水聲傳感器簡(jiǎn)稱(chēng)水聽(tīng)器，是在水中偵聽(tīng)聲場(chǎng)信號(hào)的儀器。它作為反潛聲納的核心部件，在軍事領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用；在工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域，也有著廣泛的用途，如用于海洋石油和天然氣的勘探、地震波探測(cè)、水聲物理研究以及海洋漁業(yè)等。

光纖水聽(tīng)器是復(fù)雜的光、機(jī)、電一體化傳感器，其在各種聲納應(yīng)用中的潛能已被認(rèn)識(shí)到，而且它已達(dá)到可與壓電水聽(tīng)器相媲美的地步，其最大特點(diǎn)是具有足夠高的聲壓靈敏度，通常比壓電陶瓷水聽(tīng)器高3個(gè)數(shù)量級(jí)。現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種不同的光纖水聽(tīng)器，如強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型和相位調(diào)制型等。相位調(diào)制型光纖水聽(tīng)器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟,在部分領(lǐng)域已經(jīng)形成產(chǎn)品。

在新型光纖水聽(tīng)器中，以光纖光柵或光纖光柵激光器作為傳感元件水聽(tīng)器的研制業(yè)已開(kāi)始。大量研究工作表明，采用光纖光柵研制的水聽(tīng)器相對(duì)于干涉型水聽(tīng)器，具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 光纖光柵水聽(tīng)器是波長(zhǎng)檢測(cè)型器件，波長(zhǎng)在傳輸過(guò)程中是絕對(duì)不變的，水聽(tīng)器的可靠性和穩(wěn)定性更容易得到保證；(2)光纖光柵本身或光纖光柵激光器本身尺寸小，很容易做成點(diǎn)式水聽(tīng)器來(lái)使用；(3)基于波分復(fù)用技術(shù)(WDM)更容易組成水聽(tīng)器陣列；(4)通過(guò)光纖光柵水聽(tīng)器探頭結(jié)構(gòu)增敏，并配以高分辨率波長(zhǎng)檢測(cè)技術(shù)，特別是采用光纖光柵激光器這種信噪比極高的波長(zhǎng)選擇性器件可以達(dá)到極高的靈敏度。所以，光纖光柵水聽(tīng)器或光纖光柵激光器有比干涉型水聽(tīng)器更為優(yōu)越的性能，是光纖水聽(tīng)器的一個(gè)重要發(fā)展方向。

光纖光柵直接測(cè)量水聲

式中I_in與λ_in為射入光纖光柵的光的強(qiáng)度及波長(zhǎng)。當(dāng)傳感光柵置于水中聲場(chǎng)時(shí)，在水聲壓的作用下，光纖光柵軸向長(zhǎng)度和纖芯折射率將發(fā)生相應(yīng)變化，使得光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移。偏移量正比于外界水聲壓。

若光纖光柵周?chē)乃晧簽?/span>p(p=p_Asinω_At，p_A和ω_A分別表示聲壓的幅度和頻率)，考慮到外界聲壓對(duì)光纖光柵透射光強(qiáng)度的影響很小^[95]，則透射光強(qiáng)可表示為

圖4.125為當(dāng)外界聲壓從120變化至200dB re 1μPa時(shí)，光纖光柵水聽(tīng)器所監(jiān)測(cè)到的信號(hào)變化情況。其中，聲音頻率為20kHz；輸出功率和LD的輸出波長(zhǎng)分別為3mW和1549.0nm；利用8103型B&K壓電水聽(tīng)器作為水聲壓參考傳感器。光纖光柵水聽(tīng)器所測(cè)信號(hào)的線(xiàn)性擬和度達(dá)到了99%，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)了70的dB。

圖4.126為不同聲音頻率輸入下光纖光柵水聽(tīng)器和壓電水聽(tīng)器的瞬時(shí)響應(yīng)。圖中，上部為光纖光柵水聽(tīng)器輸出信號(hào)，下部為作為參考傳感器的壓電水聽(tīng)器的輸出信號(hào)。圖4.126 (a)中聲音頻率為20kHz連續(xù)波；圖4.126 (b)的聲音信號(hào)為1MHz脈沖波；圖4.126 (c)為3MHz的脈沖聲音信號(hào)。使用電子示波器監(jiān)測(cè)水聽(tīng)器的輸出信號(hào)。從圖中可以看出，波形非常穩(wěn)定，時(shí)域上沒(méi)有明顯波動(dòng)。

圖4.127為光纖光柵水聽(tīng)器的信號(hào)輸出與聲壓頻率的關(guān)系圖。其中，LD的輸出光功率和外界聲壓分別穩(wěn)定在3mW和180dB re 1μPa。圖中的y軸為光纖光柵水聽(tīng)器的輸出信號(hào)與壓電水聽(tīng)器的輸出信號(hào)歸一化處理結(jié)果。從圖中可以看出，盡管有一些波動(dòng)，測(cè)量結(jié)果基本趨于平坦。由于實(shí)驗(yàn)所用容器較小，很難消除壁面的反射波，所以在容器中易出現(xiàn)駐波。聲波頻率的變化將改變?nèi)萜鲀?nèi)的聲場(chǎng)，致使傳感器的測(cè)量出現(xiàn)誤差。如果在消聲水池中做光纖光柵水聽(tīng)器的標(biāo)定試驗(yàn)，將會(huì)提高標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

 平面型光纖光柵水聽(tīng)器

本節(jié)介紹了一種平面圓形薄板結(jié)構(gòu)的平面型光纖光柵水聽(tīng)器探頭實(shí)現(xiàn)方法^[96]，從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了傳感器的結(jié)構(gòu)增敏能力、動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性以及加速度響應(yīng)特性和多路復(fù)用問(wèn)題，這些特性對(duì)于水聽(tīng)器探頭都是至關(guān)重要的。

1.  工作原理和傳感頭結(jié)構(gòu)、制作、工藝技術(shù)

聲壓測(cè)量原理：通過(guò)一平面圓形薄板將動(dòng)態(tài)壓力直接轉(zhuǎn)換為光纖光柵的軸向動(dòng)態(tài)應(yīng)變，由于光纖光柵受到拉伸以及本身的彈光效應(yīng)，再轉(zhuǎn)化為光纖光柵中心反射波長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化，水聽(tīng)器探頭結(jié)構(gòu)如圖4.128所示。

加速度響應(yīng)特性：由于敏感膜片和光纖質(zhì)量很小，所以，探頭的加速度響應(yīng)輸出不會(huì)很大。為了盡可能降低該探頭的加速度響應(yīng)特性，在滿(mǎn)足安裝要求的前提下，盡可能降低敏感膜片中央硬心以及與之連接安裝不銹鋼管的質(zhì)量.

圓柱型殼體為整個(gè)探頭結(jié)構(gòu)的支撐體。薄板和硬心選用不銹鋼材料，用線(xiàn)切割技術(shù)加工而成；同樣，用線(xiàn)切割方法在其中心加工一直徑為1mm的微孔，二者用精密夾具定位，使兩中心微孔精確對(duì)準(zhǔn)，用激光點(diǎn)射技術(shù)在硬心邊緣焊接一圈，使之與平面薄板連為一體。然后，將側(cè)面開(kāi)孔直徑為1 mm的不銹鋼管穿過(guò)薄板和硬心中央的重合微孔，同樣用激光焊接技術(shù)將該不銹鋼管焊接在硬心上。傳感光纖光柵兩端分別用直徑為0.25mm的毛細(xì)不銹鋼管保護(hù)，它們之間為光纖的有效工作長(zhǎng)度L，其最短距離由光柵長(zhǎng)度決定，一般為8mm。其中，一端穿過(guò)和硬心連為一體側(cè)面開(kāi)孔直徑為1 mm的不銹鋼管，注意：將光纖該端彎曲從該管側(cè)面開(kāi)孔引出，并用激光點(diǎn)焊技術(shù)將光纖保護(hù)不銹鋼管與硬心的不銹鋼管焊接在一起。這樣，傳感FBG一端就與不銹鋼管連為一體，固定在平面薄板的中央。然后，將該平面薄板同樣用激光點(diǎn)焊技術(shù)焊接在圓柱型殼體上。同時(shí)，從開(kāi)孔不銹鋼管引出的光纖，轉(zhuǎn)90°或更大的角度，從傳感器殼體側(cè)面引出。注意：此段光纖應(yīng)處于松弛狀態(tài)。光纖另一端，通過(guò)直徑為1mm不銹鋼管保護(hù)，穿過(guò)殼體端蓋頂部直徑為1mm的微孔，用螺釘固定在殼體上。在擰緊固定螺釘之前，給傳感光纖一個(gè)張力，使傳感光纖光柵在不受壓力作用時(shí)處于張緊拉伸狀態(tài)。當(dāng)薄板受到垂直于薄板的壓力作用時(shí)，薄板中心將在動(dòng)態(tài)壓力作用下沿著自身法線(xiàn)方向振動(dòng)，這樣就帶動(dòng)傳感光纖光柵也沿自身軸向做伸縮振動(dòng)，傳感光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)就受到動(dòng)態(tài)調(diào)制，這就是該平面型光纖光柵水聽(tīng)器的工作原理。

1.  理論分析

2.1探頭結(jié)構(gòu)靈敏度分析

圖4.129給出該探頭結(jié)構(gòu)的受力彈性形變示意圖。先推導(dǎo)附加硬心平面薄板在整個(gè)板受均布?jí)毫d荷作用以及中央硬心單獨(dú)受均布?jí)毫d荷作用時(shí)，其中央硬心撓度變化表達(dá)式。設(shè)薄板和硬心的密度為ρ_p,彈性模量為E_p，泊松比為μ_p。其中，薄板的半徑為R，厚度為h，中央硬心的半徑為r₀，厚度為d。薄板的柱面抗撓度為

1.  實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用光纖光柵參數(shù)如下：光柵長(zhǎng)度為8 mm，中心波長(zhǎng)為1298.50 nm，3 dB帶寬為0.25nm，邊模抑制比為15 dB。平面圓形薄板半徑R=7.5 mm，厚度h=0.15 mm，硬心半徑r₀=2.5 mm，厚度d=0.5 mm，安裝不銹鋼管的質(zhì)量m_b=15mg。光纖光柵有效工作長(zhǎng)度為to=10 mm。按照所述工藝流程制作傳感器，最后，光纖FBG預(yù)拉伸至1300.50nm。

由上的理論分析可知：水聽(tīng)器的諧振頻率為6.2 kHz，靈敏度為28 fm/Pa，加速度響應(yīng)靈敏度為80.6(fm·s²/m)。

3.1接收靈敏度頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

靈敏度實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)頻段進(jìn)行：100~2000 Hz，采用振動(dòng)液柱法；200~10,000 Hz在消聲水池，各自進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。

標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽(tīng)器為B&K Hydrophone Type 8103，靈敏度為-211dB(re 1V/Pa)，電荷靈敏度99×10^-3(pC/Pa)；光纖光柵動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)解調(diào)儀波長(zhǎng)跟蹤范圍為1298.5至1308.5 nm，帶寬為100}10,D00Hz，將光源更換為輸出功率高達(dá)10mW的ASE源，將可調(diào)諧濾波器更換為Chameleon Thin film可調(diào)諧濾波器，波長(zhǎng)檢測(cè)分辨率為D.004 fm/Hz1}2。利用振動(dòng)液柱法和消聲水池，以100 Hz的頻率間隔，采用FBG水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器對(duì)比的方法測(cè)出所研制FBG水聽(tīng)器的在(10010,000 Hz)頻率范圍內(nèi)靈敏度響應(yīng)特性曲線(xiàn)，如圖4.130所示。

可見(jiàn)，水聽(tīng)器諧振頻率為6.5 kHz與理論計(jì)算結(jié)果(6.2 kHz)相差無(wú)幾，且在(100~500) Hz頻率范圍內(nèi)，幅度響應(yīng)較為平坦，起伏小于3 dB。

3.2靈敏度實(shí)驗(yàn)

FBG動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)解調(diào)器如上所述，靈敏度為1.2 V/pm分別對(duì)4.7 kHz和2.5 kHz兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4.131和圖4.132所示。通過(guò)最小二乘法擬合，可得靈敏度分別為24.0(mV/Pa)和27.6(mV/Pa)，對(duì)解調(diào)儀靈敏度進(jìn)行歸一化處理，可得兩個(gè)頻率點(diǎn)傳感器的靈敏度分別為20(frn/Pa)和23(fm/Pa)，與理論分析28(fm/Pa)相近。

聲壓最小分辨率實(shí)驗(yàn)

在幅一頻特性較為平坦的幾個(gè)頻率點(diǎn)上：2.5 kHz，3.7 kHz和4.7 kHz，調(diào)整聲信號(hào)發(fā)射機(jī)面板驅(qū)動(dòng)電壓，以逐漸改變消聲水池中聲壓的強(qiáng)度。面板電壓從0.5V開(kāi)始逐漸減小，壓電標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和自制FBG水聽(tīng)器都有穩(wěn)定的輸出。當(dāng)面板電壓減小至最小值0.001 V時(shí)，柱狀換能器的驅(qū)動(dòng)電壓為1.04 V，壓電標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出信號(hào)幅度為0.68 mV，噪聲電平為0.19 mV，信噪比為3.5，對(duì)應(yīng)該點(diǎn)聲場(chǎng)聲壓為0.136 Pa；而自制光纖FBG水聽(tīng)器輸出為5.31 mV,噪聲電平為0.78 mV，信噪比為6.8，表明FBG水聽(tīng)器最小可探測(cè)聲壓分辨率大于0.136 Pa。

光纖FBG水聽(tīng)器最小可探測(cè)聲壓靈敏度，一是由探頭的結(jié)構(gòu)靈敏度決定；二是由光纖FBG解調(diào)儀的波長(zhǎng)可檢測(cè)分辨率決定。進(jìn)一步增大光源功率以及更換邊緣更陡的濾波器，可提高解調(diào)儀的波長(zhǎng)可檢測(cè)分辨率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的聲壓分辨率；采用FBG激光邊波法或干涉式FBG動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)，同樣可提高系統(tǒng)的聲壓分辨率；在探頭結(jié)構(gòu)不變的前提下，采用光纖FBG激光敏感腔代替現(xiàn)有的敏感FBG，可提高系統(tǒng)聲壓分辨率。光纖FBG激光器本身具有很高的信噪比，其激光反射譜線(xiàn)極窄，可以采用不平衡長(zhǎng)度相當(dāng)長(zhǎng)的M-Z干涉儀進(jìn)行解調(diào)，將獲得相當(dāng)高的(系統(tǒng))聲壓可探測(cè)分辨率。

3.4加速度響應(yīng)特性研究

利用振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生過(guò)載加速度，將標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)和所研制的光纖FBG水聽(tīng)器做比對(duì)，對(duì)所研制FBG水聽(tīng)器的加速度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖4.133為實(shí)驗(yàn)原理框圖。

將一圓盤(pán)與振動(dòng)臺(tái)剛性連接，在圓盤(pán)上面同樣通過(guò)剛性連接固定標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計(jì)和待研究的FBG水聽(tīng)器，其他完全同上。壓電加速度計(jì)的電荷靈敏度150.57 pC·s²/m，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)加速度在1m/s²左右，DLF系列電壓積分濾波器工作在電荷放大狀態(tài)，適調(diào)開(kāi)關(guān)為151，放大倍數(shù)為0.01 V/U，分別對(duì)以下頻率點(diǎn)32 Hz，60 Hz，90 Hz，120 Hz，148 Hz，180 Hz作測(cè)量，可得到該探頭的加速度靈敏度，見(jiàn)圖4.134。所研制FBG水聽(tīng)器探頭的系統(tǒng)加速度靈敏度在70~90(mV·s²/m)之間，對(duì)解調(diào)儀靈敏度進(jìn)行歸一化處理，探頭的加速度靈敏度在58~75(fm·s²/m)之間，與理論分析結(jié)果80.6(fm·s²/m)接近，它基本等效(2.52~3.26)Pa水聲壓力直接作用在它上面的輸出，表明所研制的光纖FBG水聽(tīng)器探頭自身具有很低的抗加速度特性，對(duì)于用于拖曳陣的光纖FBG水聽(tīng)器探頭必需進(jìn)行加速度去敏方法的研究。