一种响应平坦的宽带高灵敏度分布反馈光纤激光水听器

作者:徐华;王昌;彭纲定;张晓磊;王英英;孙志慧;祁海峰;宋志强;倪家升 刊名:山东科学 上传者:樊春梅

【摘要】采用聚氨酯材料制作的梭形结构对分布反馈(DFB)光纤激光器进行封装,在驻波管校准声场对其进行测试,由OPD4000相位解调仪精确测量光纤激光水听器的相移量。通过测试和数据分析,得到1 kHz处DFB光纤激光水听器的相位-声压灵敏度为-122.6 dB re rad/μPa,相当于3.8 nm/MPa;在10 Hz~10 kHz整个频段内频响曲线非常平坦,波动小于±9 dB,并且信噪比与标准压电水听器相当。

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光纤水听器具有高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰和易于大规模复用组阵等独特优势,在海军反潜、能源勘探、海洋渔业及水声物理研究等各领域有广阔的应用前景[1-4]。自1977年Bucaro等[5]关于光纤水听器的文章发表以来,这项技术日益成熟。根据不同的传感机理,光纤水听器可以分为强度型、干涉型和光纤光栅型[6]。强度型光纤水听器信号处理比较简单,但容易受到光强度稳定性的影响[7-9]。干涉型水听器为了实现高灵敏度需要几百米长的光纤缠绕线圈,体积庞大,难以复用组阵[10]。与之相反,光栅水听器[11-14]体积则非常小,而且其传感信息由波长编码,不会受到光强损耗、光纤连接/耦合损失及光源功率变化的影响,信号不易受到干扰,可以更加方便地利用波分复用技术在同一根光纤中串联多个水听器进行全光纤探测,减少了水听器阵列的重量和尺寸,并且降低了成本。无源光纤光栅传感器的信号解调只利用了宽带光谱中很小的一部分光,从光栅反射来的光信号功率低、信噪比差。而分布反馈(distributedfeedback,DFB)光纤激光器带宽很窄(约几千赫兹),高功率、窄线宽的信号输出可以使其获得极高的灵敏度,而高信噪比也增加了传感器的复用能力。这种基于DFB光纤激光器的有源型光纤水听器既具有光栅传感器波长编码、抗干扰能力强、探头尺寸小(仅几厘米)、易于波分复用的优点,又具有相位干涉型传感器灵敏度极高的优点,因此引起国内外科学家的密切关注[15-17]。本文采用聚氨酯梭形结构对DFB光纤激光器进行有效封装,光纤激光水听器与封装前相比声压灵敏度提高约30dB,在10Hz~10kHz范围内获得平坦的频响曲线。1DFB光纤激光器传感及封装机理DFB光纤激光器是指在掺铒光纤中制作光栅时引入相移从而形成分布反馈结构,其激射的中心波长由光纤光栅的Bragg方程B=2neff决定,外界环境的影响使光栅周期和有效折射率neff发生变化,从而引起DFB光纤激光器中心波长的漂移:B=2neff+2neff。(1)对裸纤结构进行分析,忽略包层的影响。假设光纤光栅所受应力远小于其自身的断裂极限,即为一理想弹性体,且内部不存在切应变,遵循胡克定理。光纤自身各向同性,光敏折射率变化在横截面上均匀分布。光纤处于一个均匀压力场P中,不考虑应力随时间变化的影响,温度场保持恒定,无剪切应力,根据胡克定律,光纤应变张量可表示为:=xyz=-P(1-2v)/E-P(1-2v)/E-P(1-2v)/E。(2)综合考虑光栅栅距和折射率的变化,光栅布拉格波长的变化为:BB=+neffneff=z-n2eff2(p11+2p12)z=1-n2eff2(p11-2p12[)]z。(3)DFB光纤激光水听器探测的信号为水下目标发出或反射的声波,而水下声场的变化引起水压的变化,因此光纤激光水听器波长-声压灵敏度可以定义为Kp=BBP=n2eff2(p11+2p12)[-1](1-2v)/E。(4)很明显,通过封装降低整个水听器结构的杨氏模量和泊松比可以有效提高水听器的波长-声压灵敏度。经分析比较,水听器封装材料采用DivinycellH高性能聚氨酯三明治夹芯材料,杨氏模量约320MPa,具有卓越的粘合/剥离强度、出众的耐化学腐蚀性、低吸水率和优良的隔热/隔音性。DivinycellH已被广泛应用于船舶、陆路运输、风能、土木工程/基础设施和工业产品等领域。2DFB光纤激光水听器测试实验装置光纤激光水听器测试系统如图1所示。在驻波管校准声场中由信号源、功率放大器、发射换能器等组成声信号发射系统,采用715所标准压电陶瓷水听器RHSA20对测量

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