張英東 黃俊斌 顧宏燦 劉 文 徐倩楠 龐彥東 宋文章

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）（2.武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 武漢 430070）

1 引言

光纖光柵（FBG）水聽器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境和易復(fù)用等特點，在大型水下監(jiān)測系統(tǒng)、新型水聲裝備和水下信息網(wǎng)等方向有重要的應(yīng)用，已成為新一代水聲探測技術(shù)和裝備的重要發(fā)展方向［1～3］。目前光纖光柵水聽器的復(fù)用方式主要有時分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用及上述幾種復(fù)用的結(jié)合等方式［3～9］，其中波分復(fù)用由于受到光源帶寬和FBG波長漂移量的限制，單路復(fù)用個數(shù)比較少，一般不超過幾十個［3］。頻分復(fù)用率較高，但受到光程差的限制，其復(fù)用數(shù)量受到限制，并且無法進行長距離測量［4～5］。時分復(fù)用雖然受到光纖傳輸損耗和FBG反射損耗的限制，但如果采用弱反射光纖光柵，可以大大提高其復(fù)用數(shù)量［6，10］，光柵的反射率越低，其優(yōu)勢越明顯。國外已有報道成功實現(xiàn)1000個全同超弱反射FBG的復(fù)用，其單個光柵的反射率在0.0199%～0.001%范圍內(nèi)［5］。國內(nèi)武漢理工大學(xué)在2016年實現(xiàn)了660個弱反射FBG的時分復(fù)用［7］。本文提出了一種新型弱反射光纖光柵水聽器系統(tǒng)，對其工作原理進行了研究，并建立了水聲傳感模型，推導(dǎo)了在不同受力模型下的水聽器聲壓靈敏度公式，研究了靈敏度的構(gòu)成與影響因素，為下一步在實際應(yīng)用中提高水聽器聲壓靈敏度提供了理論支撐。

2 水聲探測機理

弱反射光纖光柵水聽器陣列是由多個具有極低反射率（萬分之一左右）的光纖布拉格光柵（FBG）組成，其基本工作原理如圖1所示。

相鄰的兩個弱反射光纖光柵組成一個水聽器單元，相干光源經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM）調(diào)制后被調(diào)制為相干脈沖光，聲光調(diào)制器受信號發(fā)生器發(fā)出脈沖的電時序信號所控制。相干脈沖光被放大器放大后進入第1個光環(huán)形器的1端口，從1端口進入的光信號，由光環(huán)形器的2端口輸出，輸入弱反射光纖光柵陣列，當(dāng)弱反射光纖光柵水聽器陣列受到水聲信號作用，經(jīng)應(yīng)變效應(yīng)，弱反射光纖光柵陣列中各相距為L的2個光纖光柵之間的距離發(fā)生相應(yīng)變化，即弱反射光纖光柵之間光程差發(fā)生變化。當(dāng)輸入相干脈沖激光照射到這兩個弱反射光纖光柵上時，兩個弱反射光纖光柵的反射光從第1個光環(huán)形器的3端口輸出，進入到第2個光環(huán)形器1端口。為了實現(xiàn)信號解調(diào)，第2個光環(huán)形器的2端口連接一個邁克爾遜干涉儀，經(jīng)過3×3耦合器進行相干，系統(tǒng)將水聲耦合引起的兩個弱反射光纖光柵的間距的變化轉(zhuǎn)化為反射激光相干信號的相位變化，通過3×3耦合器的輸出端的三路信號，其中兩路直接連接光電探測器，另一路通過第2個光環(huán)形器的3端口輸出再與光電探測器相連，這樣將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，進入信號解調(diào)系統(tǒng)。信號解調(diào)系統(tǒng)將該干涉信號中的相位變化信息提取出來，從而實現(xiàn)對水聲信號的探測。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

當(dāng)脈沖光通過光環(huán)形器進入弱光纖光柵陣列后，根據(jù)光柵位置的不同，反射光在不同時間內(nèi)反射回來后進入Michelson干涉儀。被反射回來的信號在3×3耦合器處產(chǎn)生干涉，假設(shè)整個光纖光柵陣列中一共有n個弱光柵，其中第k個光柵反射回來的光分別進入Michelson干涉儀的長臂和短臂后，被法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（FRM）反射為兩束，第k+1個光柵反射回來的光通過Michelson干涉儀的兩臂后也被反射為兩束。當(dāng)Michelson干涉儀的長臂和短臂的臂差與兩個光柵之間的距離相等時，第k個光柵通過Michelson干涉儀長臂反射回來的光與第k+1個光柵通過干涉儀短臂后反射回來的光同時到達3×3耦合器，從而發(fā)生干涉現(xiàn)象。探測器可以檢測到n+1束光信號，第一束和最后一束分別是光纖光柵陣列中第一個光柵通過干涉儀短臂和最后一個光柵通過干涉儀長臂的反射光信號，中間的n-1束光信號是干涉信號。通過測量這n-1束干涉信號，實現(xiàn)了對整根光纖的分布式監(jiān)測。

3 水聲傳感模型

光波在傳輸過程中，相位變化發(fā)生在某段敏感的光纖內(nèi)，然后利用待測水聲信號的作用和干涉技術(shù)，使相位變化轉(zhuǎn)化為干涉光強的變化，從而還原出待測信號。光在傳輸過程中，相位是由傳感光纖長度、光纖折射率及其分布和幾何尺寸這三個因素來決定的。波長為λ的光在光纖中傳輸，從相鄰的兩個光纖光柵反射回來的反射光光程差為2nL，相應(yīng)的相位延時延為當(dāng)系統(tǒng)受到外界聲壓作用時，相鄰光纖光柵間隔L（對應(yīng)于光纖的彈性變形）和折射率n（對應(yīng)于光纖的彈光效應(yīng)）發(fā)生變化，導(dǎo)致從相鄰的兩個光纖光柵反射回來的反射光光程差2nL發(fā)生變化，進而使相應(yīng)的相位延時發(fā)生變化。以相鄰的兩個光纖光柵反射回來的反射光為研究對象，當(dāng)水聽器陣列受到外界聲壓P作用時，相鄰光柵之間的間隔L產(chǎn)生的變化量為ΔL，光纖折射率變化量為Δn，光程差變化量為，對應(yīng)的相位差變化為

一般情況下，光纖作為各向同性的圓柱體結(jié)構(gòu)，其受到的聲壓作用也可分為三種情況：只有軸向應(yīng)力δz作用，只有徑向應(yīng)力δr和δθ作用，受體應(yīng)力 δz、δr和 δθ共同作用［11］。

對于該水聽器系統(tǒng)，其聲壓靈敏度本質(zhì)上是指聲壓載荷作用引起的光柵間光纖長度和光纖折射率變化的大小，而在實際應(yīng)用中我們將光纖長度和光纖折射率的變化解調(diào)為相位的變化，因此采用相位靈敏度來描述其聲壓靈敏度：

那么其相位聲壓靈敏度級為20lgM，一般情況下兩者是通用的。

3.1 軸向應(yīng)力模型

式中E和υ分別為石英光纖的楊氏彈性模量與泊松比，E=7.0×1010Pa，υ=0.17。

此時其聲壓靈敏度為

3.2 徑向應(yīng)力模型

當(dāng)光纖只受到徑向應(yīng)力的作用時，其各向應(yīng)力可表示為δz=0，δr=δθ=-P，那么其各個方向的應(yīng)變?yōu)?/p>

3.3 均勻體應(yīng)力模型

當(dāng)光纖受到均勻的體應(yīng)力作用時，其各向應(yīng)力可表示為δr=δθ=δz=-P，那么其各個方向的應(yīng)變?yōu)?/p>

式（3）、（4）、（5）中的第一項是應(yīng)變導(dǎo)致光纖長度變化產(chǎn)生的相位差變化對應(yīng)的靈敏度，第二項是彈光效應(yīng)導(dǎo)致光纖折射率變化產(chǎn)生的相位差變化對應(yīng)的靈敏度。

當(dāng)光纖只受到軸向應(yīng)力的作用時，其各向應(yīng)力可表示為δz=-P，δr=δθ=0，那么其各個方向的應(yīng)變?yōu)?/p>

4 仿真分析

4.1 聲壓靈敏度的構(gòu)成

對三種應(yīng)力模型下聲壓靈敏度公式中的第一項和第二項分別進行Matlab仿真，得到了每種應(yīng)力模型下聲壓靈敏度的構(gòu)成關(guān)系，分別如圖2、3和4所示。

圖2 軸向應(yīng)力模型下聲壓靈敏度構(gòu)成圖

圖3 徑向應(yīng)力模型下聲壓靈敏度構(gòu)成圖

圖4 均勻體應(yīng)力模型下聲壓靈敏度構(gòu)成圖

由圖2、3、4可以看出，三種應(yīng)力模型下光纖長度變化比折射率變化對Δφ的貢獻大，而且兩項計算結(jié)果符號相反（徑向應(yīng)力時除外）。并且相位差變化越大，聲壓靈敏度就越高。

4.2 聲壓靈敏度與相鄰光柵間隔L的關(guān)系

利用Matlab對單個傳感單元在三種應(yīng)力模型下的聲壓靈敏度進行仿真，得到了聲壓靈敏度與相鄰光柵間隔L的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 聲壓靈敏度與相鄰光柵間隔的關(guān)系曲線（E=7.0×1010Pa，υ=0.17）

由圖5可以看出在其它條件不變的情況下，三種應(yīng)力模型下的聲壓靈敏度都隨相鄰光柵間隔的增加而增大，因此可以通過增加相鄰光柵的間隔來增大聲壓靈敏度。還可以看出傳感光纖對軸向應(yīng)力最敏感，其次是徑向應(yīng)力，最不敏感的是均勻體應(yīng)力，原因是軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力對傳感光纖長度變化的作用剛好相反，軸向應(yīng)力使光纖軸向壓縮，徑向應(yīng)力使光纖軸向拉伸，兩者有一定的抵消作用。

在實際應(yīng)用中為了實現(xiàn)水聽器陣列的小型化，不可能通過無限制地增大光柵間隔來增加水聽器的聲壓靈敏度。通過以上研究分析發(fā)現(xiàn)，提高靈敏度的最直接方式就是增大光纖長度的形變量。目前普遍采用的方法是將傳感光纖纏繞在彈性體上，形成芯軸型結(jié)構(gòu)來增加光纖長度的形變量。還有一種方法是將水聽器探頭做成推挽式結(jié)構(gòu)，將水聽器受到的徑向力更大程度地轉(zhuǎn)換為軸向力，以此來增大光纖長度的形變量。但以上兩種方法最大的缺點就是水聽器探頭的直徑比較大，其中芯軸型結(jié)構(gòu)由于受光纖彎曲半徑的影響，目前最小的直徑也只能做到10mm左右。

4.3 涂敷式增敏

為了進一步減小水聽器的尺寸，提出在裸光纖表面涂敷楊氏彈性模量小、泊松比系數(shù)大的材料來提高水聽器的聲壓靈敏度。為了驗證涂敷式增敏的效果，選取在相同傳感光纖長度下靈敏度最低的均勻體應(yīng)力模型進行仿真分析。

均勻體應(yīng)力模型下，裸光纖（即纖芯加包層）表面涂敷材料后，其聲壓靈敏度公式為［12］

其中，P11=0.121，P12=0.270是光纖材料的彈光系數(shù)，v'、v分別為涂敷層材料、裸光纖的泊松比，E'、E分別為涂敷層材料、裸光纖的楊氏彈性模量，R為涂敷層半徑，r為裸光纖半徑，r取62.5mm，R-r即為涂敷層厚度。

選取了 E'=4GPa、v'=0.4的合成樹脂，E'=0.76GPa、v'=0.458的聚乙烯作為涂敷層材料進行Matlab仿真，得到聲壓靈敏度與涂敷層半徑的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 聲壓靈敏度與涂敷層半徑關(guān)系曲線（L=200m）

由圖6可以看出，在裸光纖上涂敷500mm厚的合成樹脂就可以使相鄰光柵間隔為200m的水聽器聲壓靈敏度達到-145dB以上，此時用聚乙烯涂敷的靈敏度更是達到了-140dB，與圖5中相鄰光柵間隔為200m時的靈敏度相比整整提高了20dB以上，理論上證明了涂敷式增敏的方法是可行的。該方法實際應(yīng)用后可以大大縮短傳感光纖的長度，有助于實現(xiàn)水聽器陣列的小型化與輕型化。

5 結(jié)語

通過上述對三種應(yīng)力模型下聲壓靈敏度的仿真分析研究，得出了傳感光纖對軸向應(yīng)力最為敏感，提高聲壓靈敏度的最直接方式就是增大光纖軸向長度的形變量，以及聲壓靈敏度與相鄰光柵間隔長度的關(guān)系；提出了在光柵間隔受水聽器尺寸限制的前提下，在裸光纖表面涂敷楊氏彈性模量小、泊松比大的材料來獲得較高聲壓靈敏度的涂敷式增敏方法，并進行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)增敏效果明顯，為下一步實際應(yīng)用提供了理論支撐與借鑒。