光纤水听器探头结构设计综述

2019-06-27 00:22:30 移动通信2019年5期

易朗宇 沈燕青 徐红霞 韩银

【摘? 要】研究了国内外声压标量光纤水听器、声压梯度矢量光纤水听器、惯性式矢量光纤水听器等主流光纤水听器探头结构设计方案,分析其设计思路,对比了不同结构的性能优劣,提出了灵敏度提高措施,对新型探头的设计具有参考价值。

【关键词】光纤水听器;灵敏度;探头结构

?#22411;?#20998;类号:TN929.5

文献标志码:A? ? ? ? 文章编号:1006-1010(2019)05-0051-09

1? ?引言

光纤水听器作为水声研究领域的代表性技术,是当下研究的前沿热点,而其探头结构的设计又是重中之重。光纤水听器具有灵敏度高、动态范围大、检测频带宽、耐高温高压、耐腐蚀、结构设计灵活、抗电磁干扰等诸多优越的特性,自20世纪70年代末光纤水听器概念提出以来,国内外各类型光纤水听器被不断研究,目前?#21387;?#27867;应用于水声警戒声纳、拖曳线列阵声纳、舷侧阵共形阵声纳、水雷声引信、鱼雷探测声纳、多基地声纳、水下潜器的导航定位、分布式传感器网络以及海洋水声物理研究、石油勘探、海洋渔业等军民两用场景。结合不同应用场景与指标要求,对探头结构有不同的选择。本文梳理了国内外主流探头设计方案,分析其设计思路,为今后的设计方向提供了较为明确的参考意义。

水声探测中,目标声场特征信息分为标量和矢量两类,其中前者主要指声压信息,后者包含声压梯度、质点振速、质点加速度、质点位移等矢量信息。本文将对声压标量光纤水听器、声压梯度矢量光纤水听器、惯性式矢量光纤水听器的探头结构进行介绍。

2? ?声压标量光纤水听器

2.1? 芯轴型声压标量光纤水听器

芯轴型结构是声压标量光纤水听器中应用最广泛的一种类型,该结构通常采用迈克尔逊干涉仪或者马赫-曾德尔干涉仪作为敏?#24615;?#20214;,将干涉仪的一臂或者两臂差绕?#21015;?#36724;弹性结构上。当声压作用于弹性结构时,将引起干涉?#28508;?#38271;变化,通过检测臂长变化引起的光相位差,实现对声压的传?#23567;?#25353;照芯轴弹性结构不同可以分为单臂缠绕式、推挽式、含空气腔圆柱式、刚性臂式和声低通滤波式几种结构。

单臂缠绕式、推挽式、含空气腔式结构大致相同(如图1所示),三者均使用弹性筒作为支架[1]。其中单臂式最为简单,将干涉仪的一条传感臂绕制在弹性筒外侧,而参考臂固定至声场外或进行声压屏蔽处理。推挽式结构干涉仪的两臂分别绕制在弹性筒内外两侧,两臂均参与声压信号的接收,一侧拉长则另一侧收缩,实现灵敏度增加一倍。含空气腔式结构的弹性筒中含空腔,用于提高探头声压灵敏度并平衡静水压,缠绕方式类似于推挽式。

刚性臂式结构采用四层结构(如图2所示),将干涉仪参考臂绕制在刚性支架上,再涂覆一层弹性体,外侧绕?#25340;?#24863;臂?#36234;?#25910;声压信号[1]。

声低通滤波式结构(如图3所示)由国防?#25340;?#22242;队提出,通过将芯轴结构与二阶、四阶、带侧支的声低通滤波腔相结合,可以在声压传感的同时实现不同的低通滤波效果,能有效避免调制混叠引起的高频干扰[2-5]。该结构?#26032;?#21046;骨架筒外侧涂覆弹性层以实现声压增敏,将迈克尔逊干涉仪的传感臂紧绕在弹性层上,而参考臂直接固定在骨架筒一端。

2.2? 平面型声压标量光纤水听器

平面型声压标量光纤水听器也常采用迈克尔逊干涉仪或者马赫-曾德尔干涉仪作为敏?#24615;?#20214;,通过将干涉臂盘绕至弹性平面上,实现声压对臂长的调制。若将干涉仪两臂分别盘绕至平面两侧,则?#23578;?#25104;推挽式结构。该结构主要有周围支?#35834;?#24335;、中央支?#35834;?#24335;、平板式等形式。

周围支?#35834;?#24335;与中央支?#35834;?#24335;结构相似(如图4所示),两者均采用圆盘形弹性平面,区别在于圆盘支撑位置[1]。碟式结构探头声压灵敏度比较高,且具有一定方向性,在?#23548;?#20351;用中,还能通过形成多层碟式结构而获得性能增益。

2.3? 腔体型声压标量光纤水听器

腔体型声压标量光纤水听器(如图5所示)采用迈克尔逊干涉仪或者法布里-珀罗干涉仪作为敏?#24615;?#20214;,当声压引起弹性腔體发生形变后,进而影响干涉?#28508;?#38271;或腔长变化[1]。

3? ?声压梯度式(压差式)矢量光纤水听器

声压梯度式矢量光纤水听器是通过探测声场中两处或多处位置的声压,并利用有限差分来近似求得声压梯度,而声压梯度与质点加速度之间由欧拉公式联系起来,从而得出矢量声场信息。受尺寸影响,此类水听器灵敏度相对于下一节介绍的惯性式加速度传感器来说不够高。

声压梯度式结构主要有单探头、双探头、四探头、六探头等几类,前两者为一维矢量探测,后两者为三维矢量探测。单探头结构利用同一干涉仪的双臂各自探测两处声压值,此时干涉仪输出直?#28216;?#22768;压差,但由于单一探头尺寸较小且无法形成推挽结构,其压差灵敏度?#31995;蚚7]。双探头结构利用两个分立探头同步异点测量声压,要求探头尺寸与间距远小于声波尺度,此时两者探测声压之差即近似为连线中点处的声压梯度值[8]。

哈工大团队设计了一?#20540;?#25506;头压差式结构(如图6所示),该结构通过弹性柱体与弹性盘式结构相结合,提高了单探头结构的低频灵敏度[9-10]。

如图7所示,六探头结构利用正方体空间6个面中心位置(M1~M6)的声压信息计算三维声压梯度,四探头结构为前者的简化版,利用4个顶点位置(T1~T4)的声压信息[11]。

声压梯度式水听器的探头间距选取将直接影响其性能,间距越大则水听器对低频信号的响应越好,但带宽会越窄,因此需要结?#40092;导?#24212;用情况进行权衡。需要注意的是,双(多)探头结构对各声压探头性能的一致性要求较高,而工程应用中较难控制,从而限制了该型水听器的应用。

4? ?惯性式(同振式)矢量光纤水听器

惯性式矢量光纤水听器有振速型、位移型、加速度型三种。若将水声场等效为简谐波场,质点振速、质点加速度、质点位移等物理量之间的微积分关系可以转化为更为直观的线性关系。探测此类物理量时,需要将传感器安装在刚性的球体、圆柱体或椭球体等几何体中。当有声波作用时,其封装外?#33108;?#38543;水介质质点同步振动,而其内部的惯性元件(一般为质量块)则保?#24535;?#27490;,这样会有一个惯性力作用在外壳与惯性元件之间的传?#24615;?#20214;,其内部的振动传感器拾取相应的声质点运动信息。该型器件是对声波作用下质点运动的直接探测,统称为惯性式传感器或者同振式水听器。

目前振速型结构还未见报道,而位移型结构由于振幅受限且随频?#35797;?#21152;而进一步减小,因此灵敏度一般不高。相较而言,加速度型结构紧凑、易于拓展至三维、灵敏度最好?#31227;?#21709;范围广。

4.1? 位移型光纤矢量水听器

位移型結构又分为反射式结构与磁致伸缩式结构(如图8所示),前者利用?#26434;?#31354;间中的反射镜对声场进行响应,其位移改变将对光?#25506;?#34892;调制,从而实现声场位移探测;后者利用磁场中的磁致伸缩材料对声场进行响应,材料的伸缩变化对缠绕的光纤长度进行调制[7]。由于此类结构中存在?#26434;?#36816;动机构,极容易导致信号波动,引入噪声。

4.2? 加速度型光纤矢量水听器

加速度型光纤矢量水听器是研究最广、使用最多的结构类型,其核心特征是具有质量块作为惯性元件,?#26053;?#20171;绍几?#20540;?#22411;结构。

(1)光纤连?#21448;?#37327;块式结构

光纤连?#21448;?#37327;块式结构是最为简单的原型结构,在声场振动影响下,质量块拉扯或挤压光纤,使其长度随振动发生改变[7]。此结构光纤长度变化范围十分有限且无增敏措施,因?#24605;?#36895;度灵敏度很低,无法应用于?#23548;省?/p>

(2)顺变柱体式(芯轴型)结构

顺变柱体式结构利用弹性实心柱体作为增敏材料,将干涉仪的传感臂绕制其上[7]。当声场振动作用于质量块?#40092;保?#23558;挤压或拉伸顺变柱体,进而引起光纤长度的改变,通过检测光相位变化信息可得出声场中质点加速度信息。在部分文献中该结构也称芯轴型结构,须与芯轴型声压标量水听器作区分。

一维顺变柱体式结构按照单臂缠绕和双臂缠绕的不同分为单臂式和推挽式(如图9所示),两者加速度灵敏度相等,但后者谐振频?#30690;?#39640;,使得频率范围更广。通过共用质量块?#33402;?#20132;排布3组一维推挽式结构可得到三维结构探头,其结构简单紧凑(如图10所示)[12]。

(3)圆柱薄壳式结构

与顺变柱体式结构类似,通过将光纤传感臂缠绕至圆柱薄壳上,可以形成一维或三维圆柱薄壳式结构探头(如图11、图12所示)[13-14]:

(4)内部充液式结构

内部充液式结构与圆柱薄壳式结构类似,区别在于其薄壁圆柱腔内充满液体(如图13所示)[7, 17]。由于液体相较于空气难以压缩,且液体自身相当于惯性元件,因此受加速度影响时,液体会对腔体上下两段产生不同的动压力,该压力传导至光纤?#40092;保?#21453;映为光纤长度的改变。此种结构对薄壁腔的液体密封性能要求高,且易形变,因此使用范围比?#40092;?#38480;。

(5)弹性盘式(膜片式、碟式)结构

弹性盘式结构也称膜片式或碟式结构(如图14所示),主要有两种类型:周围支撑式和中央支撑式,弹性盘上附有质量块作为惯性元件,须注意与碟式声压标量水听器作区分[14, 16-17]。声场作用于质量块时将引起弹性盘的翘曲,从而改变盘绕其上的光纤长度。在各向同性声压影响下,光纤两臂的变化情况一致,因此不会改变光程差,从而实现声压去敏。

相较于顺变柱体式结构,弹性盘式结构同等尺寸下的谐振频?#30690;?#20302;,从而限制了频响范围。但是在潜艇舷侧阵使用场景下,弹性盘式结构与艇身度高而独具优势。

在一维弹性?#25506;?#26500;基础上,美国Hofler, Thomas J团队通过将多个弹性盘堆叠,形成复合型结构(如图14所示)[18]。另外国防?#25340;?#22242;队提出矩形薄板边缘支撑结构(如图15所示),长边简支、短边夹支,并通过优化薄板尺寸、材质提高了加速度灵敏度[19]。

三维弹性盘式探头一般由三组一维探头正交分立构成,相较于顺便柱体与薄壳圆柱式三维探头集成度低,体积更大。

(6)簧片式结构

如图16所示,簧片式结构利用簧片作为弹性元件实现增敏,其质量块由固有质量块和附?#21448;?#37327;块两部分组成,可调节附?#21448;?#37327;块大小来改变加速度灵敏度[11]。在声场振动作用下,参考臂的长度随着簧片的形变而改变,而参考臂由于横向固定在刚性支架上,因此屏蔽了加速度的影响。此结构缺点在于无法形成推挽式结构。

(7)光纤光栅式结构

前述几项结构均基于干涉仪结构,通过改变干涉臂长度而引起光相位的改变,而光纤光栅式结构将光纤布拉格光栅(FBG, Fiber Bragg-Grating)置入弹性结构中,通过弹性形变引起光栅长度的改变,从而引起反射波长的改变[14]。几种常见的弹性结构如图17所示。

哈工大与电子?#25340;?#22242;队各自在同一光纤上刻蚀两段FBG以构成法珀干涉腔,哈工大团队还通过三组法珀干涉腔共用质量块形成三维探头结构[13, 20]。质量块在加速度作用下拉动光纤,从而对法珀干涉腔的腔长进行调制,产生光相位变化。

(8)光纤激光式结构

光纤激光式结构通常?#39135;?#26465;状,适合于细长型矢量水听器阵列应用场景。中国科学院半导体研究所团队提出了基于半?#19981;騐型曲折梁的分布式反馈(DFB, Distributed Feedback Laser)光纤激光式结构(如图18所示)[21]。受加速度影响时,曲折梁在质量块带动?#36335;?#29983;弹性形变,与之相连的光纤内产生应力,进而导致DFB输出波长发生改变。

此外兰州交通大学团队对DFB光纤激光器进行了梭形封装(如图19所示),利用聚合物很好地提高了水听器灵敏度,实现声压增敏,同时其金属壁也对非轴向应变干扰实现了去敏[22]。

4.3? 二阶水听器

哈工大团队利用6个三维矢量水听器与1个声压标量水听器组合形成了二阶水听器(如图20所示)[23]。经分析,二阶水听器的组合指向性拥有更为锐化的指向性波束,其波束宽度?#25237;?#20301;精度都优于矢量水听器。

4.4? 复合式光纤矢量水听器

国防?#25340;?#22242;队将同振式结构与压差式结构相结合,形成了复合式结构(如图21所示)[8]。该结构为三维形式,其中Z轴方向为两个声压标量传感器构成的压差式结构,X、Y轴采用同振式结构。Z轴两端部分暴露于球壳外以耦合更多声压信号,并且声压传感器与质量块相隔离,X、Y轴完全封装于球壳,共用中心质量块。该复合式水听器对于单频信号和宽频信号均有较好的响应。

5? ?各型结构对比分析

声压水听器探头通过形态各异的弹性结构将声压信息转换至光纤物理量的改变,而加速度水听器通过惯性元件与各?#20540;?#24615;结构结合,将加速度信息转换至光纤物理量的改变,两者最终都是通过检测光的物理量变化来获取水声信息。

总体而言,利用光纤干涉仪缠绕至柱体或柱筒的芯轴型结构具有尺寸小、结构紧凑、适用于线型阵?#23567;?#28789;敏度较好等特点,应用最为广泛。其余结构的结构特性与适用场景也在表1中进行了对比。受不同工艺水平、测试条件、材料选取等因素影响,不同团队研究的探头结构性能指标差异较大,因此表格中只对灵敏度指标进行定性对比,仅供参考。

6? ?灵敏度提高措施

6.1? 材料选取

对于芯轴型声压水听器,可以通过弹性层或空气腔结构实现增敏,增敏层一般选用的材料为聚氨酯、硅橡胶等聚合物,选取杨氏模量和?#27492;?#31995;数小的材质可以提高声压灵敏度。而刚性骨架的材质选择对声压灵敏度影响较小,选取时主要考量其刚度即可[24]。

对于薄壳圆柱式加速度水听器,选取杨氏模量小的材料或减小弹性筒壁厚可以提高加速度灵敏度[13]。此外,弹性筒?#27492;?#27604;越大加速度灵敏度越大,但考虑到弹性筒不止是一个?#32654;?#32544;绕光纤的增敏结构,同时也是支撑质量的结构件,因?#25628;?#26448;时不宜用过软的材料。

6.2? 光纤选取及绕制

对于芯轴型声压水听器,增加绕制光纤长度可以提高声压灵敏度[24]。若在光纤表面再涂覆不透声的弹性材料,弹性层在保护光纤的同时可作为光纤固?#22411;?#35206;层的?#30001;?#32780;提高声压灵敏度[25]。

对于顺变柱体式加速度水听器,单层绕制情况下增加光纤长度?#19978;?#33879;提高加速度灵敏度,但多层绕制时,进一步曾加光纤长度可能会降低?#27492;?#27604;,反而影响灵敏度的提升[15]。

此外,增加光纤长度一般将不可避免地将增大探头尺寸,可以通过用光频调制幅度较宽的窄线宽光源,将干涉?#28508;?#24046;大大缩短,从而大幅度减短干涉仪非传感光纤长度。采用小芯径特种光纤作为传感光纤,在同样大小的弹性材料上可大大增加缠?#25340;?#24863;光纤的长度和光纤层数,提高灵敏度。

6.3? 结构优化

对于芯轴型声压水听器,增?#26377;?#36724;长度可增加灵敏度,若在结构尺寸受限情况下,提高弹性层与刚性支架的厚度之比也可提高声压灵敏度[24]。

对于薄壁圆柱壳型加速度水听器,增加惯性元件质量、减小弹性筒外半径可提高加速度灵敏度。此外,在有限尺寸的球壳内,弹性筒长度和质量块体积相互制约。采用密度大、伸缩小的金属来制作质量块,可在不影响整体尺寸之下,增加弹性筒长度,即增加传感光纤长度,提高加速度灵敏度。

7? ?结束语

作为水声探测系统的核心器件,水听器探头结构设计尤为重要。利用惯性元件与光纤干涉仪、光纤光栅等光纤器件构成的惯性式加速度传感器在矢量水声探测中应用最为广泛。提高探头灵敏度可以从材料选取、光纤选取及绕制方式、优化结构等方面入手。上述对比分析为今后小型化、高灵敏度探头设计提供了参考价值。

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