向性的特点，给矢量声信号处理技术提供了更多选择性和可能性，可有效的减小所形成波束的宽度、提高空间信噪比、获取信号处理方面的增益。另外，利用矢量阵信号处理技术如矢量阵波束形成和矢量阵子空间谱估计，可有效提高DOA估计精度和多目标分辨能力。

（4）本发明一种完备光纤矢量传声器探头，它是一种全光纤结构，用于同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列，尤其具有三维正交“8”字指向性的综合声学性能特点，而且结构简单、体积小、重量轻、成本低、易实现。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头结构示意图；

图2为根据本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器探头结构体中截面示意图；

图3为根据本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器探头结构示意图；

图4为根据本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器探头结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

101-光纤标量传声器 102-二维光纤矢量传声器

103-一维光纤矢量传声器 201-结构体

202-振膜 203-插芯套

204-插芯 205-单模光纤

206-前罩 207-凹槽

301-一组光纤敏感单元 302-另一组光纤敏感单元

303-栅区段 304-中间连接段

305-光信号传输单模光纤 306-承载体

307-桥墩 308-相邻桥墩间隙（声流道）

309-一侧桥墩上U形沟槽弯道区 310-另一侧桥墩上U形沟槽直道区

311-尼龙胶水粘固区 312-封装体

401-级联式微纳光纤布拉格光栅 402-栅区段

403-中间连接段 404-光信号传输单模光纤

405-承载体 406-承载体的U形沟槽弯道区（在流道通槽一侧）

407-承载体的U形沟槽直道区（在流道通槽另一侧）

408-尼龙胶水粘固区 409-封装体

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白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。需要说明的是，文中未详细描述或图中未详细绘出的实现方式，为所述技术领域中技术人员所共知的。另外，文中提供包含特定值的参数范围，所述技术领域技术人员所共知的是，参数无需确切等于相应值，而是可在允许的误差容限或设计约束内的近似值。

【第一实施例】

在本发明的第一实施例中，提供了一种完备光纤矢量传声器探头。第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头结构示意图，如图1所示，包括一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器101，一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器102和一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器103 （101、102、103将分别在本节的第二段、第三段和第四段中详细描述）。所述光纤标量传声器101用于直接测量标量声压P，其指向性为全指向性或无指向性。所述光纤标量传声器101结构体四周外表呈长方体，且相邻的两个垂直面上分别承载所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器。所述光纤标量传声器结构体101相邻两个垂直面上分别具有相应所述二维光纤矢量传声器102或所述一维光纤矢量传声器103外结构尺寸相同的凹槽，使其分别严格粘贴镶嵌在两个凹槽中。所述两个凹槽的方位位置要保证所述二维光纤矢量传声器102和所述一维光纤矢量传声器103构成的三维“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。所述二维光纤矢量传声器102用于直接测量声信号矢量质点振速U的两维正交分量，即呈现二维正交的“8”字指向性。所述一维光纤矢量传声器103用于直接测量声信号矢量质点振速U的一维分量，即呈现一维“8”字指向性。本发明一种完备光纤矢量传声器探头能够同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，其中三维正交分量的“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。

本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器探头结构体中截面示意图，如图2所示，包括：结构体201、振膜202、插芯套203、插芯204、单模光纤205、网罩206和凹槽207（邻面凹槽未画出）。所述光纤标量传声器探头是基于法布里-珀罗干涉仪结构的，其具体构成说明为：结构体201是一个中空结构，最上部的圆柱空腔结构用于固载振膜202，下部有一段内螺纹，用于固载具有相应外螺纹的插芯套203。所述插芯套203用于固载插芯204，且具有通气槽用于振膜202两侧的静压均衡。所述插芯204为一中空柱状结构，由单一材料构成或由两种不同材料构成，用于固载单模光纤205；插芯204与单模光纤205由工艺制作为一体，端面齐平，该端面与振膜202内侧面构成了一定长度的法布里-珀罗干涉腔体，则构成简化的低精细度干涉的两束光分别为单模光纤205端面的反射光和振膜202内侧面的反射光。需要重点说明的，一是所述光纤标量传声器探头是一种结构式温度自补偿的，只要保证插芯套203和插芯204的组合结构的材料热膨胀系数大于结构体201的材料热膨胀系数，就能够满足在外界大温度变化时（如-20℃～40℃）所述干涉腔体长度保持基本不变，从而实现环境温度的适应性；二是所述光纤标量传声器探头是具有长期结构稳定性的，在经过温度测试和结构调节后，采用激光焊接工艺将插芯套203和结构体201的底部周圈衔接处焊接在一起。所述网罩206用于保护振膜202。所述凹槽207（邻面凹槽未画出）用于固载具有相同对应尺寸的所述二维光纤矢量传声器102或所述一维光纤矢量传声器103。

本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器探头结构示意图，如图3所示，包括：用于直接感应表征声信号矢量物理量质点振速的2组光纤敏感单元，即一组光纤敏感单元301和另一组光纤敏感单元302，承载体306和装载体312；所述2组光纤敏感单元均由级联式微纳光纤布拉格光栅和光信号传输单模光纤305构成，其中级联式微纳光纤布拉格光栅是由两个布拉格光栅级联组成的，是掺杂C₀ ²⁺离子的特种光纤，在传输波长1480nm泵浦光时具有光热效应，且两个布拉格光栅的栅区结构及其光学参数完全相同；所述级联式微纳光纤布拉格光栅的整体可看成由两个栅区段303，且栅区均位于各栅区段的中心，以及连接两段的中间连接段304构成；栅区段303的可选长度L1要大于1mm；以中间连接段304的中点为中点弯成半U形跑道形状，使两段栅区段303对称分列两侧，且两者间距可选2*R为100-200μm；中间连接段304的长度包括半圆长度和两侧的两段直道长度，其中半圆长度由两段栅区段的间距确定为pi*R，而两直道可选长度L2任意，故级联式微纳光纤布拉格光栅的总长度为2*L1+pi*R+2*L2。所述光信号传输单模光纤305一共两段，为康宁普通单模光纤，分别与级联式微纳光纤布拉格光栅的两端熔接在一起，其可选长度任意；这样，级联式微纳光纤布拉格光栅和光信号传输单模光纤305构成一个全光纤体的光纤敏感单元，是一个完整的半U形跑道形状；其两端分别接入和传输探测光和泵浦光，并将感应质点振速的布拉格光栅谐振反射光谱传输给光探测器。所述级联式微纳光纤布拉格光栅的加工方法，大多采用氢氟酸腐蚀直接腐蚀已刻有布拉格光栅的特种光纤，或者使用微纳光纤制作平台将特种光纤拉锥后再掩膜光刻布拉格光栅；在加工所述级联式微纳光纤布拉格光栅前，先将两段光信号传输单模光纤305分别与级联式微纳光纤布拉格光栅的两端熔接在一起；在采用氢氟酸腐蚀的时，只需要腐蚀级联式光纤布拉格光栅的部位，使其直径达到微纳尺寸；或者在采用微纳光纤制作平台只对特种光纤段进行加热拉锥；这样可避免后期先制作级联式微纳光纤布拉格光栅，后熔光信号传输单模光纤因直径不同导致的难熔接甚至无法熔接的难题。所述承载体306选择对光传输无扰动的材料，其结构为在正方体一个上表面加工出一定高度的分别沿x轴和y轴两两一组一定间距对称分列的四个桥墩307结构，且相邻桥墩之间有一定间隙作为声流道308；用于分别搭承垂直分布的2组光纤敏感单元，以形成各自相应的桥式结构，桥梁为栅区段303，故一组两桥墩的间距等于栅区段303的长度L1，即栅区段302完全悬空作为桥梁，且栅区在桥梁中间位置；桥墩307的可选高度为大于200μm；每组桥墩307的上表面均开有承载相应光纤敏感单元的沟槽，其形状与所述微纳光纤布拉格光栅的半U形跑道形状完全相同，包括一侧桥墩上U形沟槽弯道区309和另一侧桥墩上U形沟槽直道区310；所述分别承载2组光纤敏感单元的沟槽，即沿x轴沟槽和沿y轴沟槽，其在z轴上的深度不同，两者之间的可选中心间距为大于150μm；沟槽宽度均为125μm，与康宁普通光纤/特种光纤的裸光纤直径相等。由于在z轴上的深度差和2组敏感光纤单元的正交分布性，向桥墩的U形沟槽内放置2敏感光纤单元时，先将一组放置到较深的沟槽内，然后再将另一组放置到浅的沟槽内；在封装之前先将两段光信号传输单模光纤305用尼龙胶水粘固在沟槽直道区310内，形成尼龙胶水粘固区311。所述封装体312与承载体306结构完全相同，除了没有半U形跑道形状的沟槽。所述封装体312用尼龙胶水恰好对齐倒扣粘接在承载体306的正上面，形成一个对扣式的封装结构，且形成了四个声流道孔；用来保护全光纤体，并且在声学性能上获得一定的增益。

本发明第一实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器探头结构示意图，如图4所示，包括：用于直接感应表征声信号矢量物理量质点振速的级联式微纳光纤布拉格光栅401、光信号传输单模光纤404、承载体405和装载体409；所述级联式微纳光纤布拉格光栅401是由2个布拉格光栅级联构成，是掺杂C₀ ²⁺离子的特种光纤，在传输波长1480nm泵浦光时具有光热效应，且2个布拉格光栅的栅区结构及其光学参数完全相同；所述级联式微纳光纤布拉格光栅的整体可分成各含1个栅区的两段栅区段402，且栅区位于各段的中心，以及连接两段的中间连接段403；栅区段402的可选长度L1要大于1mm；以中间连接段403的中点为中点弯成半U形跑道形状，使两段栅区段402对称分列两侧，且两者间距可选2*R为100-200μm；中间连接段403的长度包括半圆长度和两侧的两段直道长度，其中半圆长度由两段栅区段的间距确定为pi*R，而两直道可选长度L2任意。故级联式微纳光纤布拉格光栅的总长度为2*L1+pi*R+2*L2。所述光信号传输单模光纤404一共两段，为康宁普通单模光纤，分别与级联式微纳光纤布拉格光栅401的两端熔接在一起，其可选长度任意；这样，级联式微纳光纤布拉格光栅401和光信号传输单模光纤404构成一个全光纤体，形成一个完整的半U形跑道形状；两端分别接入和传输探测光和泵浦光，并将感应质点振速的布拉格光栅谐振光谱传输给光探测器。所述级联式微纳光纤布拉格光栅401的加工方法，大多采用氢氟酸腐蚀直接腐蚀已具有布拉格光栅的特种光纤，或者使用微纳光纤制作平台将特种光纤拉锥后再掩膜光刻布拉格光栅；在加工所述级联式微纳光纤布拉格光栅前，先将两段光信号传输单模光纤404分别与级联式微纳光纤布拉格光栅401的两端熔接在一起；在采用氢氟酸腐蚀的时，只需要腐蚀级联式光纤布拉格光栅401部位，使其直径达到微纳尺寸；或者在采用微纳光纤制作平台只对特种光纤段进行加热拉锥；这样可避免后期先制作级联式微纳光纤布拉格光栅401，后熔光信号传输单模光纤因直径不同导致的难熔接甚至无法熔接的难题。所述承载体405选择光传输无扰动的材料，其整体结构具有一个空气流道通槽的长方体，用于搭承微纳光纤布拉格光栅401形成简支梁桥式结构；空气流道通槽的可选深度大于200μm，长度等于栅区段402的长度L2，即栅区段402完全悬空作为桥梁，且栅区在桥梁中间位置；承载体405的上表面开有承载微纳光纤布拉格光栅的U形沟槽，其形状与级联式微纳光纤布拉格光栅401和光信号传输单模光纤404构成的全光纤体完全一致，除了流道通槽部分无相应沟槽，如图3所示，承载体结构示意图，包括流道通槽一侧的U形沟槽弯道区406和另一侧的U形沟槽弯道区407，其沟槽宽度和深度均为125μm，与康宁普通光纤/特种光纤的裸光纤直径相等。在封装之前先将两段光信号传输单模光纤404用尼龙胶水粘固在承载体U形沟槽直道区407内，形成尼龙胶水粘固区408。所述封装体409与承载体405结构完全相同，除了没有半U形跑道形状的沟槽。所述封装体409用尼龙胶水恰好对齐倒扣粘接在承载体405的正上表面，形成一个对扣式的封装结构，且两个流道槽构成一个流道孔；用来保护全光纤体，并且在声学性能上获得一定的增益。

【第二实施例】

本发明第二实施例为一优选实施例，基于本发明一种完备光纤矢量传声器探头的结构特点，也可先设计确定出所述二维光纤矢量传声器探头和所述一维光纤矢量传声器探头，然后基于上述两个传声器探头的结构尺寸给出两相邻面上相应凹槽的尺寸，以设计确定出所述光纤标量传声器探头，最后按照所述说明书来完成所有探头间的粘固组装。

本发明第二实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器探头。级联式微纳光纤布拉格光栅采用掺杂C₀ ²⁺离子的特种光纤，在最大500mW功率下，泵浦光传输波长1480nm时，特种光纤的最高温度可达到约570℃。常温状态下的两个布拉格光栅的反射光谱中心波长均为1550nm，栅区段长度L1为1.5mm。栅区段的间距2*R为150μm，则半圆长度pi*R为236μm，直道长度L2为1mm，故级联式微纳光纤布拉格光栅的总长度2*L1+pi*R+2*L2为5.236mm。购买已具有上述参数的两个布拉格光栅级联的掺杂C₀ ²⁺离子的特种光纤。借助显微镜表示出5.236mm级联式微纳光纤布拉格光栅两侧位置，并准确切割后与光信号传输单模光纤熔接在一起。注意一端切割熔接完成后再处理另一端，为了便于拾取操作将两段光信号传输单模光纤的长度均选择为10cm，以便于与跳线熔接后连接到相应光学元器件。级联式微纳光纤布拉格光栅的加工方法采用HF腐蚀及表面光滑后处理，得到的直径约为4μm，腐蚀及表面光滑后处理区域尽量只加工上述总长度5.236mm对应区域，这样桥墩上U形沟槽直道区可以承载一定长度的光信号传输单模光纤，整体强度更优良。承载体的材料选择为硅片，整体结构尺寸长×宽×厚为4.5mm×4.5mm×1mm，激光微纳加工出桥墩的长×宽为1.5mm×1mm，桥墩的高度为550μm；承载一组光纤敏感单元的沟槽深度为125μm，承载另一组光纤敏感单元的沟槽深度为350μm，即两组光纤敏感单元在z轴上的中心间距为225μm；桥墩表面上沟槽宽均为125μm，然后用划片机切割出整体结构尺寸的小片。在显微镜下将两组光纤敏感单元的各个级联式微纳光纤布拉格光栅标记处栅区位置和中间连接段中心位置，以中心处弯折后，逐个依次将其拉动拖进桥墩表面上的U形沟槽内，并按照说明书用尼龙胶水固定住。注意先将一组放置到较深的沟槽内，然后再将另一组放置到浅的沟槽内。最后用尼龙胶水将封装体恰好对齐倒扣粘接在承载体的正上面，形成一个对扣式的封装结构，且形成了四个声流道孔。

本发明第二实施例一种完备光纤矢量传声器探头采用的一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器探头。级联式微纳光纤布拉格光栅采用掺杂C₀ ²⁺离子的特种光纤，在最大500mW功率下，泵浦光传输波长1480nm时，特种光纤的最高温度可达到约570℃。常温状态下的两个布拉格光栅的反射光谱中心波长均为1550nm，栅区段长度L1为1.5mm。栅区段的间距2*R为150μm，则半圆长度pi*R为236μm，直道长度L2为1mm，故级联式微纳光纤布拉格光栅的总长度2*L1+pi*R+2*L2为5.236mm。购买已具有上述参数的两个布拉格光栅级联的掺杂C₀ ²⁺离子的特种光纤。借助显微镜表示出5.236mm级联式微纳光纤布拉格光栅两侧位置，并准确切割后与光信号传输单模光纤熔接在一起。注意一端切割熔接完成后再处理另一端，为了便于拾取操作将两段光信号传输单模光纤的长度均选择为10cm，以便于与跳线熔接后连接到相应光学元器件。级联式微纳光纤布拉格光栅的加工方法采用HF腐蚀及表面光滑后处理，得到的直径约为4μm，腐蚀及表面光滑后处理区域尽量只加工上述总长度5.236mm对应区域，这样承载体的U形沟槽直道区可以承载一定长度的光信号传输单模光纤，这样整体强度更优。承载体的材料选择为硅片，整体结构尺寸长×宽×厚为4.5mm×1.5mm×1mm，激光微纳加工出流道通槽的长×深为1.5mm×550μm，表面上的U形沟槽宽×深为125×125μm，然后用划片机切割出整体结构尺寸的小片。在显微镜下将级联式微纳光纤布拉格光栅标记处栅区位置和中间连接段中心位置，然后弯折拉动拖进承载体表面上的U性沟槽内，并按照说明书用尼龙胶水固定住。最后用尼龙胶水将封装体恰好对齐倒扣粘接在承载体的正上面，形成一个对扣式的封装结构，且两个流道槽构成一个流道孔。

根据上述第二实施例中二维光纤矢量传声器探头和一维光纤矢量传声器探头的结构尺寸，可以给出所述光纤标量传声器探头两相邻面上相应凹槽的尺寸长×宽×深分别为4.5mm×4.5mm×450μm和4.5mm×1.5mm×450μm。因此光纤标量传声器的振膜尺寸可参考传统驻极体电容传声器的尺寸，选择1/2或1/4英寸，这样其结构体四周面的宽度可选为12mm或6mm，满足凹槽最大尺寸4.5mm的要求，且结构体的厚度要满足凹槽深度尺寸450μm的要求，以及结构体的长度选择50mm。然后用尼龙胶水将二维光纤矢量传声器探头和一维光纤矢量传声器探头分别粘固在相应的凹槽内，所构成的三维正交“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。需要说明的是，其中二维光纤矢量传声器探头提供的二维指向性可作为三维分量中的Ux和Uz，而一维光纤矢量传声器探头提供的一维指向性可作为三维分量中的Uy；当然把二维光纤矢量传声器探头提供的二维指向性作为三维分量中的Uy和Uz；而一维光纤矢量传声器探头提供的一维指向性可作为三维分量中的Ux，亦可。

综上所述，本发明一种完备光纤矢量传声器探头，是一种全光纤结构，用于同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列，尤其具有三维正交“8”字指向性的综合声学性能特点，而且结构简单、体积小、重量轻、成本低、稳定性好、易实现，具有良好的应用前景。

Claims (8)

1.一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于包括：一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器，一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器和一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器。

2.根据权利要求1所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述光纤标量传声器，用于直接测量标量声压P，其指向性为全指向性或无指向性。

3.根据权利要求1所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述光纤标量传声器，结构体四周外表呈长方体，且相邻的两个垂直面上分别承载所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器。

4.根据权利要求1和3所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述光纤标量传声器结构体相邻两个垂直面上分别具有相应所述二维光纤矢量传声器或所述一维光纤矢量传声器外结构尺寸相同的凹槽，使其分别严格粘贴镶嵌在两个凹槽中。

5.根据权利要求1和4所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述两个凹槽的方位位置要保证所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器构成的三维“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。

6.根据权利要求1所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述二维光纤矢量传声器，用于直接测量声信号矢量质点振速U的两维正交分量，即呈现二维正交的“8”字指向性。

7.根据权利要求1所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述一维光纤矢量传声器，用于直接测量声信号矢量质点振速U的一维分量，即呈现一维“8”字指向性。

8.根据权利要求1所述的一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于，能够同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，其中三维正交分量的“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。