[发明专利]非对称结构声波传感器探头及水听器

说明书

技术领域

    本发明涉及一种非对称结构的光纤水听器探头封装结构,用于实现高灵敏声波检测。

背景技术

    水听器是利用材料的特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应，探测液体中压力、声音等信号的仪器。一般民用水听器用于地震检波勘探；军事上作为声纳系统用于潜艇、舰艇的敌方嗅探。因此，水听器对于国防和工业应用具有非常重要的地位。

光纤DFB激光器由于具有极窄的线宽，很高的信噪比，波长线性可调，低相位噪声和稳定的单模输出等优点，可以作为光纤传感系统极其优越的光源，进行超远距离，超高精度和超高敏感度的传感。而DFB光纤激光器构成的有源光纤光栅传感器，除了具有上述的优点外，其最大优点是显著的提高了输出波长的光功率，使之与一般宽带光源相比，传感信号的强度信噪比有了极大的提高，为波长移位的检测提供了良好的基础，其10kHz-50kHz的超窄线宽，若耦合到相位敏感的解调器，如迈克尔逊干涉仪，就可探测微弱的动态应变信号。由于DFB光纤激光器对于声波的高敏感特性，也被应用于光纤水听器中，D．Thingbo等人采用声压场的信号对DFB光纤激光传感头的长度和折射率进行调制，并用非平衡干涉仪装置解调，得到声波信号频率的平坦增益响应高达800kHz。国内对DFB-FL水听器的研究，由于受限于掺杂光纤制作技术和相移光栅刻写技术的发展，起步较晚，始于2005年左右，主要研究单位有中科院半导体所、海军工程大学、国防科技大学和本单位等，分别在探头增敏封装、解调、复用组阵和试验方面取得了一定成果。其中,最重要的研究重点目前依然是如何提高传感器灵敏度,传统上均是将分布反馈式光纤激光器作为传感元器件,将其封装在管状或者其他形状的密闭空间内，当声波作用在传感器外壳上时会引起外壳的形变，从而传导到激光器上,使之波长发生位移。另外，也有结构是令激光器感受声波扰动,从而产生波长改变。

总之，目前为止国内外几乎所有的基于DFB光纤激光器的光纤水听器探头均为对称结构，尚未发现任何利用非对称结构实现增敏的传感器设计方案报道。

发明内容

本方案提出一种非对称结构光纤水听器传感探头设计方案，通过非对称结构增加声波探测灵敏度，从而实现高灵敏度声波探测。

本方案所采取的技术措施是：一种非对称结构声波传感器探头，它包括外部防护套管，其特征是在外部防护套管表面设置有镂空声波窗口，在外部防护套管内部设置消音套管，分布反馈式光纤激光器光纤光栅部穿过消音套管安装固定在外部防护套管内部，消音套管自由端的端面位置与分布反馈式光纤激光器相移光栅中心对称轴线对齐；分布反馈式光纤激光器光纤光栅部按照相移位置分为左栅区与右栅区，左栅区完全插入到消音套管内，右栅区完全暴露在声波场内。

本方案的具体特点还有，消音套管采用多层不同密度材料叠套而成，由外向内依次为金属管、消音棉层，真空石英套管，其中真空石英套管包括石英内管和石英外管，石英内管和石英外管在开口处连接在一起形成封闭式真空套管，真空石英套管中央设置有用于穿过光纤的贯穿孔。以达到对声波的消音效果。金属管用于对消音管提供保护，消音棉层可以吸收外部向管芯传输的声波，石英外管与石英内管共同构成一个真空石英套管，夹层密闭抽真空，真空使得声波和振动信号无法穿透进入，从而实现声波屏蔽作用。由于金属管、真空石英套管密度较大，而消音棉层与真空区密度都非常小，因此构成了多层声波反射截面，有利于声波的反射与消音。

分布反馈式光纤激光器光纤光栅部的结构如图3所示，是通过紫外激光在一段几厘米长的掺铒光纤上刻写相移光栅实现的，相移光栅相移量为π/2，相移位置为光栅正中间。

本发明还提供了一种水听器，其特征是它包括由泵浦光源，WDM以及非对称结构声波传感器探头组成的分布反馈式光纤激光器工作光路；泵浦光源与WDM泵浦端连接，WDM公共端与非对称结构声波传感器探头连接，产生的激光通过WDM输出端输出至解调仪。

本方案的具体特点还有，所述非对称结构声波传感器探头，它包括外部防护套管，其特征是在外部防护套管表面设置有镂空声波窗口，在外部防护套管内部设置消音套管，分布反馈式光纤激光器光纤光栅部穿过消音套管安装固定在外部防护套管内部，消音套管自由端的端面位置与分布反馈式光纤激光器相移光栅中心对称轴线对齐；分布反馈式光纤激光器光纤光栅部按照相移位置分为左栅区与右栅区，左栅区完全插入到消音套管内，右栅区完全暴露在声波场内；