注油型光纤水听阵列封装工艺流程研究

沙飞+刘伟+尹虎+李昌杰+王超

【摘要】 这里公开了一套简单可行的注油型光纤水听阵列的封装工艺，通过工艺流程总结将阵列封装过程公开化，每道工艺中对涉及到的材料及设备做了一些介绍。具体的工艺流程分为：绷绳，固定器件，阵列穿管，固定连接器，阵列充油排气。按照这些工艺流程进行操作，可以生产出满足封装要求的、合格的光纤水听阵列。

【关键词】 注油型光纤水听阵列 封装 阵列穿管

引言

1977年美国海军研究室的J.A.Bucare等人发表论文，首次成功演示了一套基于光纤技术的水声传感系统，是一种建立在光纤光电子技术基础上的水下声信号传感器，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适合远距离大范围监测。经过20多年的发展，在国外，光纤水听器的技术已比较成熟，目前已经在军事以及石油勘探上获得广泛应用。

光纤水听器在我国也有近20年的发展，其中注油型光纤水听阵列通过船体拖曳使用，具有很强的灵活性和机动性，所以运用较为广泛。但因要在海水中长时间工作、还需承担船体的拖拽拉力，因此对其制作工艺提出了很高的要求，本文则着重介绍了拖曳光纤水听直线阵封装的工艺流程。

一、光纤水听阵列工作原理

1.1 光纤水听阵列简介

文中提到的光纤水听阵列均为注油型光纤水听阵列，是新型的光纤水听拖曳阵列。光纤水听阵列一般由光纤水听器阵元、阵列加强绳、外护套以及护套内充油后组成。不同于船载声纳和普通拖体声纳，它是一种声阵段远离载体，基阵深度可变，托速变化范围大，监测范围远的被动型声纳。

1.2 光纤水听阵列封装要求

拖曳阵的工作方式、环境条件和结构安装等特点对水听器阵列的性能提出了特殊的要求。如何有效的抑制由拖缆抖动、涡流及拖曳力变化等引起的振动噪音的干扰，对此水听器阵列封装有了多条注意事项。

为保证水听器阵元在海中拖曳时的不受力，阵列中阵元浮子等需要穿在几根受力均匀的阵列加强绳上，阵列加强绳承担大部分拖拽力；阵列外层需要有一层高弹水密的护套进行包裹，避免脆弱的光纤、阵元等受力或直接与海水接触；护套自然状态下是不规则的椭圆形，需要充满轻蜡油进行保持圆润，避免收放时内部光纤以及器件受力；阵列两端配有连接器，方便阵列之间的连接，同时要保证密封，工作时阵列填充油不会泄露。

二、阵列封装工艺流程

2.1 绷绳

绷绳顾名思义，就是将阵列加强绳拉直绷紧。目的在于去除绳子自身轴向力，避免影响器件、阵元等穿绳后固定。

阵列加强绳材料选用芳纶绳，芳纶绳承担着拖曳阵工作时的大部分拖曳拉力，芳纶绳的抗拉系数需要根据项目需求进行决定。拖曳阵中一般需要2到4根不等的等长芳纶绳，每根芳纶绳要受力均匀，方法是绷绳时选用一段较长的芳纶绳（具体长度根据要做的阵列长度进行确定）来回折成所需段数进行绷紧操作。绷绳需在操作台上进行，绳上一端上接上拉力计，通过拉力计的显示的数值调节拉力装置，调节到指定拉力后需要静置半天以上。

2.2 固定器件

绷绳完成之后，将芳纶绳截成所需等长的段数，将浮子、阵元外壳等按照图纸穿到所截成的芳纶绳上去，使用胶枪将器件粘到芳纶绳。目的在于阵列整体承重，水听器阵元排列符合光路设计。

需要光学工程师先设计好图纸，图纸上有设计好的浮子、阵元外壳的排布，避免穿绳时穿错导致大规模拆卸。胶枪内的胶水使用环氧胶，环氧胶粘结力好，能避免器件脱落。打胶时对准器件上留有的打胶孔，将器件与芳纶绳粘接牢固即可。打胶完成后需要静置，静置时间由环氧胶的固化时间决定。

2.3 阵列穿管

上述工序完成后形成一条简易的内部阵列，简易阵列外部需要用护套进行包裹，护套材料选用高弹防水解的PU管。目的在于保护脆弱的光学器件，对整条阵列进行操作时，PU管承受外力，使得光学器件不直接受力。

阵列穿管分为胀管和穿管两步。大体流程如下：将PU管一端胀开后将牵引接头（直径比PU管内径稍大）快速放到PU管中，牵引接头后连接简易阵列，然后快速将胀开的PU管的一端接到穿阵设备（改造的压力容器）上，固定完成后，再通过给穿阵设备加压使得牵引接头带动简易阵列在PU管中前进直至完成。

胀管需要用到胀管设备，胀管设备通过气压将PU管一端胀开，胀管的长度大约为10cm，不容易胀开时可以用熱吹风枪进行外部均匀加热。胀管成功后需立即将牵引接头塞到PU管中，原因是PU管冷却很快，胀开的PU管的那端会很快回缩。牵引接头和简易阵列之间用绳子连接，连接没有问题之后将PU管胀开的那端接到穿阵设备的接头上，用卡箍箍紧。给穿阵设备（改造的压力容器）加压，压力维持在3.5到4个大气压即可。在压力的作用下，牵引接头会带动连接的阵列前进到达指定的位置即可停止操作。

2.4 固定连接器

阵列的两端需要有连接器，连接器的目的在于使PU管和简易阵列成为一个整体，阵列充油后整体不漏油，阵列之间也可以通过连接器互相连接。

阵列的连接器至少有可拆解组装的两部分，一部分在固定器件时固定在简易阵列的一端，待穿阵工作完成后，将该部分接头上的多余PU管割除，然后将接头与PU管接触的地方套上扣压环，用扣压机扣紧，扣紧后则可将连接器的另一部分接上，简易阵列另一端同理完成即可。

2.5 阵列充油排气

充油是阵列填充油通过油泵从连接器上的充油孔注入到护套中的过程，排气不仅指充油过程中的排气，也包括充油完成后排出充油过程中混入的空气。充油的目的在于使PU管整体保持充盈状态，能承受一定的压力，保护内部器件，也能调节整条阵列的密度。排气目的在于保证整条阵的密度一致，声音只在油这一种介质内传播，避免损耗。

充油时将油泵出油一端接到连接器上的充油孔中，然后开启充油泵向PU管中充油，建议将阵列斜放，容易排出PU管中的气体，充油过程中也可进行敲击，加速油中混入气体的排出。充油完成后，若管中仍留有大量小气泡，可静置一段时间，待小气泡聚成一个大气泡时，再进行排气。为保证整条阵的充盈状态，充油时可以多充0.5个大气压的油，不容易弯折，避免收放时弯曲过大对内部的器件或光纤造成损伤。

三、结论

详细介绍拖曳阵的封装流程，列举其中用到的设备和工具，说明每个步骤的要点和注意事项。光纤水声阵列的封装是一件细致严谨的工作，难点在于无合适材料设备以及流程的公开说明，根据需求选择合适的材料，再通过上述的步骤可以成功的完成光纤水声阵列的封装工艺。