光纤弯曲圆盘水听器实验研究

于振欣 刘瑞 葛辉良 金梦群 吴国军

（第七一五研究所，杭州，310023）

光纤弯曲圆盘水听器实验研究

于振欣 刘瑞 葛辉良 金梦群 吴国军

（第七一五研究所，杭州，310023）

介绍了一种最新研制的光纤弯曲圆盘水听器。对其进行灵敏度测试实验，其测试结果表明该水听器对于水中的声信号接收状况良好，在测试的声信号频率区间内灵敏度较高，是一种可行的水听器设计方案。

光纤水听器；圆盘形状；小体积；高灵敏度

光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，它能将水中传播的声信号变化转换成水听器内部光纤中传输的光信号的变化[1]，再通过光纤将带有声信息的光信号传至信号处理系统，从而提取出水中声信号所包含的信息[2]。光纤水听器具有探测灵敏度高、传感范围内灵敏度曲线平坦、频带宽,动态范围大、抗电磁干扰、耐静压及抗腐蚀能力强、体积小、重量轻等特点[3,4]。

光纤弯曲圆盘水听器的研制是为了满足当前研究中对于水听器体积更小、灵敏度更高的要求而进行的。该水听器采用了由光纤迈克尔逊干涉仪结构的平面水听器方案，对激光光路进行了优化设计，使声压传感单元和光纤干涉仪单元一体化，结构紧凑，实现了该种设计的水听器全光纤化、模块化，为该种水听器的紧密排列复用提供了技术基础。

本文以较早的光纤平面水听器设计方案为基础研制了该种光纤弯曲圆盘水听器，并在灵敏度测试实验中绘制了该种水听器工作频段内灵敏度响应曲线。灵敏度测试实验的结果证明了该种水听器设计方案的可行性。

1 组成和工作原理

1.1 设计方案

如图1所示，水听器的增敏结构为粘附了光纤弯曲圆盘结构的水听器外壳上盖。当在水中传播的声信号以声压形式作用在水听器上盖板上（敏感结构）时，盖板产生一定的形变，从而导致粘附其上的光纤弯曲圆盘结构也产生形变。该结构体将光纤盘（由较长连续光纤绕制而成，再使用固化胶成型）作为干涉仪的传感臂，所产生的形变会影响干涉仪两臂的臂长差，进而改变两干涉光束之间的相位差，并将这种改变反映在干涉条纹上，经过探测并解调光纤干涉条纹即可获知水下的声压信号信息。

图1 光纤弯曲圆盘水听器组成结构图

光纤弯曲圆盘水听器采用Michelson干涉仪光路结构，如图2所示。光信号输入到水听器后，由2×2光纤耦合器分成两束，一束光输送至干涉仪的传感臂，由水声信号调制；另一束光输送至干涉仪的参考臂。两束光分别在干涉仪的两臂末端经由法拉第旋转镜反射后，返回到耦合器进行干涉。干涉后信号经耦合器的另一臂回传至干涉信号的探测与解调系统，进行信号解调。

图2 Michelson干涉仪光路结构图

1.2 光纤水听器信号解调方法

本文所述的光纤弯曲圆盘水听器的信号采用相位产生载波（PGC）方法检测。PGC检测方法是用频率远高于水声信号频率上限，而且幅度较大的高频载波信号对相位进行调制。通过调制，虽然不能保证初始相位差能够维持在灵敏度最高点附近，但也避免了相位初值停留在低灵敏度区域[5,6]。

本文对水听器灵敏度进行的测试实验中所使用的PGC调制载波信号频率为50 kHz，通过使用正弦信号对激光光源进行内调制的方式将载波输入干涉仪系统中。PGC解调算法如图3所示。

图3 PGC解调算法

2 测试实验

水听器灵敏度公式为：

式中，ρ为等效弹光系数，ΔL为光纤伸长量，λ为光波长，Δp为作用在光纤水听器上的声压。

水听器灵敏度测试实验使用的测试样品如图4所示。测试频段为300 Hz～2.5 kHz。灵敏度测试实验中所使用的脉冲声信号由消声水池内的标准声源发射，试验中光纤水听器声敏感面处于正对声源的位置，声源与水听器等深且间距3 m。实验系统构成如图5所示，该套实验装置将标准压电水听器和光纤水听器置于同一环境中，并将两探头的输出同时传输至安装在单机内的数据采集卡上进行A/D转换和信号采集。由式（1）可知只要测出声压幅值和光相移幅值就能测出相移灵敏度，其中声压幅值由标准水听器测量得出。光纤水听器模块的典型响应信号如图6所示。测试样品灵敏度如图7所示。

图4 灵敏度测试样品式样

图5 灵敏度测试实验系统框图

图6 2 kHz声信号时水听器响应数据

由测试数据可以看出，试制样品在300 Hz～2.5 kHz对各频段信号的灵敏度响应比较一致；而由样品008#的灵敏度数据可以看出，由于制作工艺及制作中使用的工装夹具不同产生了个体间的灵敏度测试差异。当前工艺下制作的样品平均灵敏度在−155±2 dB范围内。除此之外，不同批次工艺下的各测试样品均表现出较为一致的频率响应曲线，故可认为该种水听器设计方案具备可行性。

图7 光纤弯曲圆盘水听器灵敏度测试结果

3 结论

本文完成了一种新型光纤弯曲圆盘水听器的研制。该种水听器由光纤绕制成的光纤盘状结构、迈克尔逊干涉仪光路的光纤器件和置于其外的金属盒形外壳组成。通过测试实验，验证了其灵敏度较高。由于其同时具有单个盒形封装结构(内即为一个完整的水听器单元)、模块化程度高、结构简单、紧凑等特点，故该设计方案具有一定的可行性与实用可能。

本文所述的光纤弯曲圆盘水听器也存在一些亟待解决的问题：光纤的易折断及对光纤器件在较小封装结构内进行保护较为困难；且因为该传感器的干涉仪结构为与单个阵元一一对应，以此为阵元的水听器阵列所使用的光器件较多，会造成可靠性的降低，同时提高了生产成本。

[1]MA LINA,HU YONGMING,XIONG SHUIDONG,et al.Intensity noise and relaxation oscillation of a fiberlasersensor array integrated in a single fiber [J].Optics Letters,2010,35(11):1795-1797.

[2]ASTUL IZMI,DEEP SEN,PENG GANG-DING.Sensitivity enhancement in composite cavityFiber laser hydrophone [J].Journal of Lihgtwave Technology,2010,28(12):1844-1850.

[3]梁迅.光纤水听器系统噪声分析及抑制技术研究[D].国防科学技术大学,2008.

[4]韩晟晨.光纤水听器性能优化研究[D].哈尔滨工程大学,2008.

[5]杨帆,胡振华,廖知.基于PCI-6251的动态信号分析仪设计[J].武汉理工大学学报,2009,31(20):95-98.

[6]王照霞,曹家年,陈琴仙,等.干涉型光纤水听器PGC解调处理研究[J].声学与电子工程,2002,(3):1-7.