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        一種響應(yīng)平坦的寬帶高靈敏度分布反饋光纖激光水聽器

        2013-08-29 09:38:54徐華王昌彭綱定張曉磊王英英孫志慧祁海峰宋志強(qiáng)倪家升
        山東科學(xué) 2013年4期
        關(guān)鍵詞:水聽器梭形頻響

        徐華 ,王昌 ,彭綱定 ,張曉磊 ,王英英 ,孫志慧,祁海峰,宋志強(qiáng),倪家升

        (1.山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東省科學(xué)院激光研究所,山東 濟(jì)南 250014;2.新南威爾士大學(xué),澳大利亞 悉尼2052)

        光纖水聽器具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、抗電磁干擾和易于大規(guī)模復(fù)用組陣等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在海軍反潛、能源勘探、海洋漁業(yè)及水聲物理研究等各領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。自1977年Bucaro 等[5]關(guān)于光纖水聽器的文章發(fā)表以來,這項(xiàng)技術(shù)日益成熟。根據(jù)不同的傳感機(jī)理,光纖水聽器可以分為強(qiáng)度型、干涉型和光纖光柵型[6]。

        強(qiáng)度型光纖水聽器信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單,但容易受到光強(qiáng)度穩(wěn)定性的影響[7-9]。干涉型水聽器為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度需要幾百米長(zhǎng)的光纖纏繞線圈,體積龐大,難以復(fù)用組陣[10]。與之相反,光柵水聽器[11-14]體積則非常小,而且其傳感信息由波長(zhǎng)編碼,不會(huì)受到光強(qiáng)損耗、光纖連接/耦合損失及光源功率變化的影響,信號(hào)不易受到干擾,可以更加方便地利用波分復(fù)用技術(shù)在同一根光纖中串聯(lián)多個(gè)水聽器進(jìn)行全光纖探測(cè),減少了水聽器陣列的重量和尺寸,并且降低了成本。

        無源光纖光柵傳感器的信號(hào)解調(diào)只利用了寬帶光譜中很小的一部分光,從光柵反射來的光信號(hào)功率低、信噪比差。而分布反饋(distributed feedback,DFB)光纖激光器帶寬很窄(約幾千赫茲),高功率、窄線寬的信號(hào)輸出可以使其獲得極高的靈敏度,而高信噪比也增加了傳感器的復(fù)用能力。這種基于DFB 光纖激光器的有源型光纖水聽器既具有光柵傳感器波長(zhǎng)編碼、抗干擾能力強(qiáng)、探頭尺寸小(僅幾厘米)、易于波分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn),又具有相位干涉型傳感器靈敏度極高的優(yōu)點(diǎn),因此引起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的密切關(guān)注[15-17]。

        本文采用聚氨酯梭形結(jié)構(gòu)對(duì)DFB 光纖激光器進(jìn)行有效封裝,光纖激光水聽器與封裝前相比聲壓靈敏度提高約30 dB,在10 Hz~10 kHz 范圍內(nèi)獲得平坦的頻響曲線。

        1 DFB 光纖激光器傳感及封裝機(jī)理

        DFB 光纖激光器是指在摻鉺光纖中制作光柵時(shí)引入π 相移從而形成分布反饋結(jié)構(gòu),其激射的中心波長(zhǎng)由光纖光柵的Bragg 方程λB=2neffΛ 決定,外界環(huán)境的影響使光柵周期Λ 和有效折射率neff發(fā)生變化,從而引起DFB 光纖激光器中心波長(zhǎng)的漂移:

        對(duì)裸纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,忽略包層的影響。假設(shè)光纖光柵所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于其自身的斷裂極限,即為一理想彈性體,且內(nèi)部不存在切應(yīng)變,遵循胡克定理。光纖自身各向同性,光敏折射率變化在橫截面上均勻分布。光纖處于一個(gè)均勻壓力場(chǎng)P 中,不考慮應(yīng)力隨時(shí)間變化的影響,溫度場(chǎng)保持恒定,無剪切應(yīng)力,根據(jù)胡克定律,光纖應(yīng)變張量可表示為:

        綜合考慮光柵柵距和折射率的變化,光柵布拉格波長(zhǎng)的變化為:

        DFB 光纖激光水聽器探測(cè)的信號(hào)為水下目標(biāo)發(fā)出或反射的聲波,而水下聲場(chǎng)的變化引起水壓的變化,因此光纖激光水聽器波長(zhǎng)-聲壓靈敏度可以定義為

        很明顯,通過封裝降低整個(gè)水聽器結(jié)構(gòu)的楊氏模量和泊松比可以有效提高水聽器的波長(zhǎng)-聲壓靈敏度。經(jīng)分析比較,水聽器封裝材料采用Divinycell H 高性能聚氨酯三明治夾芯材料,楊氏模量約320 MPa,具有卓越的粘合/剝離強(qiáng)度、出眾的耐化學(xué)腐蝕性、低吸水率和優(yōu)良的隔熱/隔音性。Divinycell H 已被廣泛應(yīng)用于船舶、陸路運(yùn)輸、風(fēng)能、土木工程/基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域。

        2 DFB 光纖激光水聽器測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

        光纖激光水聽器測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示。在駐波管校準(zhǔn)聲場(chǎng)中由信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射換能器等組成聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng),采用715 所標(biāo)準(zhǔn)壓電陶瓷水聽器RHSA20 對(duì)測(cè)量聲場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)準(zhǔn)水聽器采用12 V 穩(wěn)壓直流電源供電,頻響范圍20 Hz~50 kHz,其聲壓靈敏度為-168 dB (0 dB re 1V/μPa)。

        圖1 DFB 光纖激光水聽器頻響測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Frequency response test system of a DFB fiber laser hydrophone

        實(shí)驗(yàn)中所用Optiphase-OPD4000 相位解調(diào)儀載波調(diào)制頻率為20 kHz,調(diào)制幅度為1.485 V(2.376 rad),模擬輸出相位電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為20 rad/V。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        采用Divinycell H 高性能三明治夾芯材料制作的梭形封裝結(jié)構(gòu)對(duì)DFB 光纖激光器進(jìn)行封裝,獲得如圖2所示的水聽器,總長(zhǎng)約56 mm,壁厚僅1.26 mm。將DFB 光纖激光水聽器與標(biāo)準(zhǔn)PZT 水聽器置于駐波管校準(zhǔn)聲場(chǎng)中的同一位置,在聲波頻率分別為20 Hz、1 kHz 時(shí)均可觀察到標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)。通過傅立葉變化觀察其頻域信號(hào),見圖3,可以看出在20 Hz 和1 kHz 處DFB 光纖激光水聽器與標(biāo)準(zhǔn)PZT 水聽器的信噪比相差不多,分別為91 dB 和70 dB.

        圖2 梭形結(jié)構(gòu)封裝的DFB 光纖激光水聽器Fig.2 A spindle structure packaged DFB fiber laser hydrophone

        進(jìn)一步通過計(jì)算得到1 kHz 時(shí),DFB 光纖激光水聽器的相位-聲壓靈敏度為-122.6 dB re rad/μPa,對(duì)應(yīng)其頻率聲壓靈敏度為113.7 dB re Hz/Pa,波長(zhǎng)-聲壓靈敏度為71.5 dB re pm/MPa,DFB 光纖激光水聽器的等效噪聲壓為1.35 mPa。

        Mach-zehnder 干涉儀作為光學(xué)濾波器件,可將激光器出射激光的波長(zhǎng)漂移變化轉(zhuǎn)化為干涉儀輸出的相位變化,其相位輸出與DFB-FL 激光波長(zhǎng)(頻率)位移的關(guān)系式如下:

        其中,c 為光速,c=3 ×108m/s;n 為光纖有效折射率,n=1.467;l 為Mach-zehnder 干涉儀非平衡路徑,l=50 m;Δv 為DFB-FL 激光頻率位移;Δλ 為DFB-FL 激光波長(zhǎng)位移。因此我們可以由相位-聲壓靈敏度推算出波長(zhǎng)-聲壓靈敏度以及頻率-聲壓靈敏度。在10 Hz~10 kHz 范圍內(nèi)采用梭形結(jié)構(gòu)封裝的DFB 光纖激光水聽器頻響圖見圖4,從圖中可以看出,DFB 光纖激光水聽器在10Hz~10 kHz 范圍內(nèi)頻響波動(dòng)9 dB,而在10 Hz~2 kHz 范圍內(nèi)頻響曲線非常平坦,波動(dòng)僅在3.3 dB 以內(nèi)。高頻處頻響波動(dòng)不能排除聲場(chǎng)的自身原因。

        圖3 PZT 水聽器和DFB 光纖激光水聽器采集到的時(shí)域和頻域信號(hào)Fig.3 Time-domain and frequency-domain signals collected by a PZT hydrophone and a DFB fiber laser hydrophone

        圖4 梭形DFB 光纖激光水聽器聲壓-頻響曲線Fig.4 Frequency response curve of a spindle structure packaged DFB fiber laser hydrophone

        4 結(jié)語

        本研究采用楊氏模量小的聚氨酯材料制作的梭形結(jié)構(gòu)對(duì)DFB 光纖激光器進(jìn)行增敏封裝,將光纖激光水聽器聲壓靈敏度提高約30 dB,在1 kHz 處DFB 光纖激光水聽器的相位-聲壓靈敏度為-122.6 dB re rad/μPa,對(duì)應(yīng)其頻率聲壓靈敏度為113.7 dB re Hz/Pa,波長(zhǎng)-聲壓靈敏度為71.5 dB re pm/MPa,DFB 光纖激光水聽器的等效噪聲壓1.35 mPa。研究結(jié)果表明,該DFB 光纖激光水聽器在10 Hz~10 kHz范圍內(nèi)可獲得起伏不高于±9 dB 的較平坦的聲壓靈敏度頻響曲線。水聽器性能經(jīng)封裝后可得到較大的改善,可以獲得和標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器同樣的信噪比。

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