[发明专利]对于温度或静压不灵敏的全光水听器

说明书

技术领域

本发明涉及水下声换能器或水听器的常规领域。本发明特别涉及到基于光纤激光的光学水听器。

背景技术

关于水下声换能器的生产，光纤的使用为一种表现出公认的优点的已知方案，这些优点首先包括利用这样的技术生产的水听器的小体积，以及基于同一个光纤来产生水听器的集合的可能性，该可能性是通过在该相同的光纤上多路复用由构成该水听器的集合的各个水听器检测到的压力变化信息而实现的，其中每个水听器与给定的波长相关联。

但是，为了得到足以能够监听到极低水平的声信号的灵敏度（通常为在努森（knudsen）标度上低于海况噪声0的水平），已知必须利用适合的声学机械设备来放大通过压力波所引起的光纤的形变。

当前存在两种主要类型的光纤水听器，其能够监听到低于海况噪声0的噪声水平，因此可能可适用于水听器阵列或利用水听器的天线中，用于水下应用：光纤环干涉水听器和光纤激光腔水听器。

在光纤环干涉水听器中，测量的光学量为在光纤的总长度上（通常为20至100米）聚合的光学相位变化，该光纤盘绕在如下方式配置的兼容芯轴上，其中芯棒的直径在待测量的声压的影响下而变化，从而在缠绕在其上（例如空气芯轴）的光纤的长度上引起动态变化。

通过由光纤传递的信号的相位变化表明光纤的长度上的动态变化。因此，对于标准单模硅光纤，其可以显示出信号的相位的相对变化等于光纤的长度的相对形变的大约0.78倍。该相位变化可以通过将水听器放置在例如迈克逊（Michelson）类型的不平衡光纤干涉仪的臂部上来以必要精度进行测量。

该类型的水听器表现出的主要缺点为不能够充分地小型化。事实上，为了传输有关于由构成阵列的每个水听器执行的压力测量的信息，可以实施对于本领域技术人员众所周知的各种解调和复用技术。它们的目的为借助于单光纤使得在同一阵列中的全部关联的水听器能够联接至利用这些测量运行的系统。但是，大量水听器在单光纤上的多路复用需要这些水听器沿光纤的插入损耗较低，通常小于1dB。这意味着，在每个水听器中，光纤盘绕在具有最小直径的芯轴上，以便将有关于光纤的曲率的损耗限制为最小。当前，即使通过利用具有极低的容许曲率半径的微观结构的光纤（用于FTTH应用的光纤），在灵敏度和插入损耗方面也难以实现具有基本上小于15或20mm的缠绕直径的良好性能。

此外，在构成阵列的每个水听器测量简单压力值的情况下，有必要引入到水听器阵列中一个或多个光纤环参考传感器，而不受声压的影响，以便通过消除在光纤环对于静压和温度的固有灵敏度的变化来避免。该过程表现出必须增加更多传感器以及限制浸入的水听器的应用领域（传感器的受限的动态范围）的缺点。

光纤激光腔水听器能够产生高灵敏度的水听器，也就是说能够监听到低水平的海洋噪声。它们的实现能够采用相干光学处理的技术以便精确地测量由光纤传达的光学信号的频率变化。这里，这种变化是随着有源光纤（例如用于大约1.5μm发射的铒或铒/钇掺杂的光纤）中所刻的布拉格光栅接收声学信号而产生的。

在已知的方法中，布拉格光栅在其中心附近包括基本上等于π的相位跃变以便构成单频率激光腔，该腔的光抽运通过二极管（抽运二极管）来实现，该二极管可以经由标准光纤而遥远地设置在远距离之外。这样构成的激光腔的发射频率取决于布拉格光栅的间隔和相移的中心相位。因此，如果激光腔均匀地形变，激光的发射频率将以与构成光纤的硅的弹光性能有关的系数0.78以相同比例变化。

由此能够使具有表现出不同工作波长的激光腔的多个水听器波长复用，这些水听器位于有源光纤的掺杂材料的放大带上：在铒掺杂光纤的情况下，针对位于铒的带C的100GHz ITU栅格上的波长，例如大约40个水听器。

但是，有关于限制解调系统的噪声的激光的固有噪声的DSP（密度谱功率）（至1kHz的量级），由直接施加于激光腔的外部表面的声压引起的轴向形变不足以得到与小于海况噪声0的水平兼容的水听器灵敏度。实际上能够显示出必须具有大于至少100或110dBHz/Pa的水听器灵敏度，以便能够监听到在大约10Hz到10kHz的频带中在努森标度上的海况噪声0。

因此，有必要借助于声音机械设备来放大由声压引起的腔的形变。有关于激光腔对于形变的固有灵敏度，声音机械设备所要实现的目的在于具有在宽频带中具有稳定响应的纳张力/Pa的量级。一些已知的构造能够达到这些值。尽管如此，在所有的这些构造中，水听器保持了对于温度的固有灵敏度至少等于激光腔对于温度的固有灵敏度，连同对于静压的灵敏度，而不需要与液压过滤器相关联。