潮科技 | 光纤激光水听器研究进展

中国科学院半导体研究所在光纤激光水听器基础理论和应用方面都开展了深入的研究，具体内容涉及分布式反馈光纤激光器的研制、解调技术、水听器的封装技术、阵列技术等多个方面，完成多次外场试验，部分研究成果成功转化进军、民领域的行业应用。下面，本文将总结2005年以来中国科学院半导体研究所有关光纤激光水听器相关技术的研究工作，主要包含声压式水听器技术、矢量水听器技术、水听器阵列技术、外场实验及行业应用等。

⒈ 光纤激光声压式水听器

早期的水听器都是感测声场的声压(标量)的，这其中涉及两项关键技术，增敏和频响控制。从结构上讲，对光纤激光水听器而言，最简单、直接的声压感测方式就是将裸露的光纤激光器直接置于声场之中。声压沿着径向直接作用于光纤，根据虎克定律，光纤会产生轴向变形。但是这种传感方式的灵敏度极低。因此，最先提出了裸光纤激光器包覆有机弹性材料的增敏方式。这种增敏方法可以极大地增加受压面积，从而提高传感器的灵敏度。但是涂覆材料的一致性难以保证，且涂覆半径不能无限制的增加。因此如何进一步提高灵敏度成为该项研究的热点。2008年，张文涛等首次提出了基于双膜片结构的光纤激光水听器。

图5 双膜片光纤激光水听器

如图5和图6所示，光纤激光器的两端分别固定在两个膜片中心，当外界声压通过透声橡胶传入传感器壳体，会同时使得两个膜片反向变形，进而拉伸光纤激光器产生增敏应变。这种增敏方式直接利用声压产生光纤的轴向应变，不再需要通过涂覆材料的泊松效应传递，因此灵敏度有了极大的提高。起初制成的传感器获得－163dB re 1pm/μPa的灵敏度；后续通过参数调整及不断地改进，目前水听器在20～2000Hz频响宽度内，灵敏度达－140dB re 1pm/μPa。

图6 光纤激光水听器实物图

频响控制是声压式水听器的另一项关键技术，这是由于应用于不同环境的水听器需要相应的频响区间、光纤水听器需要解决抗高频混叠问题、水听器的一致性与频响控制密切相关。机械法频响控制是一种从根本上改善频响的方法，具有成本低、信噪比高的特点。2011年，Zhang等提出了一种具有低通滤波能力的光纤激光水听器。如图7所示，它是在膜片式光纤激光水听器基础上添加了声低通滤波结构实现的频响变换，利用电声理论可以对传感器的频响行为给出详细解释。

图7 具有低通滤波特点的光纤激光水听器

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