带加速度补偿的DFB光纤激光水听器

作者:唐波;黄俊斌;顾宏灿;毛欣; 刊名:光子学报 上传者:黎真

【摘要】针对分布反馈式光纤激光水听器在用于水声探测时极易受加速度效应干扰的问题,设计了一种双膜片对称结构的光纤激光水听器,对该水听器的抗加速度性能进行了研究.建立了双膜片结构水听器的加速度灵敏度理论模型,分析了水听器各部件的尺寸大小、材料参量与水听器加速度灵敏度的关系,实现了对水听器结构的优化设计;加工制作了分布反馈式光纤激光水听器原型样品,并进行了实验研究,测量结果表明,在2.5~10 kHz的频率范围内,该结构水听器的平均声压灵敏度为一132.6 dB,波动幅度不大于±0.5 dB,加速度灵敏度小于一28 dB.该水听器在保证了较高声压灵敏度与平坦的响应曲线的同时,抗加速度性能也得了有效改善,可大大提高光纤激光水听器阵列在运动状态下对远距离目标探测的信噪比.

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0引言基于分布反馈式(DistributedFeedback,DFB)光纤激光器的光纤水听器具有尺寸小、灵敏度高以及便于大规模复用成阵等优点,成为近年来水声探测研究的热点[1-3].然而,DFB光纤激光水听器在工作时一般处于运动状态,水听器本身会产生加速度,这种加速度效应对于水听器接收有用的水声信号会有干扰作用,制约了水听器成阵后对微弱信号的远距离探测,因而有必要对DFB光纤激光水听器的抗加速度封装展开研究以提高其抗干扰能力[4-7].2012年,李东明研制了一种两边对称的弹性膜片结构的DFB光纤激光水听器,通过实验测得,该结构1-3006050水听器在抗加速度灵敏度上较单端弹性片结构有10~27dB的改善[8];2015年,谭波设计了一种夹层式结构的DFB光纤激光水听器,仿真结果表明,通过上下两个形变方向相同的承压面,水听器的相对加速度灵敏度可达到-19.6dB,但并未进行实验验证[9].然而,在水听器加工与封装的过程中,对称结构的尺寸不能保证完全相同,安装位置也不能保证完全对称,这些都会影响对称化结构的加速度去敏效果,因而水听器封装结构需要进一步的优化设计,以降低其加速度灵敏度.本文设计了一种双膜片对称结构的DFB光纤激光水听器,理论分析了水听器加速度灵敏度与其各封装结构尺寸以及材料参量的关系,实现了水听器结构的优化设计,根据分析结果加工制作了DFB光纤激光水听器原型样品,并对其抗加速度性能与频响性能进行实验研究,在获得较低加速度灵敏度的同时,保持了较高的声压灵敏度与平坦的频响曲线,对于推动DFB光纤激光水听器的工程化具有重要意义.1DFB光纤激光水听器加速度去敏结构优化双膜片结构DFB光纤激光水听器主要由DFB光纤激光器、膜片套筒和端盖组成,如图1.水听器的套筒沿径向均匀分布了四个长条形开孔,膜片下端边缘与套筒两端通过环氧树脂胶粘接固定,DFB光纤激光器通过膜片固定于套筒的中心轴线上,然后将端盖从套筒两端拧入将膜片上端压紧,激光器的尾纤从端盖中心的孔穿出.其工作原理是声压通过开孔透过水听器的套筒作用在水听器两端的膜片上,使得膜片产生形变,膜片拉动DFB光纤激光器产生轴向应变引起激光器出射激光中心波长发生漂移,从而实现对水声信号的有效探测.图1DFB光纤激光水听器封装结构Fig.1SchemeofencapsulatedstructureofDFBfiberlaserhydrophone由于双膜片DFB光纤激光水听器的圆柱状结构具有轴对称性,探头本身对加速度的径向分量具有抵消作用,即径向加速度灵敏度很低,因而轴向加速度对水听器的探测起主要干扰作用.采用双膜片结构的对称化设计,理论上可将轴向加速度产生的惯性力作为一共模信号被自动抵消掉,同时可将声压作用放大一倍,即降低DFB光纤激光水听器加速度灵敏度的同时,可提高水听器的声压灵敏度.如图2,当DFB光纤激光水听器沿着轴向进行变速运动时,水听器的两个对称化膜片在加速度的作用下将产生相同的位移,使得DFB图2DFB光纤激光水听器加速度补偿示意图Fig.2SchemeofaccelerationcompensatedstructureofDFBfiberlaserhydrophone图3DFB光纤激光水听器弯曲形变图Fig.3SchemeofbendingdeformationofDFBofDFBfiberlaserhydrophone2-3006050光纤激光器本身不会因为加速度的作用而产生位移,因而激光器出射激光的中心波长不会发生变化,从而实现轴向加速度去敏的功能.为了减小加工与封装过程中产生的误

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