光纖矢量水聽(tīng)器

光纖矢量水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)與研究XX(安徽大學(xué)xxxxxxxxxxxxXX學(xué)院，安徽合肥)摘要：光纖矢量水聽(tīng)器是建立在光纖技術(shù)，光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。本文在介紹了強(qiáng)度型、干涉型和光纖光柵型矢量水聽(tīng)器原理的基礎(chǔ)上，比較了它們的靈敏度、測(cè)量范圍和抗干擾能力等參數(shù)。干涉型光纖矢量水聽(tīng)器是通過(guò)水中聲波對(duì)光纖的壓力來(lái)改變纖芯折射率或長(zhǎng)度,從而引起光纖中傳播光束光程的變化，通過(guò)檢測(cè)其相位差得到水聲信息。光纖矢量水聽(tīng)器被廣泛的用于拖曳陣、固定陣、船殼陣和聲吶浮標(biāo)中，是現(xiàn)代海洋技術(shù)不可或缺的一部分。關(guān)鍵詞：光纖矢量水聽(tīng)器，強(qiáng)度型，干涉型，光纖光柵型，潛艇拖曳陣DesignofOpticalFiberVectorHydrophoneGeXin(AnhuiUniversity，physicsandMaterialscienceCollege，AnHuiHeFei)Abstract：Opticalfibervectorhydrophoneistheunderwateracousticsignalsensor,whichisbasedonopticalfibertechnologyandphotoelectrontechnology.Thispapercomparedtheirsensitivity,measuringrange,Anti-jammingcapabilityandotherParameter,basedondescribingStrengthType,Interferencetypeandopticalfibergratingtype.Interferometricfiberopticvectorhydrophoneobtainacousticinformationbydetectingthewaterpressure.Acousticpressureofthewaterchangesthelengthofthefibercorerefractiveindex,whichforcetheopticalpathdifferencechanging.OpticalfibervectorhydrophoneiswidelyusedforTowedArray,Fixedarray,HullarrayandSonarbuoy,whichisanintegralpartofmarinetechnologyKeywords：Opticalfibervectorhydrophone,StrengthType,InterferenceType,OpticalfiberGratingType,TowedArray光纖矢量水聽(tīng)器是建立在光纖技術(shù)，光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器，其信號(hào)的探測(cè)與傳輸均以光作為傳輸媒介，更具有體積小，重量輕，抗電磁干擾，靈敏度高等特性，被廣泛的用于水下打撈作業(yè)，軍事偵察，國(guó)防等重要方面。光纖水聽(tīng)器經(jīng)過(guò)將近20多年的發(fā)展與研究，其技術(shù)已日臻成熟，一些領(lǐng)域內(nèi)已廣泛應(yīng)用，前景廣闊[1]。光纖矢量水聽(tīng)器最基本的功能就是探測(cè)由被測(cè)物體發(fā)出的聲場(chǎng)。被探測(cè)物體在水中移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生聲波，聲波在三維空間上發(fā)散開(kāi)來(lái)形成聲場(chǎng)。水聲技術(shù)中要想準(zhǔn)確的描述聲場(chǎng)并探知聲場(chǎng)信息，不僅需要聲場(chǎng)的標(biāo)量信息如聲壓，還需要聲場(chǎng)中的矢量信息，如聲壓梯度，質(zhì)點(diǎn)速度和加速度等，傳統(tǒng)的水聽(tīng)器只能探測(cè)聲場(chǎng)的強(qiáng)度，卻不能探測(cè)聲場(chǎng)的方向，從而定位模糊，靈敏度低，而矢量水聽(tīng)器可以測(cè)量速度，加速度等矢量，正是實(shí)現(xiàn)這些物理量測(cè)量的有力工具。光纖矢量水聽(tīng)器可以測(cè)量水下聲場(chǎng)，是有堅(jiān)實(shí)理論依據(jù)的，本文將從光纖矢量水聽(tīng)器的光學(xué)原理，探頭設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分展開(kāi)敘述一、光纖矢量水聽(tīng)器的理論依據(jù)眾所周知，聲場(chǎng)是物理場(chǎng)?？匆豢绰晫W(xué)這門學(xué)科的發(fā)展歷史,直到上世紀(jì)下半葉,人們對(duì)聲場(chǎng)的表述和測(cè)量幾乎都是以聲場(chǎng)的標(biāo)量(聲壓)為基礎(chǔ)的。事實(shí)上這是一種片面的描述,當(dāng)我們把聲場(chǎng)的聲壓表達(dá)式寫(xiě)成泰勒展開(kāi)的形式并只取展開(kāi)式的前三項(xiàng)作近似時(shí),則有1P二P +(r-r)-VP +—(r-r)V2P -(r-r)+(i)(x,y,z,)(x0,y0,z0,t) 0 (x0,y0,z0)20 (x0,y0,z0) 0式1中右邊第一項(xiàng)表示在測(cè)量點(diǎn)r(x,y,z)處的聲壓值，它可以用無(wú)指向性的聲0000壓水聽(tīng)器(即零階水聽(tīng)器)測(cè)得;第二項(xiàng)是在以此點(diǎn)(X,Y,Z)為中心，半徑為R000(要滿足R<<入，入為聲波波長(zhǎng))的小體積元內(nèi)的聲壓梯度值，它是矢量，要用聲壓梯度水聽(tīng)器(即矢量水聽(tīng)器)來(lái)測(cè)得。而第三項(xiàng)表示在上述小體積元內(nèi)的二階聲壓梯度值，它要用二階聲壓梯度水聽(tīng)器(即二階矢量水聽(tīng)器)測(cè)得。從上式可以看出若準(zhǔn)確而又全面地描述聲場(chǎng)，不僅要知道測(cè)點(diǎn)處的標(biāo)量(聲壓)值，還需要知道測(cè)點(diǎn)處的一階矢量和二階矢量值。在平面波聲場(chǎng)中，聲壓梯度與聲媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)加速度或質(zhì)點(diǎn)振速有確定的換算關(guān)系，測(cè)得其中任何一個(gè)值，即可得到另外其他二個(gè)值.標(biāo)量“聲壓”只表征聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)壓力的大小，而矢量(聲壓梯度、質(zhì)點(diǎn)振速或加速度等)表征了媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在聲場(chǎng)作用下以怎樣的速度或加速度運(yùn)動(dòng)而又朝什么方向運(yùn)動(dòng)的，也就是說(shuō)，聲場(chǎng)矢量表征了聲波能量流來(lái)自何方又朝哪個(gè)方向傳遞著的[2]。這樣一來(lái)，我們不僅獲取了聲場(chǎng)的標(biāo)量信息，又獲取了聲場(chǎng)的矢量信息，這對(duì)洞察聲場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)，充實(shí)和發(fā)展聲學(xué)理論以及開(kāi)拓新的聲吶檢測(cè)技術(shù)都具有重要的意義。近些年來(lái)，有人提出了以聲場(chǎng)矢量概念為基本理論并與實(shí)驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合的“矢量水聲學(xué)”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。二、光纖矢量水聽(tīng)器的分類。按傳感原理可把光纖矢量水聽(tīng)器分為三類，下面分別介紹：強(qiáng)度型光纖矢量水聽(tīng)器。原理：光纖微彎損致使光功率變化聲波 光纖微彎損耗 光功率變化強(qiáng)度型光纖矢量水聽(tīng)器的特點(diǎn)：不需要解調(diào)裝置，信號(hào)處理簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是性能易受到光源強(qiáng)度穩(wěn)定性的影響，且傳感器探頭設(shè)計(jì)復(fù)雜，加工難度大。下面簡(jiǎn)要介紹四種強(qiáng)度型光纖水聽(tīng)器圖1是基于螺旋變形器的微彎型光纖水聽(tīng)器。先用直徑0.127mm金屬細(xì)絲線以2mm的螺距螺旋方式纏繞在光纖上，然后光纖再以螺旋方式纏繞在倒置的錐體外表面，并與錐形外套相匹配。當(dāng)水聲壓力作用在倒置的錐體和外套上時(shí)，中間的光纖產(chǎn)生彎曲損耗，改變了光功率的大小，實(shí)現(xiàn)水聲檢測(cè)[3]。圖1：基于螺旋變形器的光纖矢量水聽(tīng)器圖2是引入位移型光纖水聽(tīng)器。它將2根相互平行，同軸放置的光纖彼此相隔一段距離，其中1根固定，另一根可隨外界聲壓引起機(jī)械位移發(fā)生移動(dòng)，2根光纖彼此相錯(cuò)導(dǎo)致其耦合效率變化，當(dāng)兩根光纖正對(duì)時(shí)，耦合效率會(huì)達(dá)100%。I圖2：引入位移型光纖矢量水聽(tīng)器2）干涉型光纖矢量水聽(tīng)器原理：光學(xué)干涉，通過(guò)水中聲波對(duì)光纖的壓力而改變的光纖纖芯折射率或長(zhǎng)度所引起的光纖中傳播光束光程變化通過(guò)檢測(cè)其相位得到水聲信息。聲波 光纖折射率發(fā)生變化或光纖長(zhǎng)度變化 檢測(cè)相位變化下面用圖解的方法細(xì)講一下干涉型光纖矢量水聽(tīng)器的原理，主要是舉出4個(gè)代表性的例子：圖3是基于邁克爾遜光纖干涉儀水聽(tīng)器的原理圖。激光光源（S）發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖定向耦合器DC分為2路：一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波調(diào)制；另一路則構(gòu)成參考臂，提供參考相位，兩束波經(jīng)過(guò)后端反射膜反射后返回光纖定向耦合器，發(fā)生干涉，其光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器（PIN）后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)

處理就可拾取聲波信息。圖3：michelson光纖干涉圖4是基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽(tīng)器的原理圖。從激光光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖后，由光纖定向耦合器DC1分成空間分離的2路光束，分別稱為信號(hào)光束和參考光束，再經(jīng)光纖定向耦合器DC2重新相干混合后，分別在輸出端產(chǎn)生干涉，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號(hào)。(DMT[111(11(DMT[111(11圖4：mach-zehnder光纖干涉儀圖5是基于Fabry-Perot光纖干涉儀光纖水聽(tīng)器的原理圖，由光纖中2個(gè)反射鏡或1個(gè)光纖布拉格光柵等構(gòu)成Fabry-Perot腔。激光經(jīng)該干涉儀時(shí)在腔內(nèi)來(lái)回多次反射，形成多光束干涉，通過(guò)解調(diào)干涉的信號(hào)得到聲信號(hào)。由于光在腔內(nèi)多次反射，該水聽(tīng)器靈敏度非常高，其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小。1F1F?P腔T—氏械奴光纖圖5：Fabry-perot光纖干涉儀對(duì)干涉型光纖矢量水聽(tīng)器有了簡(jiǎn)要認(rèn)識(shí)后，下面定量的分析：以雙光束干涉為例，干涉后的光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后可寫(xiě)成：TOC\o"1-5"\h\zi二i+1+2.ttcos?+e+e) (2)0 1 2 V1 2 s n0其中：e為干涉儀的初始相位，是個(gè)常量；e為相位差的低頻漂移，是不確定0n量，隨溫度和外界環(huán)境影響而隨機(jī)變化。干涉儀輸出光波相位差為：e=2兀niv/c (3)其中：c是真空中光速；n是光纖纖芯的有效折射率，l是光纖軸向長(zhǎng)度；v是光頻。若光源相干長(zhǎng)度為L(zhǎng),相干理論要求L^nl。由式(2)可得，各種因素引起的相位差變化為：Ae=2兀niv/c(An/n+AI/1+Av/v) (4)相位差變化包括：①由光彈效應(yīng)產(chǎn)生有效折射率改變引起光相位變化；②光纖軸向長(zhǎng)度變化導(dǎo)致光相位變化；③光頻抖動(dòng)引起光相位變化。其中前2種變化可由聲壓調(diào)制因素產(chǎn)生，第3部分構(gòu)成系統(tǒng)的光相位噪聲。光纖水聽(tīng)器探頭需增敏處理。其方法是將干涉儀傳感臂纏繞在1個(gè)聲壓彈性體上，聲壓變化時(shí)，彈性體隨聲壓受迫振動(dòng)，傳感光纖長(zhǎng)度被調(diào)制，即聲壓對(duì)光纖水聽(tīng)器的調(diào)制主要表現(xiàn)為光纖軸向長(zhǎng)度的調(diào)制。則光纖軸向長(zhǎng)度變化與聲壓變化成正比，即由水聲引起的相位差變化與聲壓變化成正比：Ae-(2兀niv/c)-(AI/1)二k-p (5)s其中k是比例系數(shù)。光纖光柵型光纖水聽(tīng)器原理：水聽(tīng)器中，傳感光柵周圍的應(yīng)力隨著水中聲壓的變化聲波 傳感光柵周圍應(yīng)力變化 檢測(cè)應(yīng)力該型水聽(tīng)器基于光纖布拉格光柵反射波長(zhǎng)隨外界應(yīng)力變化而移動(dòng)原理，由于可在1根光纖上刻寫(xiě)多個(gè)光纖光柵，易構(gòu)成準(zhǔn)分布式傳感。當(dāng)寬帶光源(BBS)輸出光波經(jīng)光纖布拉格光柵(FBG)時(shí)，波長(zhǎng)滿足該條件的光波將被反射，其余則透射：九二2nA (6)Beff式中：九為FBG的中心反射波長(zhǎng)；n為纖芯有效折射率，A為光柵柵距。Beff當(dāng)傳感光柵周圍應(yīng)力隨水中聲壓變化時(shí)，將導(dǎo)致n或A的變化，從而產(chǎn)生傳感eff光柵相應(yīng)的中心反射波長(zhǎng)偏移，偏移量由A=2AnA+2nAA確定，即實(shí)現(xiàn)Beffeff水聲聲壓對(duì)反射信號(hào)光的波長(zhǎng)調(diào)制。據(jù)檢測(cè)中心反射波長(zhǎng)偏移，再根據(jù)An和eff與聲壓間的線性關(guān)系，即可獲得聲壓變化信息[4]。由于外界水聲作用在光柵上產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變很小，難以直接識(shí)別布拉格波長(zhǎng)的微小位移量。因此該光纖光柵水聽(tīng)器，不選寬帶光源，而選可調(diào)諧窄帶激光器，將其輸出光波長(zhǎng)調(diào)節(jié)在光纖光柵反射譜的1個(gè)邊上。即當(dāng)光柵透射譜在外界水聲信號(hào)作用下移動(dòng)時(shí)，輸出光信號(hào)沿光柵透射譜的1邊近似線性地被調(diào)制。光纖光柵型光纖水聽(tīng)器因光纖光柵的反射帶寬較寬，如不對(duì)傳感頭增敏處理，在用干涉法解調(diào)時(shí)很難達(dá)到要求的信號(hào)分辨率[5]。故具有窄帶寬的光纖光柵激光器在提高靈敏度上優(yōu)勢(shì)明顯，在水聲信號(hào)為100Hz時(shí)可達(dá)到0.61MHz/Pa的靈敏度。三、光纖矢量水聽(tīng)器敏感元件的結(jié)構(gòu)與工作方式按矢量水聽(tīng)器敏感元件與聲場(chǎng)相互作用的形式可把矢量水聽(tīng)器分為三大類：偶極子型、不動(dòng)外殼型和同振型。如果按敏感元件換能機(jī)理的不同，矢量水聽(tīng)器又可分為壓電式、動(dòng)圈式、壓阻式和光纖式等等。3.1偶極子型偶極子型矢量水聽(tīng)器是矢量水聽(tīng)器的最原始形式，它可以直接由性能一致的一對(duì)點(diǎn)狀（所謂“點(diǎn)狀”是指其物理尺寸遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)）聲壓水聽(tīng)器構(gòu)成，兩個(gè)聲壓水聽(tīng)器之間距r小于波長(zhǎng)。它們的電輸出作串聯(lián)連接，使得總輸出電信號(hào)比例于兩者所在點(diǎn)之間的聲壓差，因此這種形式的矢量水聽(tīng)器又稱雙水聽(tīng)器型或壓差型。實(shí)際上它是用“有限差分”方法近似求出待測(cè)點(diǎn)處的聲壓梯度。經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算后可得到水質(zhì)點(diǎn)振速。在直角坐標(biāo)的三個(gè)正交軸上，分別放置一對(duì)點(diǎn)狀聲壓水聽(tīng)器便構(gòu)成了三維偶極子型矢量水聽(tīng)器。將一對(duì)水聽(tīng)器輸出電信號(hào)相加并除以2便得到測(cè)點(diǎn)的聲壓值。這種三維結(jié)構(gòu)的偶極子型矢量水聽(tīng)器可同時(shí)共點(diǎn)地測(cè)量三個(gè)正交矢量和一個(gè)標(biāo)量（聲壓）。它是將壓電陶瓷環(huán)的電極（通常作法是內(nèi)電極）分割成兩等份或四等份（環(huán)的外表面涂滿電極），經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)碾姌O化，使得相對(duì)的兩個(gè)扇形部分的輸出電信號(hào)作相減處理，便構(gòu)成了偶極子結(jié)構(gòu)型式的矢量水聽(tīng)器。如果把壓電陶瓷環(huán)的內(nèi)電極分割成四等份，通過(guò)適當(dāng)?shù)碾姌O化和適當(dāng)?shù)碾娺B接方式，,又構(gòu)成可同時(shí)測(cè)量同平面上的兩個(gè)正交軸上的聲壓梯度或振速[6]。本文后面將要介紹的多模式矢量水聽(tīng)器又是上面那種類型結(jié)構(gòu)型式的新發(fā)展。3.2不動(dòng)外殼型（強(qiáng)迫型）它是由壓電陶瓷圓片（或矩形片）通過(guò)一定方式固定于高密度金屬殼體上而構(gòu)成。在聲場(chǎng)作用下，外殼對(duì)聲波呈高機(jī)械阻抗，可看作靜止不動(dòng)，而壓電片直接受到聲場(chǎng)的動(dòng)態(tài)壓力（聲壓）作用，被“強(qiáng)迫”發(fā)生形變從而完成聲—電轉(zhuǎn)換。實(shí)際上，“不動(dòng)外殼型”仍是一種壓差式矢量水聽(tīng)器，水聽(tīng)器的輸出電信號(hào)幅度依然與壓電片兩側(cè)的聲壓之差成比例。為了提高這種矢量水聽(tīng)器的靈敏度，有意在外殼尺寸設(shè)計(jì)中，增加壓電片兩側(cè)之間的聲路徑長(zhǎng)度。這種壓差式矢量水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)及實(shí)物照片如下圖6所示，.以上兩種結(jié)構(gòu)型式的矢量水聽(tīng)器在其工作時(shí)可以剛性地固定于測(cè)量支架上，這也是它們要比下面討論的“同振型”略勝一籌之處.圖6：不動(dòng)外殼型矢量水聽(tīng)器3.3同振型同振型矢量水聽(tīng)器是將慣性式敏感元件（振動(dòng)加速度計(jì)、速度計(jì)等）封裝于球形或圓柱形殼內(nèi)而成。其工作原理是基于剛性球或圓柱體在聲場(chǎng)作用下作振蕩運(yùn)動(dòng)的特性。聲學(xué)理論早已證明，當(dāng)剛性球體或圓柱體的波尺寸d/入（d為球或圓柱的線度尺寸，入為聲波波長(zhǎng)）很小時(shí)，它們?cè)诼晥?chǎng)中的振蕩運(yùn)動(dòng)速度分別可以寫(xiě)成如下表達(dá)式：/V=3p/（2p+P）, （7）s0/V=2p/（p+p）, （8）e0式中Vs,Vc分別為剛性性球體和柱體的振蕩速度幅度，V0為聲媒質(zhì)（例如水）質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，p為球體或柱體的平均密度，p為聲媒質(zhì)（例如水）的密度。從（2）式可以看出，如果使球體或圓柱體的平均密度等于聲媒質(zhì)（例如水）的密度，即p=p，則剛性球體或圓柱體的振動(dòng)速度就等于聲媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。亦可以證明，這時(shí)Vs或Vc與V0之間的相位差為零。換句話說(shuō)，剛性球或柱體在聲場(chǎng)中是與媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)同幅度同相位地運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這種原理構(gòu)成的矢量水聽(tīng)器因此而得名為“同振型”（co-oscillatingtype）。借助安置于球體或圓柱體內(nèi)的加速度計(jì)或速度計(jì)測(cè)出球或圓柱體的運(yùn)動(dòng)加速度或速度，也就獲得了聲媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)加速度或速度的信息。因?yàn)橥裥褪噶克?tīng)器必須采用慣性式振動(dòng)傳感元件，因此，英文文獻(xiàn)中都把“同振型”矢量水聽(tīng)器稱作慣性型矢量水聽(tīng)器。同振型矢量水聽(tīng)器在其工作時(shí)必須用彈性懸置元件（如橡膠繩或金屬?gòu)椈傻龋⑵鋺覓煸趧傂钥蚣苌稀椥詰抑迷沁@種矢量水聽(tīng)器的重要組成部分。因此，懸置元件的設(shè)計(jì)和使用狀況直接會(huì)影響到矢量水聽(tīng)器的電聲性能。四、光纖矢量水聽(tīng)器在拖曳陣中的應(yīng)用冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)海軍把反潛戰(zhàn)態(tài)勢(shì)由美國(guó)海岸的深海安全重新定位于淺海區(qū)域。在淺海區(qū)域，安靜型柴電潛艇頻繁出沒(méi)。因此美國(guó)海軍為緩解這個(gè)問(wèn)題,把“淺水到深水水域快速地進(jìn)行潛艇提示、檢測(cè)和定位”以及“防水下攻擊(包括艦船防多重齊射魚(yú)雷攻擊)的自衛(wèi)平臺(tái)”作為技術(shù)突破口。在這些研究項(xiàng)目中，追求使用先進(jìn)的多模式水聽(tīng)器和單晶矢量水聽(tīng)器技術(shù)。這些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于線列陣(拖曳陣、固定陣)、空投聲吶浮標(biāo)以及聲攔截系統(tǒng)中。把矢量水聽(tīng)器應(yīng)用于潛艇拖曳陣，解決了在對(duì)威脅潛艇定向時(shí)常規(guī)聲壓水聽(tīng)器線陣存在的“左右舷模糊”的問(wèn)題，不必對(duì)線陣作費(fèi)時(shí)的機(jī)動(dòng)控制。從而使艇