一種響應(yīng)平坦的寬帶高靈敏度分布反饋光纖激光水聽器

徐華 ，王昌 ，彭綱定 ，張曉磊 ，王英英 ，孫志慧，祁海峰，宋志強(qiáng)，倪家升

(1.山東省光纖傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014;2.新南威爾士大學(xué)，澳大利亞 悉尼2052)

光纖水聽器具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、抗電磁干擾和易于大規(guī)模復(fù)用組陣等獨(dú)特優(yōu)勢，在海軍反潛、能源勘探、海洋漁業(yè)及水聲物理研究等各領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景［1-4］。自1977年Bucaro 等［5］關(guān)于光纖水聽器的文章發(fā)表以來，這項(xiàng)技術(shù)日益成熟。根據(jù)不同的傳感機(jī)理，光纖水聽器可以分為強(qiáng)度型、干涉型和光纖光柵型［6］。

強(qiáng)度型光纖水聽器信號處理比較簡單，但容易受到光強(qiáng)度穩(wěn)定性的影響［7-9］。干涉型水聽器為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度需要幾百米長的光纖纏繞線圈，體積龐大，難以復(fù)用組陣［10］。與之相反，光柵水聽器［11-14］體積則非常小，而且其傳感信息由波長編碼，不會(huì)受到光強(qiáng)損耗、光纖連接/耦合損失及光源功率變化的影響，信號不易受到干擾，可以更加方便地利用波分復(fù)用技術(shù)在同一根光纖中串聯(lián)多個(gè)水聽器進(jìn)行全光纖探測，減少了水聽器陣列的重量和尺寸，并且降低了成本。

無源光纖光柵傳感器的信號解調(diào)只利用了寬帶光譜中很小的一部分光，從光柵反射來的光信號功率低、信噪比差。而分布反饋(distributed feedback，DFB)光纖激光器帶寬很窄(約幾千赫茲)，高功率、窄線寬的信號輸出可以使其獲得極高的靈敏度，而高信噪比也增加了傳感器的復(fù)用能力。這種基于DFB 光纖激光器的有源型光纖水聽器既具有光柵傳感器波長編碼、抗干擾能力強(qiáng)、探頭尺寸小(僅幾厘米)、易于波分復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，又具有相位干涉型傳感器靈敏度極高的優(yōu)點(diǎn)，因此引起國內(nèi)外科學(xué)家的密切關(guān)注［15-17］。

本文采用聚氨酯梭形結(jié)構(gòu)對DFB 光纖激光器進(jìn)行有效封裝，光纖激光水聽器與封裝前相比聲壓靈敏度提高約30 dB，在10 Hz～10 kHz 范圍內(nèi)獲得平坦的頻響曲線。

1 DFB 光纖激光器傳感及封裝機(jī)理

DFB 光纖激光器是指在摻鉺光纖中制作光柵時(shí)引入π 相移從而形成分布反饋結(jié)構(gòu)，其激射的中心波長由光纖光柵的Bragg 方程λB=2neffΛ 決定，外界環(huán)境的影響使光柵周期Λ 和有效折射率neff發(fā)生變化，從而引起DFB 光纖激光器中心波長的漂移:

對裸纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，忽略包層的影響。假設(shè)光纖光柵所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于其自身的斷裂極限，即為一理想彈性體，且內(nèi)部不存在切應(yīng)變，遵循胡克定理。光纖自身各向同性，光敏折射率變化在橫截面上均勻分布。光纖處于一個(gè)均勻壓力場P 中，不考慮應(yīng)力隨時(shí)間變化的影響，溫度場保持恒定，無剪切應(yīng)力，根據(jù)胡克定律，光纖應(yīng)變張量可表示為:

綜合考慮光柵柵距和折射率的變化，光柵布拉格波長的變化為:

DFB 光纖激光水聽器探測的信號為水下目標(biāo)發(fā)出或反射的聲波，而水下聲場的變化引起水壓的變化，因此光纖激光水聽器波長-聲壓靈敏度可以定義為

很明顯，通過封裝降低整個(gè)水聽器結(jié)構(gòu)的楊氏模量和泊松比可以有效提高水聽器的波長-聲壓靈敏度。經(jīng)分析比較，水聽器封裝材料采用Divinycell H 高性能聚氨酯三明治夾芯材料，楊氏模量約320 MPa，具有卓越的粘合/剝離強(qiáng)度、出眾的耐化學(xué)腐蝕性、低吸水率和優(yōu)良的隔熱/隔音性。Divinycell H 已被廣泛應(yīng)用于船舶、陸路運(yùn)輸、風(fēng)能、土木工程/基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域。

2 DFB 光纖激光水聽器測試實(shí)驗(yàn)裝置

光纖激光水聽器測試系統(tǒng)如圖1 所示。在駐波管校準(zhǔn)聲場中由信號源、功率放大器、發(fā)射換能器等組成聲信號發(fā)射系統(tǒng)，采用715 所標(biāo)準(zhǔn)壓電陶瓷水聽器RHSA20 對測量聲場進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)水聽器采用12 V 穩(wěn)壓直流電源供電，頻響范圍20 Hz～50 kHz，其聲壓靈敏度為-168 dB (0 dB re 1V/μPa)。

圖1 DFB 光纖激光水聽器頻響測試系統(tǒng)Fig.1 Frequency response test system of a DFB fiber laser hydrophone

實(shí)驗(yàn)中所用Optiphase-OPD4000 相位解調(diào)儀載波調(diào)制頻率為20 kHz，調(diào)制幅度為1.485 V(2.376 rad)，模擬輸出相位電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為20 rad/V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用Divinycell H 高性能三明治夾芯材料制作的梭形封裝結(jié)構(gòu)對DFB 光纖激光器進(jìn)行封裝，獲得如圖2所示的水聽器，總長約56 mm，壁厚僅1.26 mm。將DFB 光纖激光水聽器與標(biāo)準(zhǔn)PZT 水聽器置于駐波管校準(zhǔn)聲場中的同一位置，在聲波頻率分別為20 Hz、1 kHz 時(shí)均可觀察到標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號。通過傅立葉變化觀察其頻域信號，見圖3，可以看出在20 Hz 和1 kHz 處DFB 光纖激光水聽器與標(biāo)準(zhǔn)PZT 水聽器的信噪比相差不多，分別為91 dB 和70 dB.

圖2 梭形結(jié)構(gòu)封裝的DFB 光纖激光水聽器Fig.2 A spindle structure packaged DFB fiber laser hydrophone

進(jìn)一步通過計(jì)算得到1 kHz 時(shí)，DFB 光纖激光水聽器的相位-聲壓靈敏度為-122.6 dB re rad/μPa，對應(yīng)其頻率聲壓靈敏度為113.7 dB re Hz/Pa，波長-聲壓靈敏度為71.5 dB re pm/MPa，DFB 光纖激光水聽器的等效噪聲壓為1.35 mPa。

Mach-zehnder 干涉儀作為光學(xué)濾波器件，可將激光器出射激光的波長漂移變化轉(zhuǎn)化為干涉儀輸出的相位變化，其相位輸出與DFB-FL 激光波長(頻率)位移的關(guān)系式如下:

其中，c 為光速，c=3 ×108m/s;n 為光纖有效折射率，n=1.467;l 為Mach-zehnder 干涉儀非平衡路徑，l=50 m;Δv 為DFB-FL 激光頻率位移;Δλ 為DFB-FL 激光波長位移。因此我們可以由相位-聲壓靈敏度推算出波長-聲壓靈敏度以及頻率-聲壓靈敏度。在10 Hz～10 kHz 范圍內(nèi)采用梭形結(jié)構(gòu)封裝的DFB 光纖激光水聽器頻響圖見圖4，從圖中可以看出，DFB 光纖激光水聽器在10Hz～10 kHz 范圍內(nèi)頻響波動(dòng)9 dB，而在10 Hz～2 kHz 范圍內(nèi)頻響曲線非常平坦，波動(dòng)僅在3.3 dB 以內(nèi)。高頻處頻響波動(dòng)不能排除聲場的自身原因。

圖3 PZT 水聽器和DFB 光纖激光水聽器采集到的時(shí)域和頻域信號Fig.3 Time-domain and frequency-domain signals collected by a PZT hydrophone and a DFB fiber laser hydrophone

圖4 梭形DFB 光纖激光水聽器聲壓-頻響曲線Fig.4 Frequency response curve of a spindle structure packaged DFB fiber laser hydrophone

4 結(jié)語

本研究采用楊氏模量小的聚氨酯材料制作的梭形結(jié)構(gòu)對DFB 光纖激光器進(jìn)行增敏封裝，將光纖激光水聽器聲壓靈敏度提高約30 dB，在1 kHz 處DFB 光纖激光水聽器的相位-聲壓靈敏度為-122.6 dB re rad/μPa，對應(yīng)其頻率聲壓靈敏度為113.7 dB re Hz/Pa，波長-聲壓靈敏度為71.5 dB re pm/MPa，DFB 光纖激光水聽器的等效噪聲壓1.35 mPa。研究結(jié)果表明，該DFB 光纖激光水聽器在10 Hz～10 kHz范圍內(nèi)可獲得起伏不高于±9 dB 的較平坦的聲壓靈敏度頻響曲線。水聽器性能經(jīng)封裝后可得到較大的改善，可以獲得和標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器同樣的信噪比。

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