[发明专利]一种光纤激光矢量水听器

说明书

本发明公开了一种光纤激光矢量水听器，它涉及水听器技术领域；技术方案：圆形壳，用于水听器的内部结构保护；至少一个相移光栅，安装在圆形壳内部，用于测量质点振动加速度；至少一个质量片安装在圆形壳外部；相移光栅的一端固定于圆形壳的内壁，相移光栅的另一端为开孔状态且通过轻质弹簧连接于质量片，轻质弹簧与圆形壳相通且设在圆形壳外部，并固定在圆形壳上，该轻质弹簧的作用在于预拉伸光栅；光纤穿过轻质弹簧中心固定于质量片中心处，圆形壳通过多个弹簧固定于框架上。本发明公开的光纤激光矢量水听器，在探头内部使用相移光栅，相对于光纤干涉型水听器测量信号，使用相移光栅使得光纤水听器更加小型化。

技术领域

本发明属于水听器技术领域，具体涉及一种光纤激光矢量水听器。

背景技术

光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。

光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围液体环境中的声波相互作用产生的种种调制效应， 探测液体介质中的声波信号的仪器。 它与传统的压电类水听器相比，有以下主要优势：频带宽、 声压灵敏度高、 不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。

一般所说的水听器指的是标量水听器，即测量水中声压的水听器。而矢量水听器是测量水中矢量信号的水听器。水中声波的矢量主要有声压梯度、质点振速、质点位移、质点加速度等。这些参量只要知道其中的一个， 其它的即可推算出来。由于矢量水听器的单元具有指向性，可以比较容易地判别目标的方位，在相同阵元容量的情况下具有更高的空间增益，因此在近年来得到了广泛的研究。但是，矢量水听器对于封装的要求也比较高，首先要求其结构空间对称，其次要求其平均密度与水的密度相同， 这样才能保证信号不失真。

而光纤矢量水听器就是把光纤水听器技术和是矢量水听器技术结合起来的结果。它兼具光纤水听器和矢量水听器的优点。

鉴于光纤矢量水听器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、 军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。

国防科技大学胡永明等人报道了一种光纤矢量水听器(胡永明等， “光纤矢量水听器研究进展”，中国声学学会 2006 年全国声学学术会议， 厦门， 2006， pp.129-130)。该光纤矢量水听器是采用三个光纤干涉仪作为三个光纤加速度计，来分别采集三个方向质点的加速度信号。由于在矢量水听器探头中采用了光纤干涉仪，往往需要一个较大的质量块使缠绕在弹性体上的光纤产生相应的形变，致使水听器探头内部的体积较大，探头的平均密度不容易控制。

康崇等人也报道了一种光纤矢量水听器(康崇等， “薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器”，中国激光， vol.35， pp.1214-1219， 2008)， 同样是采用光纤干涉仪的结构作为水听器的探头。所不同的是，该矢量水听器是将光纤干涉仪的光纤直接缠绕在薄壁筒上，利用薄壁筒感受声压梯度从而得到矢量信号。其缺点在于：光纤干涉仪的绕制工艺十分复杂， 难于控制；该水听器的外形并非空间对称，从而会引入信号失真等问题 ； 并且该光纤矢量水听器只能测一个方向的矢量信号。

目前水听器的封装结构通常将质量块设在圆形壳之内，在一个方向上设置一个光栅结构，两端光纤固定，但这种结构的水听器灵敏度较低，中国专利授权公告号为CN101726354 B，于2011年07月20日公开了一种光纤激光矢量水听器，公开了在质量块两端各加一个光栅提高灵敏度，这种方法理论上可以提高近两倍，但对设在两边光栅的位置的对称度要求极高，且需要两个光栅在尺寸、光栅形成的谐振腔腔长、在圆壳内的相对位置、与拉伸情况完全一致，在实际生产的工艺上目前是无法达到的，也就是仅存在理论研究阶段，无法真正应用到实际的产品中，并且此种结构的水听器在受到垂直方向的声压时也会拉伸光栅，会造成指向性差；同时当需要两个方向(二维)或者三个方向(三维)的光栅连接到同一个质量块上时，光栅多次的固定在同一个质量块上时，随着维度提高，对于质量块越加固定限制，水听器的灵敏度会越来越低。

发明内容