于振欣 劉瑞 葛輝良 金夢群 吳國軍

（第七一五研究所，杭州，310023）

光纖彎曲圓盤水聽器實(shí)驗(yàn)研究

于振欣 劉瑞 葛輝良 金夢群 吳國軍

（第七一五研究所，杭州，310023）

介紹了一種最新研制的光纖彎曲圓盤水聽器。對其進(jìn)行靈敏度測試實(shí)驗(yàn)，其測試結(jié)果表明該水聽器對于水中的聲信號接收狀況良好，在測試的聲信號頻率區(qū)間內(nèi)靈敏度較高，是一種可行的水聽器設(shè)計(jì)方案。

光纖水聽器；圓盤形狀；小體積；高靈敏度

光纖水聽器是建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器，它能將水中傳播的聲信號變化轉(zhuǎn)換成水聽器內(nèi)部光纖中傳輸?shù)墓庑盘柕淖兓痆1]，再通過光纖將帶有聲信息的光信號傳至信號處理系統(tǒng)，從而提取出水中聲信號所包含的信息[2]。光纖水聽器具有探測靈敏度高、傳感范圍內(nèi)靈敏度曲線平坦、頻帶寬,動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、耐靜壓及抗腐蝕能力強(qiáng)、體積小、重量輕等特點(diǎn)[3,4]。

光纖彎曲圓盤水聽器的研制是為了滿足當(dāng)前研究中對于水聽器體積更小、靈敏度更高的要求而進(jìn)行的。該水聽器采用了由光纖邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的平面水聽器方案，對激光光路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使聲壓傳感單元和光纖干涉儀單元一體化，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了該種設(shè)計(jì)的水聽器全光纖化、模塊化，為該種水聽器的緊密排列復(fù)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

本文以較早的光纖平面水聽器設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)研制了該種光纖彎曲圓盤水聽器，并在靈敏度測試實(shí)驗(yàn)中繪制了該種水聽器工作頻段內(nèi)靈敏度響應(yīng)曲線。靈敏度測試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了該種水聽器設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 組成和工作原理

1.1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，水聽器的增敏結(jié)構(gòu)為粘附了光纖彎曲圓盤結(jié)構(gòu)的水聽器外殼上蓋。當(dāng)在水中傳播的聲信號以聲壓形式作用在水聽器上蓋板上（敏感結(jié)構(gòu)）時(shí)，蓋板產(chǎn)生一定的形變，從而導(dǎo)致粘附其上的光纖彎曲圓盤結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生形變。該結(jié)構(gòu)體將光纖盤（由較長連續(xù)光纖繞制而成，再使用固化膠成型）作為干涉儀的傳感臂，所產(chǎn)生的形變會影響干涉儀兩臂的臂長差，進(jìn)而改變兩干涉光束之間的相位差，并將這種改變反映在干涉條紋上，經(jīng)過探測并解調(diào)光纖干涉條紋即可獲知水下的聲壓信號信息。

圖1 光纖彎曲圓盤水聽器組成結(jié)構(gòu)圖

光纖彎曲圓盤水聽器采用Michelson干涉儀光路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。光信號輸入到水聽器后，由2×2光纖耦合器分成兩束，一束光輸送至干涉儀的傳感臂，由水聲信號調(diào)制；另一束光輸送至干涉儀的參考臂。兩束光分別在干涉儀的兩臂末端經(jīng)由法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后，返回到耦合器進(jìn)行干涉。干涉后信號經(jīng)耦合器的另一臂回傳至干涉信號的探測與解調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行信號解調(diào)。

圖2 Michelson干涉儀光路結(jié)構(gòu)圖

1.2 光纖水聽器信號解調(diào)方法

本文所述的光纖彎曲圓盤水聽器的信號采用相位產(chǎn)生載波（PGC）方法檢測。PGC檢測方法是用頻率遠(yuǎn)高于水聲信號頻率上限，而且幅度較大的高頻載波信號對相位進(jìn)行調(diào)制。通過調(diào)制，雖然不能保證初始相位差能夠維持在靈敏度最高點(diǎn)附近，但也避免了相位初值停留在低靈敏度區(qū)域[5,6]。

本文對水聽器靈敏度進(jìn)行的測試實(shí)驗(yàn)中所使用的PGC調(diào)制載波信號頻率為50 kHz，通過使用正弦信號對激光光源進(jìn)行內(nèi)調(diào)制的方式將載波輸入干涉儀系統(tǒng)中。PGC解調(diào)算法如圖3所示。

圖3 PGC解調(diào)算法

2 測試實(shí)驗(yàn)

水聽器靈敏度公式為：

式中，ρ為等效彈光系數(shù)，ΔL為光纖伸長量，λ為光波長，Δp為作用在光纖水聽器上的聲壓。

水聽器靈敏度測試實(shí)驗(yàn)使用的測試樣品如圖4所示。測試頻段為300 Hz～2.5 kHz。靈敏度測試實(shí)驗(yàn)中所使用的脈沖聲信號由消聲水池內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)聲源發(fā)射，試驗(yàn)中光纖水聽器聲敏感面處于正對聲源的位置，聲源與水聽器等深且間距3 m。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖5所示，該套實(shí)驗(yàn)裝置將標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器和光纖水聽器置于同一環(huán)境中，并將兩探頭的輸出同時(shí)傳輸至安裝在單機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和信號采集。由式（1）可知只要測出聲壓幅值和光相移幅值就能測出相移靈敏度，其中聲壓幅值由標(biāo)準(zhǔn)水聽器測量得出。光纖水聽器模塊的典型響應(yīng)信號如圖6所示。測試樣品靈敏度如圖7所示。

圖4 靈敏度測試樣品式樣

圖5 靈敏度測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

圖6 2 kHz聲信號時(shí)水聽器響應(yīng)數(shù)據(jù)

由測試數(shù)據(jù)可以看出，試制樣品在300 Hz～2.5 kHz對各頻段信號的靈敏度響應(yīng)比較一致；而由樣品008#的靈敏度數(shù)據(jù)可以看出，由于制作工藝及制作中使用的工裝夾具不同產(chǎn)生了個體間的靈敏度測試差異。當(dāng)前工藝下制作的樣品平均靈敏度在?155±2 dB范圍內(nèi)。除此之外，不同批次工藝下的各測試樣品均表現(xiàn)出較為一致的頻率響應(yīng)曲線，故可認(rèn)為該種水聽器設(shè)計(jì)方案具備可行性。

圖7 光纖彎曲圓盤水聽器靈敏度測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文完成了一種新型光纖彎曲圓盤水聽器的研制。該種水聽器由光纖繞制成的光纖盤狀結(jié)構(gòu)、邁克爾遜干涉儀光路的光纖器件和置于其外的金屬盒形外殼組成。通過測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其靈敏度較高。由于其同時(shí)具有單個盒形封裝結(jié)構(gòu)(內(nèi)即為一個完整的水聽器單元)、模塊化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等特點(diǎn)，故該設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性與實(shí)用可能。

本文所述的光纖彎曲圓盤水聽器也存在一些亟待解決的問題：光纖的易折斷及對光纖器件在較小封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行保護(hù)較為困難；且因?yàn)樵搨鞲衅鞯母缮鎯x結(jié)構(gòu)為與單個陣元一一對應(yīng)，以此為陣元的水聽器陣列所使用的光器件較多，會造成可靠性的降低，同時(shí)提高了生產(chǎn)成本。

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