注油型光纖水聽陣列封裝工藝流程研究

沙飛+劉偉+尹虎+李昌杰+王超

【摘要】 這里公開了一套簡單可行的注油型光纖水聽陣列的封裝工藝，通過工藝流程總結將陣列封裝過程公開化，每道工藝中對涉及到的材料及設備做了一些介紹。具體的工藝流程分為：繃繩，固定器件，陣列穿管，固定連接器，陣列充油排氣。按照這些工藝流程進行操作，可以生產出滿足封裝要求的、合格的光纖水聽陣列。

【關鍵詞】 注油型光纖水聽陣列 封裝 陣列穿管

引言

1977年美國海軍研究室的J.A.Bucare等人發表論文，首次成功演示了一套基于光纖技術的水聲傳感系統，是一種建立在光纖光電子技術基礎上的水下聲信號傳感器，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換成光信號，通過光纖傳至信號處理系統提取聲信號信息。它具有靈敏度高，頻響特性好等特點。由于采用光纖作信息載體，適合遠距離大范圍監測。經過20多年的發展，在國外，光纖水聽器的技術已比較成熟，目前已經在軍事以及石油勘探上獲得廣泛應用。

光纖水聽器在我國也有近20年的發展，其中注油型光纖水聽陣列通過船體拖曳使用，具有很強的靈活性和機動性，所以運用較為廣泛。但因要在海水中長時間工作、還需承擔船體的拖拽拉力，因此對其制作工藝提出了很高的要求，本文則著重介紹了拖曳光纖水聽直線陣封裝的工藝流程。

一、光纖水聽陣列工作原理

1.1 光纖水聽陣列簡介

文中提到的光纖水聽陣列均為注油型光纖水聽陣列，是新型的光纖水聽拖曳陣列。光纖水聽陣列一般由光纖水聽器陣元、陣列加強繩、外護套以及護套內充油后組成。不同于船載聲納和普通拖體聲納，它是一種聲陣段遠離載體，基陣深度可變，托速變化范圍大，監測范圍遠的被動型聲納。

1.2 光纖水聽陣列封裝要求

拖曳陣的工作方式、環境條件和結構安裝等特點對水聽器陣列的性能提出了特殊的要求。如何有效的抑制由拖纜抖動、渦流及拖曳力變化等引起的振動噪音的干擾，對此水聽器陣列封裝有了多條注意事項。

為保證水聽器陣元在海中拖曳時的不受力，陣列中陣元浮子等需要穿在幾根受力均勻的陣列加強繩上，陣列加強繩承擔大部分拖拽力；陣列外層需要有一層高彈水密的護套進行包裹，避免脆弱的光纖、陣元等受力或直接與海水接觸；護套自然狀態下是不規則的橢圓形，需要充滿輕蠟油進行保持圓潤，避免收放時內部光纖以及器件受力；陣列兩端配有連接器，方便陣列之間的連接，同時要保證密封，工作時陣列填充油不會泄露。

二、陣列封裝工藝流程

2.1 繃繩

繃繩顧名思義，就是將陣列加強繩拉直繃緊。目的在于去除繩子自身軸向力，避免影響器件、陣元等穿繩后固定。

陣列加強繩材料選用芳綸繩，芳綸繩承擔著拖曳陣工作時的大部分拖曳拉力，芳綸繩的抗拉系數需要根據項目需求進行決定。拖曳陣中一般需要2到4根不等的等長芳綸繩，每根芳綸繩要受力均勻，方法是繃繩時選用一段較長的芳綸繩（具體長度根據要做的陣列長度進行確定）來回折成所需段數進行繃緊操作。繃繩需在操作臺上進行，繩上一端上接上拉力計，通過拉力計的顯示的數值調節拉力裝置，調節到指定拉力后需要靜置半天以上。

2.2 固定器件

繃繩完成之后，將芳綸繩截成所需等長的段數，將浮子、陣元外殼等按照圖紙穿到所截成的芳綸繩上去，使用膠槍將器件粘到芳綸繩。目的在于陣列整體承重，水聽器陣元排列符合光路設計。

需要光學工程師先設計好圖紙，圖紙上有設計好的浮子、陣元外殼的排布，避免穿繩時穿錯導致大規模拆卸。膠槍內的膠水使用環氧膠，環氧膠粘結力好，能避免器件脫落。打膠時對準器件上留有的打膠孔，將器件與芳綸繩粘接牢固即可。打膠完成后需要靜置，靜置時間由環氧膠的固化時間決定。

2.3 陣列穿管

上述工序完成后形成一條簡易的內部陣列，簡易陣列外部需要用護套進行包裹，護套材料選用高彈防水解的PU管。目的在于保護脆弱的光學器件，對整條陣列進行操作時，PU管承受外力，使得光學器件不直接受力。

陣列穿管分為脹管和穿管兩步。大體流程如下：將PU管一端脹開后將牽引接頭（直徑比PU管內徑稍大）快速放到PU管中，牽引接頭后連接簡易陣列，然后快速將脹開的PU管的一端接到穿陣設備（改造的壓力容器）上，固定完成后，再通過給穿陣設備加壓使得牽引接頭帶動簡易陣列在PU管中前進直至完成。

脹管需要用到脹管設備，脹管設備通過氣壓將PU管一端脹開，脹管的長度大約為10cm，不容易脹開時可以用熱吹風槍進行外部均勻加熱。脹管成功后需立即將牽引接頭塞到PU管中，原因是PU管冷卻很快，脹開的PU管的那端會很快回縮。牽引接頭和簡易陣列之間用繩子連接，連接沒有問題之后將PU管脹開的那端接到穿陣設備的接頭上，用卡箍箍緊。給穿陣設備（改造的壓力容器）加壓，壓力維持在3.5到4個大氣壓即可。在壓力的作用下，牽引接頭會帶動連接的陣列前進到達指定的位置即可停止操作。

2.4 固定連接器

陣列的兩端需要有連接器，連接器的目的在于使PU管和簡易陣列成為一個整體，陣列充油后整體不漏油，陣列之間也可以通過連接器互相連接。

陣列的連接器至少有可拆解組裝的兩部分，一部分在固定器件時固定在簡易陣列的一端，待穿陣工作完成后，將該部分接頭上的多余PU管割除，然后將接頭與PU管接觸的地方套上扣壓環，用扣壓機扣緊，扣緊后則可將連接器的另一部分接上，簡易陣列另一端同理完成即可。

2.5 陣列充油排氣

充油是陣列填充油通過油泵從連接器上的充油孔注入到護套中的過程，排氣不僅指充油過程中的排氣，也包括充油完成后排出充油過程中混入的空氣。充油的目的在于使PU管整體保持充盈狀態，能承受一定的壓力，保護內部器件，也能調節整條陣列的密度。排氣目的在于保證整條陣的密度一致，聲音只在油這一種介質內傳播，避免損耗。

充油時將油泵出油一端接到連接器上的充油孔中，然后開啟充油泵向PU管中充油，建議將陣列斜放，容易排出PU管中的氣體，充油過程中也可進行敲擊，加速油中混入氣體的排出。充油完成后，若管中仍留有大量小氣泡，可靜置一段時間，待小氣泡聚成一個大氣泡時，再進行排氣。為保證整條陣的充盈狀態，充油時可以多充0.5個大氣壓的油，不容易彎折，避免收放時彎曲過大對內部的器件或光纖造成損傷。

三、結論

詳細介紹拖曳陣的封裝流程，列舉其中用到的設備和工具，說明每個步驟的要點和注意事項。光纖水聲陣列的封裝是一件細致嚴謹的工作，難點在于無合適材料設備以及流程的公開說明，根據需求選擇合適的材料，再通過上述的步驟可以成功的完成光纖水聲陣列的封裝工藝。