分布反馈式光纤激光水听器的声压灵敏度频率响应特性

光纤激光水听器的频率响应曲线会在声压传递函数的谐振频率处出现谐振峰,使水听器的工作频带变窄。研制了一种金属膜片端面增敏结构的分布反馈式(DFB)光纤激光水听器。基于电声类比理论,建立了DFB光纤激光水听器的声压传递函数模型,仿真分析了水听器各结构参数对水听器声压传递函数的影响,实现了水听器结构的优化设计,加工制作了水听器原型样品并进行了实验研究。由实验结果可知,DFB光纤激光水听器在2.5~10kHz频率范围内的平均声压灵敏度为-135.99dB,波动幅度小于±0.6dB,且在16kHz附近出现谐振峰,实验结果与仿真分析结果较好地吻合。该研究对DFB光纤激光水听器的研制具有重要指导意义。     

带加速度补偿的DFB光纤激光水听器

针对分布反馈式光纤激光水听器在用于水声探测时极易受加速度效应干扰的问题,设计了一种双膜片对称结构的光纤激光水听器,对该水听器的抗加速度性能进行了研究.建立了双膜片结构水听器的加速度灵敏度理论模型,分析了水听器各部件的尺寸大小、材料参量与水听器加速度灵敏度的关系,实现了对水听器结构的优化设计;加工制作了分布反馈式光纤激光水听器原型样品,并进行了实验研究.测量结果表明,在2.5~10kHz的频率范围内,该结构水听器的平均声压灵敏度为-132.6dB,波动幅度不大于±0.5dB,加速度灵敏度小于-28dB.该水听器在保证了较高声压灵敏度与平坦的响应曲线的同时,抗加速度性能也得了有效改善,可大大提高光纤激光水听器阵列在运动状态下对远距离目标探测的信噪比.     

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。      

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.     

一种有源型光纤水听器原理与实验分析

分析了一种有源型光纤水听器的水声传感原理,在一段掺铒光纤中写入具有π相移的光纤光栅构成光纤激光器,水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位,采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息.水声探测实验表明,有源型光纤水听器的声压灵敏度为-166.5 dB(参考值1 rad/μPa).将不同工作波长的四元光纤水听器串接于一根光纤内组成水听器阵列,使用带通波分复用器将阵列发出的激光分离至各独立通道后检测出相应的声压信号,测得水听器之间的级串扰小于-60 dB,且单元水听器水声响应的动态范围不受影响.     

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.     

夹层式光纤激光水听器探头优化设计

为改善分布反馈式(DFB)光纤激光器水声探测性能,利用有限元软件ANSYS,以相对加速度灵敏度为目标函数,结构尺寸参数为设计变量,结构第一阶固有频率和探头声压灵敏度为状态变量,对夹层式封装结构进行了优化设计,对其声压探测及抗加速度机理进行了分析。分析表明,基于优化结果设计的探头在采用100m非平衡干涉仪时,其声压灵敏度约为-135.1dB,相对加速度灵敏度可达到-19.6dB。结果表明,基于封装结构敏感部分分别承受声压激励和加速度激励时的不同响应机理,对夹层式封装结构关键部位尺寸进行优化设计后,通过合理选择承压梁与中间变形梁的厚度以及上下连接点的位置,封装制得的光纤激光水听器具有较高的声压灵敏度和良好的抗加速度性能。     

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,...     

干涉型光纤水听器伪工作点控制检测方法

提出了一种用于干涉型光纤水听器信号检测的伪工作点控制方法.为了验证该方法的可行性,搭建了干涉型光纤水听器声压灵敏度测量系统,编写了实时信号采集和处理程序,对某一光纤水听器进行了测量.在频带20 Hz~2.5 kHz上,该光纤水听器的声压灵敏度为－156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±0.8 dB,与采用PGC调制解调方法测量的结果基本一致.由于传感部分不含有源器件,该方法实现了无源检测.另外,它还具有解调算法简单、检测频带宽等优点.     

分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵实验研究

为了进一步增大光纤拖曳阵的探测距离,研制了缆径为16mm的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵.阵元在10~2 000Hz频率范围内的平均声压灵敏度为-142.7dB(re 1rad/μPa),波动幅度小于±2dB.基于声光调制器的时分、波分联合复用技术实现了32元光纤激光水听器的多路复用,各个阵元之间以及各个通道之间的串扰均小于-40dB,并完成了静态和动态拖曳湖上实验.实验结果表明,研制的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵无论是在静态,还是在6~16节的动态拖曳状态,都能对目标形成稳定的波束指向,与GPS轨迹记录完全一致,展现了分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵在工程上的应用前景.     

基于流固耦合作用的分布反馈式光纤激光水听器

为了解决流固耦合模态使水听器工作频带变窄的问题,理论分析了流体对双膜片结构的分布反馈式光纤激光水听器固有频率的影响,基于有限元软件对水听器加固封装前后在空气中和流体中的模态和频响性能进行仿真分析,加工制作了水听器原型样品并开展了水声实验研究.实验结果表明,在2 500~8 000Hz的频率范围内,未经加固封装的水听器由于在该频段内存在多个流固耦合固有频率造成响应曲线起伏较大,而采取了加固措施封装后的水听器获得了-142.77±0.8dB的平均声压灵敏度,验证了流体对水听器频响性能的影响以及改善措施的有效性,实验结果与理论及仿真结果吻合较好.     

DFB fiber laser hydrophone with band-pass response

A distributed-feedback fiber laser hydrophone with band-pass response is presented. The design of the hydrophone aims to equalize static pressure and eliminate signal aliasing of high-frequency acoustic components. Theoretical analysis is presented based on electro-acoustic theory. The experimental results agree well with the theory. The measured underwater responses show that the hydrophone has a pressure sensitivity of -170 dB re:pm/μPa over a bandwidth between 100 Hz and 500 Hz. A sensitivity reduction exceeding -35 dB is observed at 2500 Hz. The tested static pressure sensitivity of the hydrophone is -226 dB. The proposed fiber laser hydrophone of this kind is expected to have important application in deep water fiber-optic sonar systems with anti-aliasing, and the understanding gained through this work can be extended to a guide of hydrophone design for required filtering bandwidth.     

用傅里叶变换谱稳定法布里-珀罗型光纤水听器的工作点

介绍了闭环反馈控制法稳定法布里-珀罗型光纤水听器相位工作点的基本原理,给出了法布里-珀罗型光纤水听器的声压相移灵敏度的表达式,推导了法布里-珀罗干涉透射光强替代函数的傅里叶变换解析式,用MathCAD软件绘制了该式对应的傅里叶变换谱线,通过谱线可以直观地了解系统输出信号的组成和特点。在实验中用频谱分析仪器记录了法布里-珀罗型光纤水听器透射光强的傅里叶变换谱,与软件仿真的理论谱线较好地吻合。通过实验进一步指出反馈临界点频率的选择方法,检验了反馈控制法在法布里-珀罗型光纤水听器相位工作点稳定过程中的实际效果,证明了该方法的可行性。     

Research of the planar optical fiber Bragg grating hydrophone probe

This paper presents the planar Fiber Bragg Grating （FBG） hydrophone probe sensing principle, and theoretically and experimentally researches the probe structure sensitivity, the receiving sensitivity frequency response characteristic and the acceleration response property. Planar sheet is made of stainless steel, its thickness is 0.15 mm, its diameter is 15mm, and the length of hollow circular shell is 20 mm. For this size of the structure, the probe structure sensitivity is up to 23 fm/Pa, which is about 7300 times of the value of the bare fiber. The resonance frequency is 6.5 kHz, and the amplitude-frequency curve of the receiving sensitivity response is relatively flat within the frequency range of 100 Hz to 5.5 kHz. The output yielded by one unit acceleration （1m/s2） is equivalent to （2.52 to 3.26 Pa） acoustic pressure acting output. This probe structure is easy to form FBG hydrophone array by multiplexing technique. The research shows that this planar structure not only can form FBG hydrophone probe, but also can constitute optical FBG laser hydrophone probe. The structure can realize different bandwidth, different range acoustic pressure measurement by adjusting the geometrical size of the sheet.     

一种光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究

为了校准光纤光栅水听器的灵敏度,开展了光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究.本文首先介绍了光纤光栅水听器的工作原理;其次,采用可调谐激光器和带工作点控制的强度调制法,实现了光纤光栅水听器的信号解调和稳态测量;在此基础上,利用比较法建立了一种光纤光栅水听器校准系统,校准频率范围为20 Hz～10 kHz;最后,在该频率范围内对采用等效相移布喇格光栅研制的一只光纤光栅水听器的灵敏度进行了校准,对系统的测量不确定度进行了估算.结果表明,该系统可准确校准光纤光栅水听器的灵敏度,扩展不确定度为0.9 dB(k＝2).