[发明专利]一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器

说明书

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器，包括4个可嵌套安装的薄壁空心圆筒：带第一光纤缠绕区与第一支撑结构的第一薄壁空心圆筒，带第二光纤缠绕区与第二支撑结构的第二薄壁空心圆筒，带第三光纤缠绕区与第三支撑结构的第三薄壁空心圆筒，带第四光纤缠绕区与第四支撑结构的第四薄壁空心圆筒，以及光纤干涉仪；本发明具有以下有益效果：首先在不减小光纤缠绕面积，降低光纤干涉仪两臂长度的前提下，极大减小了光纤水听器横向尺寸，可提高光纤水听器高频应用性能；其次，通过多层嵌套、折叠式空气腔的结构设计，实现了更小的半径和横向尺寸，可提高机械结构谐振频率，进而优化水听器频率响应特性。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器，特别适用于高频水声信号探测应用。

背景技术

光纤水听器是基于光纤传感与光电子技术的一种新型水听器，具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和大规模成阵等特点，主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，在海洋资源勘探、海底地质勘查、海底观测网、海洋国土安全等领域具有广泛应用前景。

目前，光纤水听器的技术方案主要包括光纤光栅型、光纤激光型以及双臂干涉型三种，其中双臂干涉型光纤水听器方案最为成熟，应用也最为广泛。其基本原理为：高稳定性窄线宽激光器发出的激光经3dB耦合器一分为二，分别进入光纤干涉仪的两臂；光纤干涉仪两臂缠绕在增敏结构或材料上，外界声压信号引起增敏结构或材料发生形变，引起光纤干涉仪两臂长度发生相对变化，进而导致两臂间传输的激光光束产生随相对长度变化的相位差；干涉仪输出光强随两臂间相对相位变化而变化，通过对光纤干涉仪干涉光强的精确探测，可解算出外界声压信号。

近年来，人们发明了多种结构来提高干涉型光纤水听器的性能以及不同应用背景下的适装性。文献报道中典型结果包括：Wen等人(High-sensitivity fiber-opticultrasound sensors for medical imaging applications[J]，Ultra-sonic Imaging，1998，20(2)：103-112)较早采用光纤缠绕于聚乙烯圆柱的方式提高水听器灵敏度，实现水中相移灵敏度45mrad/kPa，响应带宽达4MHz；Gallego等人(High-sensitivity ultrasoundinterferometric single-mode polymer optical fiber sensors for biomedicalapplications[J]，Optics Letters，2009，34(12)：1807–1809)基于单模聚合物光纤实现马-曾干涉型光纤传感，得益于聚合物光纤相比传统熔融石英光纤更低的杨氏模量，光纤在水中与声场耦合更好，实现相移灵敏度1.31mrad/kPa，响应带宽高达5MHz。国防科技大学张学亮等人(Sensing system with Michelson-type fiber optical interferometerbased on single FBG reflector[J].Chinese Optics Letters，2011，9(11)：110601)采用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)作为迈克尔逊干涉仪的反射器件，测得频率响应范围100Hz～2kHz内波动低于0.3dB。科研人员从增敏结构设计、材料优选、核心器件改进等多个方面进行了较为系统的研究，将光纤水听器的性能指标大幅提高，最大程度释放了干涉型光纤水听器的应用潜能。在提高光纤水听器不同应用背景下的适装性方面，科研工程人员提出了多种不同设计。中国实用新型专利“干涉型光纤水听器”(CN 2729667Y)、中国实用新型专利“一种推挽式光纤水听器”(CN 202041279U)、中国发明专利申请“一种含空气腔的芯轴型光纤水听器”(申请号201711370586.0，公开日2018-06-01)、中国发明专利申请“一种深海用光纤水听器”(申请号201711447729.3，公开日2018-04-13)、中国发明专利申请“一种光纤水听器探头封装结构及封装方法”(申请号201811104270.1，公开日2019-01-11)从光纤水听器探头的传感结构优化及封装方式选择上提出了很好的思路。