压差式光纤矢量水听器声压相位灵敏度研究

该文介绍了压差式光纤矢量水听器及其基元的工作原理,并分析了光纤层等效处理对仿真结果的影响。基于有限元法对压差式光纤矢量水听器的基本性能进行了仿真分析,根据仿真模型所选定的参数研制压差式光纤矢量水听器样品,并对样品在频率为20～1 000 Hz时进行了测试。测试结果表明,声压相位灵敏度的仿真计算结果与实验测试结果基本一致,平均差值约为1.0 dB。研究结果表明,采用有限元法对压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度进行仿真具有可行性。     

三维压差式光纤矢量水听器设计与实验

阐述了压差式光纤矢量水听器的基本原理,分析了基元灵敏度及间距对其声压灵敏度的影响,进行了三维压差式光纤矢量水听器探头结构设计,研制了二维压差式光纤矢量水听器样品,并进行了性能指标测试。测试结果表明,在20~1 000Hz频段内,压差式光纤矢量水听器的声压灵敏度与理论计算结果基本吻合,在500Hz具有良好的指向性。     

基于HTCC电路的MEMS复合同振型水听器设计

矢量水听器是感知水下声信息的重要设备,基于MEMS微加工工艺研制了一种复合同振型矢量水听器,将MEMS矢量水听器芯片与压电陶瓷环在结构上组合在一起,能够同时拾取水下目标信号的标量信息和矢量信息。内部集成了HTCC调理电路,能够有效降低传感器耦合噪声,提高检测信号的信噪比。通过驻波管计量,MEMS复合式水听器的工作频率范围为20～1 000 Hz,矢量振速通道灵敏度为-170.5 d B@1 k Hz,标量声压通道灵敏度为-174.7 d B@1 k Hz。通过内嵌电路,信噪比提高了15 d B。     

高灵敏度加速度抵消型分布反馈有源光纤光栅水听器研究

研究了高灵敏度抗加速度型分布反馈(DFB)有源光纤光栅水听器。采用λ/4相移型掺铒光纤光栅构成DFB激光器,输出窄线宽激光,利用弹性膜片增敏方法封装有源光纤布拉格光栅,构成了高灵敏度有源光纤光栅水听器,并以两边对称的弹性膜片构成封装结构来抵消轴向加速度干扰,提高水听器在运动情况下的检测能力,并通过对结构的优化大大提高了光纤光栅水听器的耐静水压能力。研究结果表明水听器在100～1000Hz频率范围内声-相位灵敏度达到-132.7±0.7dB(0dB=1rad/μPa),加速度灵敏度可做到-20dB(0dB=1rad/g)以下,耐静水压可达2MPa。     

基于铒镱共掺分布布拉格反射式光纤激光器的有源光纤水听器声压灵敏度

对基于铒镱共掺分布布拉格反射式光纤激光器(DBR-FL)的有源光纤水听器进行了研究.制作了腔长为8 cm的铒镱共掺DBR-FL,在抽运功率为50 mW时,激光器的输出功率达到0.263 mW;采用带法拉第旋镜的迈克尔逊干涉仪和相佗载波(PGC)解调方案,解调出施加在铒镱共掺DBR-FL有源光纤水听器的声信号,并通过与标准压电水听器对比得到声压灵敏度;对单频信号进行多次测量,声压灵敏度的波动小于±0.6 dB;测量了80 Hz到2.5 kHz频率范围的响应曲线,除125 Hz,200 Hz和250 Hz三个频点外,声压灵敏度已达到或超过部分文献报道中干涉型光纤水听器的灵敏度;与基于DFB-FL的有源光纤水听器做了对比测试,结果表明频率响应不平坦是未对水听器进行封装和测试系统引起的.     

高性能三维全保偏光纤矢量水听器研制

研制了高性能的三维光纤矢量听水器,采用全保偏光纤结构消除偏振不稳定性影响、光频调制相位载波（PGc）技术消除随机相位漂移,实现了探测单元的全光化。优化结构设计,采用薄壁空心刚性圆柱结构作为弹性柱体,大大拓展了光纤矢量水听器的工作频带,同时保证了水听器探测灵敏度。经权威机构检测,该光纤矢量水听器的工作频带为20～2000...     

远程光纤水听器系统中传输光纤引入噪声的抑制

远程传输光纤受环境的影响会在水听器系统中引入噪声,利用迈克耳孙光纤干涉仪模拟光纤水听器,搭建了远程光纤水听器系统,采用参考干涉仪法解调对传输光纤引入的噪声进行抑制。实验结果表明,与常用的相位产生载波技术(PGC)解调相比,参考干涉仪法解调在不影响传感水听器对声信号检测能力的情况下,对传输光纤引入的扰动噪声能进行良好的抑制,频率为500 Hz噪声的抑制量可达到约25 d B,同时该方法使传感水听器系统中100 Hz位置的本底噪声也降低了17 d B。     

应用于拖曳线列阵的分布反馈式光纤激光水听器

为了进一步拓宽端面拉伸增敏的分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的工作频带,研制了一种外径为13mm的聚氨酯端面拉伸式增敏结构的DFB光纤激光水听器,建立了其声压灵敏度与聚氨酯材料参数的理论模型,仿真分析了水听器的动态特性与聚氨酯材料参数的关系,并制备了参数经过优化后的双组分聚氨酯材料,制作了水听器原型样品并进行了水声实验研究。实验测得,研制的聚氨酯端面拉伸式增敏结构的DFB光纤激光水听器在10~20000Hz的宽频带内获得了(-137.60±2)dB的声压灵敏度,表明聚氨酯端面增敏式封装有效地拓宽了水听器的工作频带,很好地满足拖曳线列阵的工程化应用要求。     

基于加速度传感的三维光纤矢量水听器实验研究

研制了全光湿端的基于加速度传感的三维光纤矢量水听器，介绍了它的基本结构，测试了加速度灵敏度响应，在水声一级计量站标定了指向性和声压灵敏度，进行了海上试验。实验结果表明，该光纤矢量水听器具有很高的灵敏度、较好的空间指向性和良好的低频响应，并有了初步的海上实用性能。     

基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器

报道了基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器研究结果.采用全保偏光纤干涉仪结构消除了偏振不稳定性,运用相位载波调制解调信号处理技术消除相位随机漂移引起的干涉信号衰落的影响,实现了对声信号的稳定检测和光纤水听器探头的全光纤化.实验测得在20～1 600 Hz频段,光纤水听器的相位灵敏度约为-162.5 dB,灵敏度的起伏为±0.7 dB,500 Hz单频点的灵敏度变化小于0.1 dB.     

薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器

分析了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器的基本原理.用光纤迈克耳孙干涉法测量水声压差信号,用琼斯矩阵理论分析了干涉系统的偏振衰落原因并用法拉第镜实现偏振补偿.分析了压差判向的声学原理,仿真了余弦指向性曲线.用轴对称问题的准静态弹性力学原理分析了水听器背衬结构模型,得出声压差相移灵敏度的解析式.实验设计并实现了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器样机,其测量的声压相移灵敏度与理论计算结果基本吻合,其指向性测量与计算机仿真分析基本一致.在低频段灵敏度上取得了突破,为低频水声环境应用压差式矢量水听器提供了依据,为小尺寸高灵敏度光纤矢量水听器的研制提供了参考.     

基于FBG对的低加速度灵敏度拖曳声纳阵水听器

拖曳声纳阵列要求水听器在进行变速运动时不影响对水声压力信号的正常探测,这就要求水听器具有很高的抗加速度能力.为此介绍一种利用光纤光栅设计制造的对加速度不敏感而对水声压力信号具有高灵敏度的光纤水听器的实验研究结果.研制的光纤水听器声压灵敏度约为-140 dBrad/μPa,在25～6 300 Hz频率范围内具有平坦的声压...     

驻波管测试下压差式光纤矢量水听器的改进

压差式矢量水听器基于声场有限差分原理进行声压梯度测量,而光纤声压传感器结构相对复杂,在工艺上难以保证传感器间的灵敏度一致性.研究了声压传感单元不一致对压差式光纤矢量水听器的影响,指出声压传感基元灵敏度不一致对实际应用中的行波场条件下的测量影响更严重,采用传统的驻波管校准后的压差式光纤矢量水听器在实际运用中就会造成声压的相位测量误差.提出了可通过一维方向上采用双干涉仪结构来克服此问题,并分析了该结构的压差式光纤矢量水听器的驻波管校准方法,依据该方法进行测试,可克服声压传感基元灵敏度不一致的影响,使其能在实际中得以应用.     

封装对超细型DFB光纤激光水听器性能的影响(特邀)

对超细型DFB光纤激光水听器探头封装进行了研究。通过有限元方法建立了封装结构理论模型,探讨了影响超细型光纤激光水听器频率响应与灵敏度起伏之间的因素,在灵敏度、频响一致性等指标间找到了平衡点。最后,制作了光纤激光水听器,直径6 mm,长度55 mm,灵敏度-130 dB,100 Hz~2 kHz灵敏度响应起伏4 dB,通过测试验证了理论分析和仿真的符合性。     

一种压电单晶矢量水听器的性能建模与分析

针对加速度型矢量水听器在低频段灵敏度偏低问题,根据铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)压电单晶的性能特点,设计了一种双悬臂梁结构压电单晶矢量水听器。建立了有限元模型,对矢量水听器的振动模态和接收性能进行了仿真计算,重点分析了几个主要材料和尺寸参数对水听器自由场灵敏度的影响。理论计算表明,采用压电单晶PZN-PT的矢量水听器经优化后其灵敏度可达-190 dB@250 Hz,与压电陶瓷PZT-5A的水听器相比,灵敏度提升了15 dB以上。     

DFB光纤激光水听器预应力理论与实验研究

为了研究预应力对分布反馈式(DFB)光纤激光水听器水声探测性能的影响,建立了双膜片结构DFB光纤激光水听器声压灵敏度与预应力关系的理论模型,运用有限元软件ANSYS仿真分析了水听器动态性能与预应力的关系,加工制作了不同预应力作用下的DFB光纤激光水听器原型样品,并在消声水池对其进行了实验研究。实验结果表明,随着预应力的增加,DFB光纤激光水听器的频率响应趋向平坦,当预应力引起的水听器出光波长变化量增大到400 pm时,水听器在2.5~10 k Hz频率范围内的声压灵敏度为136.8 d B±0.3 d B,而预应力继续增大时,水听器的频率响应曲线变化非常小,这与理论分析和仿真结果都吻合较好。     

水池中低频矢量水听器灵敏度校准

在水池中,低频声源与矢量水听器吊放在水池中央,间距小于水池的混响距离,在100～1 000 Hz范围内测量矢量水听器声压和矢量通道接收信号的灵敏度.对测量得到的灵敏度进行球面修正,可得到矢量水听器声压通道和矢量通道的灵敏度.测量结果表明,这种校准方法能校准低频矢量水听器的灵敏度,结果与理论相符.     

干涉型光纤传感器相位漂移的无源解决方法

相位漂移是干涉型光纤传感器实际应用中遇到的关键问题之一。提出了一种基于线性控制原理的无源解决方法,利用干涉仪的输出信号得到一个误差信号对光源波长进行调节,在非平衡干涉仪中产生一个补偿相位,对各种噪声引起的相位漂移进行补偿,从而使干涉仪一直工作在最灵敏的地方,实现了无源线性检测。搭建实验系统,利用该方法对某一干涉型光纤水听器进行了测试,结果表明该光纤水听器被很好地控制在正交工作状态,获得了稳定的输出信号。在20~2500 Hz频率范围内,该光纤水听器的声压灵敏度为-156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±1.2 dB,与采用相位载波(PGC)调制解调方法测得的结果一致,从而验证了该方法的可行性。     

一种简单的干涉型光纤水听器信号检测方法

信号检测技术是光纤水听器的关键技术之一,提出了一种干涉型光纤水听器的简单无源零差(SPH)检测方法,它的传感部分没有任何有源器件,也无需对光源进行调制,实现起来非常简单。用Labview结合Matlab编写了信号实时采集处理系统,对光纤水听器灵敏度频响进行了测试。结果表明,在测试频带上探头平均灵敏度为-162.5dB,与国家一级计量站标定的结果一致;波动<±0.5dB,与理论分析一致。通过对灵敏度误差的详细分析,指出影响灵敏度解调的主要因素是光源功率的波动。     

低加速度灵敏度的分布反馈式光纤激光水听器研究

针对分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的加速度响应影响声压信号探测的问题,研制了一种聚氨酯端面增敏结构的DFB光纤激光水听器。建立了该结构水听器的加速度灵敏度理论模型,理论分析了套筒结构与水听器的加速度灵敏度的关系,仿真分析了水听器两端聚氨酯的弹性模量、泊松比以及高度的差异与其加速度灵敏度的关系,实现了对水听器各结构以及材料参数的优化,并制作了水听器原型样品与拖曳线列样阵,分别开展了加速度灵敏度测试和湖上动态拖曳实验研究。实验结果表明,该结构水听器在20~2000Hz频率范围内的加速度灵敏度在各频点均小于1.2dB,与理论分析结果较为吻合,在动态拖曳过程中的变速运动阶段也能对目标形成较高信噪比的稳定波束指向。水听器的抗加速度性能得到了有效预测以及实验验证。