一种响应平坦的宽带高灵敏度分布反馈光纤激光水听器

徐华 ，王昌 ，彭纲定 ，张晓磊 ，王英英 ，孙志慧，祁海峰，宋志强，倪家升

(1.山东省光纤传感技术重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东 济南 250014;2.新南威尔士大学，澳大利亚 悉尼2052)

光纤水听器具有高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰和易于大规模复用组阵等独特优势，在海军反潜、能源勘探、海洋渔业及水声物理研究等各领域有广阔的应用前景［1-4］。自1977年Bucaro 等［5］关于光纤水听器的文章发表以来，这项技术日益成熟。根据不同的传感机理，光纤水听器可以分为强度型、干涉型和光纤光栅型［6］。

强度型光纤水听器信号处理比较简单，但容易受到光强度稳定性的影响［7-9］。干涉型水听器为了实现高灵敏度需要几百米长的光纤缠绕线圈，体积庞大，难以复用组阵［10］。与之相反，光栅水听器［11-14］体积则非常小，而且其传感信息由波长编码，不会受到光强损耗、光纤连接/耦合损失及光源功率变化的影响，信号不易受到干扰，可以更加方便地利用波分复用技术在同一根光纤中串联多个水听器进行全光纤探测，减少了水听器阵列的重量和尺寸，并且降低了成本。

无源光纤光栅传感器的信号解调只利用了宽带光谱中很小的一部分光，从光栅反射来的光信号功率低、信噪比差。而分布反馈(distributed feedback，DFB)光纤激光器带宽很窄(约几千赫兹)，高功率、窄线宽的信号输出可以使其获得极高的灵敏度，而高信噪比也增加了传感器的复用能力。这种基于DFB 光纤激光器的有源型光纤水听器既具有光栅传感器波长编码、抗干扰能力强、探头尺寸小(仅几厘米)、易于波分复用的优点，又具有相位干涉型传感器灵敏度极高的优点，因此引起国内外科学家的密切关注［15-17］。

本文采用聚氨酯梭形结构对DFB 光纤激光器进行有效封装，光纤激光水听器与封装前相比声压灵敏度提高约30 dB，在10 Hz～10 kHz 范围内获得平坦的频响曲线。

1 DFB 光纤激光器传感及封装机理

DFB 光纤激光器是指在掺铒光纤中制作光栅时引入π 相移从而形成分布反馈结构，其激射的中心波长由光纤光栅的Bragg 方程λB=2neffΛ 决定，外界环境的影响使光栅周期Λ 和有效折射率neff发生变化，从而引起DFB 光纤激光器中心波长的漂移:

对裸纤结构进行分析，忽略包层的影响。假设光纤光栅所受应力远小于其自身的断裂极限，即为一理想弹性体，且内部不存在切应变，遵循胡克定理。光纤自身各向同性，光敏折射率变化在横截面上均匀分布。光纤处于一个均匀压力场P 中，不考虑应力随时间变化的影响，温度场保持恒定，无剪切应力，根据胡克定律，光纤应变张量可表示为:

综合考虑光栅栅距和折射率的变化，光栅布拉格波长的变化为:

DFB 光纤激光水听器探测的信号为水下目标发出或反射的声波，而水下声场的变化引起水压的变化，因此光纤激光水听器波长-声压灵敏度可以定义为

很明显，通过封装降低整个水听器结构的杨氏模量和泊松比可以有效提高水听器的波长-声压灵敏度。经分析比较，水听器封装材料采用Divinycell H 高性能聚氨酯三明治夹芯材料，杨氏模量约320 MPa，具有卓越的粘合/剥离强度、出众的耐化学腐蚀性、低吸水率和优良的隔热/隔音性。Divinycell H 已被广泛应用于船舶、陆路运输、风能、土木工程/基础设施和工业产品等领域。

2 DFB 光纤激光水听器测试实验装置

光纤激光水听器测试系统如图1 所示。在驻波管校准声场中由信号源、功率放大器、发射换能器等组成声信号发射系统，采用715 所标准压电陶瓷水听器RHSA20 对测量声场进行标定，标准水听器采用12 V 稳压直流电源供电，频响范围20 Hz～50 kHz，其声压灵敏度为-168 dB (0 dB re 1V/μPa)。

图1 DFB 光纤激光水听器频响测试系统Fig.1 Frequency response test system of a DFB fiber laser hydrophone

实验中所用Optiphase-OPD4000 相位解调仪载波调制频率为20 kHz，调制幅度为1.485 V(2.376 rad)，模拟输出相位电压转换关系为20 rad/V。

3 实验结果与讨论

采用Divinycell H 高性能三明治夹芯材料制作的梭形封装结构对DFB 光纤激光器进行封装，获得如图2所示的水听器，总长约56 mm，壁厚仅1.26 mm。将DFB 光纤激光水听器与标准PZT 水听器置于驻波管校准声场中的同一位置，在声波频率分别为20 Hz、1 kHz 时均可观察到标准的正弦信号。通过傅立叶变化观察其频域信号，见图3，可以看出在20 Hz 和1 kHz 处DFB 光纤激光水听器与标准PZT 水听器的信噪比相差不多，分别为91 dB 和70 dB.

图2 梭形结构封装的DFB 光纤激光水听器Fig.2 A spindle structure packaged DFB fiber laser hydrophone

进一步通过计算得到1 kHz 时，DFB 光纤激光水听器的相位-声压灵敏度为-122.6 dB re rad/μPa，对应其频率声压灵敏度为113.7 dB re Hz/Pa，波长-声压灵敏度为71.5 dB re pm/MPa，DFB 光纤激光水听器的等效噪声压为1.35 mPa。

Mach-zehnder 干涉仪作为光学滤波器件，可将激光器出射激光的波长漂移变化转化为干涉仪输出的相位变化，其相位输出与DFB-FL 激光波长(频率)位移的关系式如下:

其中，c 为光速，c=3 ×108m/s;n 为光纤有效折射率，n=1.467;l 为Mach-zehnder 干涉仪非平衡路径，l=50 m;Δv 为DFB-FL 激光频率位移;Δλ 为DFB-FL 激光波长位移。因此我们可以由相位-声压灵敏度推算出波长-声压灵敏度以及频率-声压灵敏度。在10 Hz～10 kHz 范围内采用梭形结构封装的DFB 光纤激光水听器频响图见图4，从图中可以看出，DFB 光纤激光水听器在10Hz～10 kHz 范围内频响波动9 dB，而在10 Hz～2 kHz 范围内频响曲线非常平坦，波动仅在3.3 dB 以内。高频处频响波动不能排除声场的自身原因。

图3 PZT 水听器和DFB 光纤激光水听器采集到的时域和频域信号Fig.3 Time-domain and frequency-domain signals collected by a PZT hydrophone and a DFB fiber laser hydrophone

图4 梭形DFB 光纤激光水听器声压-频响曲线Fig.4 Frequency response curve of a spindle structure packaged DFB fiber laser hydrophone

4 结语

本研究采用杨氏模量小的聚氨酯材料制作的梭形结构对DFB 光纤激光器进行增敏封装，将光纤激光水听器声压灵敏度提高约30 dB，在1 kHz 处DFB 光纤激光水听器的相位-声压灵敏度为-122.6 dB re rad/μPa，对应其频率声压灵敏度为113.7 dB re Hz/Pa，波长-声压灵敏度为71.5 dB re pm/MPa，DFB 光纤激光水听器的等效噪声压1.35 mPa。研究结果表明，该DFB 光纤激光水听器在10 Hz～10 kHz范围内可获得起伏不高于±9 dB 的较平坦的声压灵敏度频响曲线。水听器性能经封装后可得到较大的改善，可以获得和标准压电水听器同样的信噪比。

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