CN109916499A - 一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于包括：用于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、承载体和封装体；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构成；所述级联式微纳光纤布拉格光栅是由两个微纳光纤布拉格光栅级联构成；所述的光信号传输单模光纤一共有两段，分别与级联式微纳光纤布拉格光栅的两端熔接在一起；所述承载体是用于承载级联式微纳光纤布拉格光栅的结构体；所述的封装体用于保护级联式微纳光纤布拉格光栅的封装结构。本发明一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，是一种全光纤结构，具有二维“8”字指向性正交的声学性能特点。

Description

一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头

技术领域

本发明公开了一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，特别涉及采用全光纤结构，用于直接测量空气声质点振速，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“8”字指向性正交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。在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。但目前的光纤传声器与传统的电传声器一样，是拾取表征声信号的标量物理量声压。

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。之前对质点振速的测量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。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。因此，一种能够测量声信号质点振速的光纤传声器的研究更加受到青睐。

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。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。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，通过电路放大后，虽然可提高灵敏度，但是同时本低噪声也随之提升，故信噪比不高。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。

目前，在民用机械车辆工业噪声测量领域和军用声探测预警装备目标声源定位领域，对矢量传声器的需要日益紧迫。矢量传声器的“8”字指向性和多路目标信息的特点，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，这些优势特点将大幅提升尤其是我国军用声探测装备的声学综合性能。二维矢量传声器也可以由两个一维矢量传声器在结构上通过粘贴组装构成，但具有不严格正交的局限性。

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“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，它是一种全光纤结构，用于直接测量空气声质点振速，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“8”字指向性正交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

本发明一种二维光纤矢量传声器探头，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；

承载体；

封装体。

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构成；

所述承载体是用于承载2组光纤敏感单元的结构体；

所述封装体是用于保护2组光纤敏感单元的结构体。

所述级联式微纳光纤布拉格光栅是由两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分成各含一个栅区的两段，且栅区位于各段的中心，以及连接两段的中间连接段；含栅区的两段栅区段可选长度为大于1mm；

所述级联式微纳光纤布拉格光栅以中间连接段的中点为中点弯成半U形跑道形状，使两段栅区段对称分列两侧，且可选间距100-200μm；

中间连接段长度包括半圆长度和两侧的直道长度，其中半圆长度由两段栅区段的间距确定，而两直道可选长度任意。

所述光信号传输单模光纤一共两段，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。

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；这样可避免先制作级联式微纳光纤布拉格光栅，造成后期因与光信号传输单模光纤直径不同导致的难熔接甚至无法熔接的难题。

所述承载体选择不扰动光传输的材料，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结构，且相邻桥墩之间有一定间隙作为声流道；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，桥梁为微纳光纤布拉格光栅，故一组两桥墩的间距等于栅区段的长度；桥墩的可选高度为大于200μm；

每组桥墩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；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，两者之间的可选间距为大于150μm；沟槽宽度均为125μm；

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。

在封装之前先将光信号传输单模光纤用尼龙胶水粘固在桥墩的沟槽内。

所述封装体与承载体结构完全相同，除了没有半U形跑道形状的沟槽。所述封装体用尼龙胶水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；用来保护全光纤体，并且在声学性能上获得一定的增益。

（三）有益效果

从上述技术方案可知，本发明一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头具有如下有益效果：

（1）针对现有光纤传声器的只能测量声压物理量的无指向性特点，本发明是一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，具有“8”字指向性。

（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，本发明将硅微工艺成型的薄丝结构替换成级联式微纳光纤布拉格光栅结构，利用光纤性的优势特点，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）本发明一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，完全可以替换由两个一维矢量传声器在结构上通过粘贴组装构成的二维矢量传声器，解决了指向性不严格正交的局限性。

（4）本发明一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，它是一种全光纤结构，用于直接测量空气声质点振速，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“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二维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二维光纤矢量传声器探头中2组光纤敏感单元均采用的级联式微纳光纤布拉格光栅结构示意图；

图3为根据本发明第一实施例一种二维光纤矢量传声器探头采用的承载体结构示意图；

图4为根据本发明第一实施例一种二维光纤矢量传声器探头承载体装有2组光纤敏感单元示意图；

图5为根据本发明第一实施例一种二维光纤矢量传声器探头采用的封装体结构示意图；

图6为根据本发明第一实施例一种二维光纤矢量传声器探头的“8”字正交指向性示意图。

【本发明主要元件符号说明】

101-一组光纤敏感单元；

102-另一组光纤敏感单元；

103-栅区段；

104-中间连接段；

105-光信号传输单模光纤；

106-承载体；

107-桥墩；

108-相邻桥墩间隙（声流道）；

109-一侧桥墩上U形沟槽弯道区；

110-另一侧桥墩上U形沟槽直道区；

111-尼龙胶水粘固区；

112-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。

【第一实施例】

在本发明的第一个示范性实施例中，提供了一种二维光纤矢量传声器探头。第一实施例一种二维光纤矢量传声器探头结构示意图，如图1所示，本实施例一种二维光纤矢量传声器探头包括：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101和另一组光纤敏感单元102，承载体106和装载体112；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105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103，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104构成；栅区段103的可选长度L1要大于1mm；以中间连接段104的中点为中点弯成半U形跑道形状，使两段栅区段103对称分列两侧，且两者间距可选2*R为100-200μm；中间连接段104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，如图2所示，级联式微纳光纤布拉格光栅结构示意图。

所述光信号传输单模光纤105一共两段，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105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105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106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107结构，且相邻桥墩之间有一定间隙作为声流道108；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103，故一组两桥墩的间距等于栅区段103的长度L1，即栅区段102完全悬空作为桥梁，且栅区在桥梁中间位置；桥墩107的可选高度为大于200μm；每组桥墩107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109和另一侧桥墩上U形沟槽直道区110；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；如图3所示，承载体结构示意图。

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105用尼龙胶水粘固在沟槽直道区110内，形成尼龙胶水粘固区111；如图4所示，承载体装有2组光纤敏感单元示意图。

所述封装体112与承载体106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112用尼龙胶水恰好对齐倒扣粘接在承载体106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；如图5所示，封装体结构示意图。

本发明的工作原理是光纤敏感单元的级联式微纳光纤布拉格光栅在一定功率泵浦光传输下，两段栅区段因光热效应达到一定的工作温度后，在没有声信号激励的情况下，承载体的流道孔内温度场达到了一个动态平衡状态，两栅区段的温度相同，则两个布拉格光栅的反射谱中心波长相同；而有声信号激励的情况下，质点振速对动态平衡温度场产生了扰动，从而使得两个栅区段的温度产生了差异△T，该温度差使两个布拉格光栅的反射谱中心波长相对发生漂移，而布拉格光栅的反射中心波长随温度的提高发生红移，即温度高则中心波长大，通过解调这个漂移量来得到质点振速；如图6所示，二维光纤矢量传声器探头的“8”字正交指向性示意图。

【第二实施例】

本发明第二实施例为一优选实施例，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2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2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。

上述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改、等效变化及修饰，皆应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明一种“8”字指向性正交的二维矢量传声器探头，具有结构简单、易于制作、成本低的优点，有良好的应用前景。

Claims (10)

1.一种“8”字指向性正交的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于包括：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、承载体和封装体；

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构成；

所述承载体是用于承载2组光纤敏感单元的结构体；

所述封装体是用于保护2组光纤敏感单元的结构体。

2.根据权利要求1所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述级联式微纳光纤布拉格光栅是由两个微纳布拉格光栅级联构成；所述光信号传输单模光纤一共两段，分别与级联式微纳光纤布拉格光栅的两端熔接在一起。

3.根据权利要求1或2所述的二维光纤矢量传声器探头，所述级联式微纳光纤布拉格光栅，是一种特种光纤，在传输一定波长的泵浦光时具有光热效应，且两个微纳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个栅区的栅区段，且栅区位于各段的中心，以及连接两段的中间连接段。

4.根据权利要求1或3所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述级联式微纳光纤布拉格光栅以中间连接段的中点为中点弯成半U形跑道形状，使两段栅区段对称分列两侧；所述中间连接段长度包括半圆长度和两侧的直道长度，其中半圆长度由两段栅区段的间距确定，而两直道可选长度任意。

5.根据权利要求1或2所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述光信号传输单模光纤一共两段，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。

6.根据权利要求1或4所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，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分别与级联式微纳光纤布拉格光栅的两端熔接在一起。

7.根据权利要求1所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，在三维笛卡尔坐标系内2组光纤敏感单元分别沿x轴和y轴成垂直正交分布，且各在一个平面内，以及在z轴上两者有一定间距。

8.根据权利要求1所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述承载体选择不扰动光传输的材料，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结构，且相邻桥墩之间有一定间隙作为声流道；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。

9.根据权利要求1或8所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，每组桥墩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；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，其深度不同，即两者在z轴上有一定间距；在封装之前先将光信号传输单模光纤用尼龙胶水粘固在桥墩的沟槽内。

10.根据权利要求1所述的二维光纤矢量传声器探头，其特征在于，所述封装体与承载体结构完全相同，除了没有半U形跑道形状的沟槽；所述封装体用尼龙胶水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；用来保护全光纤体，并且在声学性能上获得一定的增益。