CN114509152B - 基于并带光栅阵列的水听器和制造方法及声压检测方法 - Google Patents

基于并带光栅阵列的水听器和制造方法及声压检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于并带光栅阵列的水听器，它包括钢绞线、弹性增敏层、并带光栅阵列光纤，弹性增敏层包裹钢绞线，钢绞线和弹性增敏层共同组成水听器的芯轴，并带光栅阵列光纤等螺距的缠绕在弹性增敏层上，并带光栅阵列光纤的每根光纤中相邻两个光栅形成一个水下声压信号测区。本发明能实现高灵敏度、耐水压的分布式光纤水听检测。

Description

基于并带光栅阵列的水听器和制造方法及声压检测方法
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，具体地指一种基于并带光栅阵列的水听器和制造方法及声压检测方法。
背景技术
随着潜艇、水下潜航器等水下目标的工作深度和减震降噪技术不断提高，对水听器的耐水压能力、灵敏度提出了更高的要求。因此亟需一种高灵敏度、耐水压的新型水声传感监测网络。
传统的压电式水听器由于不抗电磁干扰、灵敏度低、信噪比差等问题，使其在海洋应用环境中受到限制。而光纤水听器是通过水下声压信号对光纤中传输光的调制作用来进行探测，相比于传统的压电类水听器具有灵敏度高、信噪比强、抗电磁干扰、易于大规模组网等优点，在海洋监测领域具有广阔的应用前景。
基于光纤干涉仪的水听器，20世纪70年代被美国海军实验室首次提出后，就引起了各国科学界的广泛研究，其声压灵敏度比压电型提高了30dB，但是这类干涉式水听器需要一些不能集成在光纤中的各种光学元件构成干涉结构，大规模成阵时需要大量的这种光学元件，并产生大量的光纤熔接点，无法进行大规模复用。(参考文献：Plotnikov M Y,Lavrov V S,Dmitraschenko P Y,et al.Thin cable fiber-optic hydrophone arrayfor passive acoustic surveillance applications[J].IEEE Sensors Journal,2019,19(9):3376-3382.)
基于分布式光纤的水听器，与传统的干涉型光纤水听器相比，分布式光纤水听器仅有一根光纤组成，通过后向瑞利散射信号来进行声压信号感知，可以大规模组网复用，并且具备较高的可靠性。但是，散射光极其微弱并且随机分布，造成检测信噪比低、灵敏度差，需要通过增加光纤长度来提高灵敏度，难以保证水听器阵列空间分辨率。(参考文献：Lu B,Wu B,Gu J,et al.Distributed optical fiber hydrophone based on Φ-OTDR and itsfield test[J].Optics Express,2021,29(3):3147-3162.)
基于光栅阵列光纤的水听器，该方法采用光栅反射信号来进行声压信号感知，在保障有效的信噪比的同时可以进行大规模组网复用，但是光栅在水下受到的压力作用，使光栅中心波长发生漂移，无法正常的解调水下声压信号，因此无法在较深的水下环境使用。(参考文献：耐用的光纤阵列CN 200380100913.0)。
综上所述，现有的光纤水听器结构难以同时实现高灵敏度、耐水压的应用需求。基于以上问题，需要一种具备高灵敏度、耐水压的新型分布式光纤水听检测技术。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于并带光栅阵列的水听器和制造方法及声压检测方法。本发明能实现高灵敏度、耐水压的分布式光纤水听检测。
为实现此目的，本发明所设计的一种基于并带光栅阵列的水听器，它包括钢绞线、弹性增敏层、并带光栅阵列光纤，弹性增敏层包裹钢绞线，钢绞线和弹性增敏层共同组成水听器的芯轴，并带光栅阵列光纤等螺距的缠绕在弹性增敏层上，并带光栅阵列光纤的每根光纤中相邻两个光栅形成一个水下声压信号测区。
上述水听器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：将聚氨酯材料通过加热挤塑，与钢绞线固化形成轴对称结构的实心弹性增敏芯轴；
步骤二：将多根光栅阵列光纤通过光纤并带装置，制备成并列排布的并带光栅阵列光纤，并保证相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅之间的轴向距离相等，同时，相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅之间的轴向距离为光栅阵列光纤中光栅间距的四分之一；
步骤三：将并带光栅阵列光纤等螺距的缠绕在实心弹性增敏芯轴上，缠绕过程中保持并带光栅阵列光纤张力恒定；
步骤四：将聚氨酯材料，通过加热、挤压的方式，在缠绕了并带光栅阵列光纤的芯轴结构外固化一层外护套。
一种基于上述水听器的声压检测方法，缠绕在水听器芯轴上的并带光栅阵列光纤在声压信号的作用下，发生轴向应变，利用干涉型解调原理，通过检测光纤轴向应变所引起的相位变化，实现水下声压信号检测。
本发明的有益效果：
1、本发明采用并带光栅阵列光纤，将四根相同的光栅阵列光纤合并为一根并带光纤，能够有效的提高光纤的抗拉性能，避免并带光纤在缠绕过程中受到较大的拉力而断裂。
2、本发明采用并带光栅阵列光纤可以增加外护套与光纤的接触面积，有效的降低水压对外护套的压力作用致使光栅中心波长漂移的影响。
3、本发明采用的并带光栅阵列光纤，其传感区域在水听器的延伸方向上交叠分布，提高水听器阵列阵元数量，增加水听器阵列阵增益，提高水下弱小目标探测能力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的并带光栅阵列光纤结构示意图；
其中，1—钢绞线、2—弹性增敏层、3—并带光栅阵列光纤、3.1—光栅、4—外护套。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1和2所示的基于并带光栅阵列的水听器，它包括钢绞线1、弹性增敏层2、并带光栅阵列光纤3，弹性增敏层2包裹钢绞线1，钢绞线1和弹性增敏层2共同组成水听器的芯轴，并带光栅阵列光纤3等螺距的缠绕在弹性增敏层2上(等螺距可以保证水听器各测区的定位准确性，缠绕可以提高单位水听器长度内光纤长度，增加水听器的灵敏度)，并带光栅阵列光纤3的每根光纤中相邻两个光栅3.1形成一个水下声压信号测区，用于感知水下声压信号，缠绕后，并带光栅阵列光纤3的各个水下声压信号测区沿着缠绕方向延伸并相互交叠(每一个测区与前后测区部分重合，可以增加水听器数量)。
上述技术方案中，并带光栅阵列光纤3的每根光纤中相邻两个光栅3.1之间的光纤形成一个水下声压信号测区，当声压信号作用于水听器时，由于声压的变化导致相邻两个光栅3.1之间的光纤长度变化。通过检测各测区光纤长度的变化，感知水听声压信号。
上述技术方案中，它还包括外护套4，外护套4包裹缠绕了并带光栅阵列光纤3的弹性增敏层2，弹性增敏层具备较强的动态压力响应特性，当声压信号作用于水听器时，增加光纤长度的变化。
上述技术方案中，所述钢绞线1直径为5mm，所述钢绞线1由多根直径为1mm的镀锌防锈铁丝组成。一方面用于承受水听器的纵向拉力和侧压力，另一方面钢绞线要具备较强的弯曲性能，可以使水听器在一定程度上弯曲。
上述技术方案中，所述弹性增敏层2为聚氨酯材料弹性增敏层，聚氨酯材料弹性增敏层的厚度范围为4～8mm，聚氨酯材料弹性增敏层的杨氏模量<<并带光栅阵列光纤3的杨氏模量(当声压信号作用于水听器时，弹性增敏层产生更大的形变，增加光纤长度的变化)。钢绞线1和弹性增敏层2共同组成的水听器芯轴的直径范围为13～21mm，芯轴直径由并带光纤的弯曲损耗决定，直径越小，并带光纤损耗越大，可形成水听器规模越小，直径越大，缠绕后的水听器直径越大，限制水听器的长度，因此芯轴直径在一定的范围内调节。
上述技术方案中，所述并带光栅阵列光纤3由四根相同的光栅阵列光纤并列排布组成，相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅3.1之间的轴向距离相等(确保并带光栅阵列光纤的光栅等间隔分布)。多根相同的光栅阵列光纤通过紫外固化胶固化，形成一根并带光栅阵列光纤3(并带光纤可以提高光纤的机械强度，同时降低水压的影响)。相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅3.1之间的轴向距离为光栅阵列光纤中光栅间距的四分之一(确保并带光栅阵列光纤的光栅等间隔分布，确保水听器各个测区定位的准确性)。
如图2所示，上述技术方案中的光栅阵列光纤中的光栅3.1是等间距分布的，其光栅3.1间距在5～20m范围内调节，其间距根据实际应用中对水听器声压灵敏度的检测需求而定。
上述技术方案中，所述光栅阵列光纤中的光栅3.1为啁啾光栅或宽谱光纤布拉格光栅，其反射光谱的3dB带宽≥3nm，可以有效的减小水压和温度声压信号探测的影响。
上述技术方案中，光栅阵列光纤中的光栅3.1为全同弱光栅，反射率<-40dB，在保证光栅反射信号的信噪比的同时，可以有效的增加其复用容量，增加水听器的探测距离。
上述技术方案中，并带光栅阵列光纤的缠绕比(水听器的长度与缠绕的光纤长度比值)根据具体应用环境下检测空间分辨率的需求在一定范围内可调，缠绕张力保持在50～200g，提高并带光纤与芯轴耦合效率，避免并带光纤缠绕时产生松弛。
上述技术方案中，外护套4采用聚氨酯材料，其厚度范围在1～3mm，外护套4用于保护并带光栅阵列光纤3不受磨损、机械应力的破坏，同时，当水下声压信号作用于水听器时，外护套由于声压信号的影响，在径向上产生形变从而对并带光栅阵列光纤3产生挤压，使光纤长度发生变化，提高声压信号与水听器的耦合效率，从而增加水听器的声压灵敏度。
一种上述水听器的制造方法，它包括如下步骤：
步骤一：将聚氨酯材料通过加热挤塑，与钢绞线1固化形成轴对称结构的实心弹性增敏芯轴；
步骤二：将四根光栅阵列光纤通过光纤并带装置，制备成并列排布的并带光栅阵列光纤3，并保证相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅之间的轴向距离相等，同时，相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅之间的轴向距离为光栅阵列光纤中光栅间距的四分之一；
步骤三：将并带光栅阵列光纤3等螺距的缠绕在实心弹性增敏芯轴上，缠绕过程中保持并带光栅阵列光纤3张力恒定；
步骤四：将聚氨酯材料，通过加热、挤压的方式，在缠绕了并带光栅阵列光纤3的芯轴结构外固化一层外护套4，外护套的作用是一方面是保护光栅阵列光纤3，使水听器更好的适用于水下复杂环境，避免光纤收到损伤，另一方面可提高水听器的声压灵敏度。
一种上述水听器的声压检测方法，该方法为缠绕在水听器芯轴上的并带光栅阵列光纤3在声压信号的作用下，发生轴向应变，利用干涉型解调原理，通过检测光纤轴向应变所引起的相位变化，实现水下声压信号检测，具体方法为：
采用四通道干涉型分布式光纤光栅水声传感解调设备，将并带光纤中四根光栅阵列光纤分别接入至解调设备四个通道中，利用脉冲干涉法对并带光栅阵列光纤的光栅测区中相邻两个光栅反射脉冲的干涉信号进行独立解调，得到各测区的所述干涉信号的相位变化，最后通过干涉信号相位变化，线性还原得到水下声压信号的时间、频率信息。
水下声压信号先传递到水听器的外护套上，再通过外护套传递至并带光栅阵列光纤上，由于并带光栅阵列光纤缠绕在芯轴结构上，并保持恒定的张力，并且并带光栅阵列光纤与芯轴结构紧密接触，外护套与并带光栅阵列光纤紧密接触，当声压信号传递至外护套表面时，能够及时有效的传递至并带光栅阵列光纤上，从而引起缠绕在芯轴结构上的光纤发生轴向应变；利用干涉型解调原理，通过检测光纤轴向应变所引起的相位变化，即可实现水下声压信号检测。
本说明书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 (8)

1.一种基于并带光栅阵列的水听器，其特征在于：它包括钢绞线(1)、弹性增敏层(2)、并带光栅阵列光纤(3)，弹性增敏层(2)包裹钢绞线(1)，钢绞线(1)和弹性增敏层(2)共同组成水听器的芯轴，并带光栅阵列光纤(3)等螺距的缠绕在弹性增敏层(2)上，并带光栅阵列光纤(3)的每根光纤中相邻两个光栅(3.1)形成一个水下声压信号测区；
所述并带光栅阵列光纤(3)由多根相同的光栅阵列光纤并列排布组成，相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅(3.1)之间的轴向距离相等，相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅(3.1)之间的轴向距离为光栅阵列光纤中光栅间距的四分之一。
2.根据权利要求1所述的基于并带光栅阵列的水听器，其特征在于：它还包括外护套(4)，外护套(4)包裹缠绕了并带光栅阵列光纤(3)的弹性增敏层(2)。
3.根据权利要求1所述的基于并带光栅阵列的水听器，其特征在于：所述钢绞线(1)由多根镀锌防锈铁丝组成。
4.根据权利要求1所述的基于并带光栅阵列的水听器，其特征在于：所述弹性增敏层(2)为聚氨酯材料弹性增敏层，聚氨酯材料弹性增敏层的厚度范围为4～8mm，聚氨酯材料弹性增敏层的杨氏模量小于并带光栅阵列光纤(3)的杨氏模量，钢绞线(1)和弹性增敏层(2)共同组成的水听器芯轴的直径范围为13～21mm。
5.根据权利要求1所述的基于并带光栅阵列的水听器，其特征在于：多根相同的光栅阵列光纤通过紫外固化胶固化，形成一根并带光栅阵列光纤(3)。
6.根据权利要求1所述的基于并带光栅阵列的水听器，其特征在于：所述光栅阵列光纤中的光栅(3.1)为啁啾光栅或宽谱光纤布拉格光栅。
7.一种权利要求1所述水听器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤一：将聚氨酯材料通过加热挤塑，与钢绞线(1)固化形成轴对称结构的实心弹性增敏芯轴；
步骤二：将多根光栅阵列光纤通过光纤并带装置，制备成并列排布的并带光栅阵列光纤(3)，并保证相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅(3.1)之间的轴向距离相等，同时，相邻两根光栅阵列光纤的第一个光栅(3.1)之间的轴向距离为光栅阵列光纤中光栅间距的四分之一；
步骤三：将并带光栅阵列光纤(3)等螺距的缠绕在实心弹性增敏芯轴上，缠绕过程中保持并带光栅阵列光纤(3)张力恒定；
步骤四：将聚氨酯材料，通过加热、挤压的方式，在缠绕了并带光栅阵列光纤(3)的芯轴结构外固化一层外护套(4)。
8.一种基于权利要求1所述水听器的声压检测方法，其特征在于：缠绕在水听器芯轴上的并带光栅阵列光纤(3)在声压信号的作用下，发生轴向应变，利用干涉型解调原理，通过检测光纤轴向应变所引起的相位变化，实现水下声压信号检测。
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