基于光频域反射仪的光纤水听器探头结构形变研究

光纤水听器探头在深海静水压力下存在变形，这会影响其对水下声信号的探测性能，甚至会使探头失稳而无法在深海环境中继续作业。传统电学传感器因受限于尺寸和电磁干扰等因素，故难以被用于水听器探头的形变监测中。光纤光栅点式传感器的空间分辨率较低，故也无法对尺寸小的光纤水听器探头进行全分布式力学监测。为此，提出了一种基于光频域反射仪的高空间分辨率、高精度的光纤水听器探头形变监测方法。在实验中，光纤紧密缠绕在水听器探头的表面，采用自主研制的分布式光纤形状监测分析仪测量了探头形变产生的光纤瑞利散射光谱的波长漂移，并采用逆向积分的方法实现了探头形状的二维重构。研究结果表明：随着静水压力的增大，水听器探头直径逐渐缩小，并沿周向出现周期性凹陷；当静压力达到6 MPa时，三个周期性凹陷深度达到124μm。该实验研究结果与基于ANASYS的耐压性仿真结果相符。     

20Hz～10kHz光纤水听器相移灵敏度校准

利用相位生成载波解调技术精确测量光纤水听器的光相移量,在20 Hz～10 kHz频率范围实现了光纤水听器探头相移灵敏度的校准.20 Hz～1.25 kHz频段采用驻波管比较法进行校准,1.25 kHz～10 kHz频段采用自由场脉冲比较法进行校准.利用本文建立的校准系统,对TMD 35#光纤水听器的相移灵敏度进行校准,...     

一种耐静压分布反馈式光纤激光水听器探头设计

大深度工作环境下，静水压会引起分布反馈式光纤激光水听器反射中心波长漂出解调系统的复用窗口，使水听器无法解调目标声压信号；不同的静水压也会引起分布反馈式光纤激光水听器灵敏度的变化，影响光纤激光水听器阵列的一致性。基于电力声类比理论，提出带静压补偿的分布反馈式光纤激光水听器探头，建立结构的声压传递函数，分析各结构参数对传递函数的影响，为分布反馈式光纤激光水听器探头频率响应平坦化设计提供理论依据。加工制作了耐静压分布反馈式光纤激光水听器样品进行测试，在0 kHz～10 kHz频率范围内声压灵敏度波动范围不大于±2.4 dB，2.3 MPa内出射激光中心波长漂移量不大于0.06 nm，对深水光纤激光水听器的研究具有指导意义。     

光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度；对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

光纤水听器灵敏度测试研究

研制了一套简单可行的光纤水听器灵敏度校准装置,提出了一种简便的测量方法——比对法:将标准压电水听器探头和光纤水听器探头置于同一声场中，并将两探头的输出同时接到数字示波器上进行比对测量.研究表明,振动系统中的盛水容器具有一定的壁厚（>10 mm或1/10桶的外径）时，可将振动系统的谐振峰移出工作频段范围（3~1000 Hz）外.利用此装置结合比对法,校准系统简单，校准速度快,实验的误差小于0.5 dB,能满足一般光纤水听器灵敏度的校准需求.     

全光光纤水听器系统海上试验

阐述了光纤水听器拾取声压信号的基本原理。研制的光纤水听器探头尺寸为Φ22 mm×100 mm,相位灵敏度为-160 dB(参考值1 rad/μPa),波动小于3 dB,系统最小可测声压在1 kHz频点为43.5 dB,与零级海洋噪声水平相当。光纤水听器与标准水听器采集的宽带信号相关系数大于0.94,信号基本一致。23基元1 km传输全光湿端光纤水听器阵列于2002年8月在渤海进行了海上试验,相邻基元采集的气枪信号相关系数大于0.98,阵列具有良好波束指向性。光纤水听器关键技术的成熟为其走向应用奠定了良好基础。     

关于光纤水听器灵敏度的讨论

本文先简略介绍了干涉型光纤水听器的基本原理与检测信号的基本方法，由此给出了光纤水听器相位归一化灵敏度、相位灵敏度、电压灵敏度的定义。在分析它们的物理意义以及相互之间关系的基础上，给出一组能反映它们对应关系的一组数据，以及一光纤水听器探头频率响应曲线。     

一种平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

阐述了一种平面薄板结构的平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头的工作原理,从理论和实验上分析研究了该探头的结构灵敏度、频率响应特性以及加速度响应特性。平面圆形薄板采用不锈钢,尺寸为:直径15 mm、厚度0．15 mm,探头为圆柱型,尺寸为:直径17 mm、长20 mm。对于该尺寸结构的FBG水听器,探头静态灵敏度可达23 fm/Pa,比裸光栅增敏7300倍;谐振频率为6．5 kHz,而且幅频特性在100 Hz～5．5 kHz频率范围内较为平坦;低频段加速度响应灵敏度为:58～75(fm·s~2/m),在1 m/s~2加速度作用下其输出等效(2．52～3．26 Pa)压力作用下的输出。该结构的探头也便于多路复用组成水听器阵列。该平面结构不仅可以组成光纤FBG水听器探头,同样可以组成光纤光栅激光水听器探头。对薄板的几何尺寸进行适当的调整,可实现不同量程、不同带宽的水声压力测量。     

带加速度补偿平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

针对平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头加速度响应明显,影响它对正常声压进行探测的需求,提出了采用加速度补偿措施进行加速度去敏这一有效方法。从理论和实验上分析研究了带加速度补偿平面型光纤FBG水听器探头的结构灵敏度、灵敏度频率响应特性和加速度响应特性。结果表明:采用加速度补偿措施后,单位加速度(1m·s-2)响应输出的等效作用声压由2.52~3.26 Pa降为0.0758~0.217 Pa。同时,探头结构灵敏度由28 fm/Pa减小为20 fm/Pa,动态谐振频率由6.2 kHz增高为6.52 kHz。谐振频率的增加有助于提高水听器系统的动态响应特性,而结构灵敏度的降低,可以通过提高FBG动态波长解调仪的灵敏度来进行补偿。本来,光纤光栅或光纤光栅激光水听器系统可探测灵敏度主要由解调仪灵敏度决定,而不是由探头结构灵敏度决定。所以,该加速度补偿措施具有很大的实用性。      

芯轴型光纤水听器频率特性研究

提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的结构模型,并对其频率特性作出研究.通过对带空气腔芯轴型光纤水听器的基本原理和结构进行分析,得出光纤与弹性筒作用的相互关系;通过建立动力学等效模型,得出带空气腔芯轴型光纤水听器频率特性的理论模型.通过对各个参量进行分析,指出芯轴型光纤水听器频率特性的主要制约因素与改善方法.根据提出的结构,在一定参量下的制作出探头,经过试验测试,其3 dB带宽达到了30 kHz左右,验证了提出的模型理论.     

第五讲新型光纤水听器和矢量水听器

光纤水听器和矢量水听器作为当前水声研究领域最具有代表性的两大技术倍受业界关注。光纤水听器的重要贡献在于，从一个全新的角度出发，试图解决传统的水声传感和声纳数据传输一体化设计和实现的一系列问题，这有助于改善声纳系统的可靠性，并且有可能降低其制造、使用和维护的总成本。矢量水听器则由于其特有的指向性和矢量一相位处理方法，在低频和甚低频水声微弱目标探测方面具有潜在的优势．经过不懈的努力，光纤水听器和矢量水听器系统已经从实验室逐渐进入到工程应用阶段．这些对未来声纳系统的发展会产生相当重要的影响．文章尝试从声纳设计的角度对这两者的技术现状进行简要综述，包括它们各自的物理基础、工作原理、关键技术和应用领域．     

第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术

文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及：稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.     

光纤水听器的原理与应用

为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要，在光纤技术不断发展的基础上，光纤水听器应运而生．光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器，因其在军事、民用各领域应用广泛，目前光纤水听器在国内外发展迅速，已经到达实用状态．全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现，信号传感与传输皆基于光纤技术．具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点．文章简述了光纤水听器的发展历史、现状，论述了光纤水听器的原理及其应用前景．     

Development of calibration techniques for ultrasonic hydrophone probes in the frequency range from 1 to 100 MHz

The primary objective of this work was to develop and optimize the calibration techniques for ultrasonic hydrophone probes used in acoustic field measurements up to 100 MHz. A dependable, 100 MHz calibration method was necessary to examine the behavior of a sub-millimeter spatial resolution fiber optic (FO) sensor and assess the need for such a sensor as an alternative tool for high frequency characterization of ultrasound fields. Also, it was of interest to investigate the feasibility of using FO probes in high intensity fields such as those employed in HIFU (high intensity focused ultrasound) applications. In addition to the development and validation of a novel, 100 MHz calibration technique the innovative elements of this research include implementation and testing of a prototype FO sensor with an active diameter of about 10 μm that exhibits uniform sensitivity over the considered frequency range and does not require any spatial averaging corrections up to about 75 MHz. The results of the calibration measurements are presented and it is shown that the optimized calibration technique allows the sensitivity of the hydrophone probes to be determined as a virtually continuous function of frequency and is also well suited to verify the uniformity of the FO sensor frequency response. As anticipated, the overall uncertainty of the calibration was dependent on frequency and determined to be about ±12% (±1 dB) up to 40 MHz, ±20% (±1.5 dB) from 40 to 60 MHz and ±25% (±2 dB) from 60 to 100 MHz. The outcome of this research indicates that once fully developed and calibrated, the combined acousto-optic system will constitute a universal reference tool in the wide, 100 MHz bandwidth.     

光纤水听器解调技术研究进展

光纤水听器是水声研究领域的关键技术,在实际应用中具有显著优势,广泛应用于AUV导航定位、资源勘探、海水警戒等场景。光纤水听器将声信号转化为光信号传播,在接收信号时就需要对光信号进行解调提取出声压信号。总结了几种常用的信号解调算法及关键技术,包括PGC解调法、3×3耦合器解调法和外差解调法;介绍了各种解调算法的基本原理和改进技术;总结对比了各种算法的优缺点;最后给出了光纤水听器解调技术面临的挑战。     

基于光纤水听器的声场水平相关性研究

中科院声学研究所声场声信息国家重点实验室与长沙国防科技大学合作研制出了一条32阵元的光纤水听器阵,并于2002年8月在渤海进行了一次海上实验。本文利用光纤水听器阵获得的气枪声信号进行了声场的水平相关性分析,并与理论结果进行了比较,实验和理论结果基本符合。     

数字化相位载波解调方案在光纤水听器系统中的实现

本文分析了干涉型光纤水听器内调制相位载波(PGC)调制解调的原理，提出了PGC调制解调的全数字化方案，通过计算机仿真，并在光纤水听器系统中实现了PGC的数字化解调。实验室光纤水听器与标准水听器对比测试以及实际海况试验都证明，数字化PGC解调技术在光纤水听器系统的实现对水声信号的检测是有效的。     

对基于光纤光栅的两种水听器灵敏度的讨论

本文简单介绍了基于光纤光栅的光纤布喇格光栅(FBG)水听器以及分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的基本工作原理与信号解调的基本方法。在此基础上提出了FBG水听器和DFB光纤激光水听器波长漂移率、压力灵敏度系数、相位灵敏度与相位灵敏度级以及电压灵敏度的定义以及物理涵义.并且对干涉型光纤水听器与DFB光纤激光水听器在相位灵敏度以及物理涵义上的区别进行了说明.     

一种基于光纤激光水听器的PGC改进解调算法

基于分布反馈式（DFB）光纤激光水听器，针对传统相位生成载波（PGC）解调方案中的不足，提出了一种新型的单路微分相除（PGC-SDD）解调算法。与传统的微分交叉相乘（PGC-DCM）和反正切（PGC-Arctan）解调算法相比，该方法仅需要双通道的1路信号作微分处理，以较少的运算步骤和计算量达到解调信号的目的。PGC-SDD算法能够更有效地应对环境引起的光强扰动和调制深度引起的谐波畸变，使解调结果更接近待测信号。对3种解调算法进行仿真和实验验证，结果表明:采用PGC-DCM解调其信噪比约12.4 dB，PGC-Arctan算法的信噪比约13.9 dB，PGC-SDD算法的信噪比达到了17.5 dB。     

拖曳线列阵用光纤水听器的研究

报道了光纤水听器用于拖曳线列阵的研究结果。在保证光纤水听器声相位灵敏度的前提下, 优化设计了光纤水听器的结构,降低了光纤水听器的加速度灵敏度36dB。实验测得在20-1600Hz 频段,该光纤水听器的相位灵敏度为-162．7dB,频段内灵敏度的起伏为±0．7dB,加速度灵敏度小于-30dB。