光纖水聽器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

易朗宇 沈燕青 徐紅霞 韓銀

【摘? 要】研究了國內(nèi)外聲壓標(biāo)量光纖水聽器、聲壓梯度矢量光纖水聽器、慣性式矢量光纖水聽器等主流光纖水聽器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分析其設(shè)計(jì)思路，對比了不同結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)劣，提出了靈敏度提高措施，對新型探頭的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】光纖水聽器;靈敏度;探頭結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）05-0051-09

1? ?引言

光纖水聽器作為水聲研究領(lǐng)域的代表性技術(shù)，是當(dāng)下研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，而其探頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)又是重中之重。光纖水聽器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、檢測頻帶寬、耐高溫高壓、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、抗電磁干擾等諸多優(yōu)越的特性，自20世紀(jì)70年代末光纖水聽器概念提出以來，國內(nèi)外各類型光纖水聽器被不斷研究，目前已廣泛應(yīng)用于水聲警戒聲納、拖曳線列陣聲納、舷側(cè)陣共形陣聲納、水雷聲引信、魚雷探測聲納、多基地聲納、水下潛器的導(dǎo)航定位、分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)以及海洋水聲物理研究、石油勘探、海洋漁業(yè)等軍民兩用場景。結(jié)合不同應(yīng)用場景與指標(biāo)要求，對探頭結(jié)構(gòu)有不同的選擇。本文梳理了國內(nèi)外主流探頭設(shè)計(jì)方案，分析其設(shè)計(jì)思路，為今后的設(shè)計(jì)方向提供了較為明確的參考意義。

水聲探測中，目標(biāo)聲場特征信息分為標(biāo)量和矢量兩類，其中前者主要指聲壓信息，后者包含聲壓梯度、質(zhì)點(diǎn)振速、質(zhì)點(diǎn)加速度、質(zhì)點(diǎn)位移等矢量信息。本文將對聲壓標(biāo)量光纖水聽器、聲壓梯度矢量光纖水聽器、慣性式矢量光纖水聽器的探頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

2? ?聲壓標(biāo)量光纖水聽器

2.1? 芯軸型聲壓標(biāo)量光纖水聽器

芯軸型結(jié)構(gòu)是聲壓標(biāo)量光纖水聽器中應(yīng)用最廣泛的一種類型，該結(jié)構(gòu)通常采用邁克爾遜干涉儀或者馬赫-曾德爾干涉儀作為敏感元件，將干涉儀的一臂或者兩臂差繞至芯軸彈性結(jié)構(gòu)上。當(dāng)聲壓作用于彈性結(jié)構(gòu)時(shí)，將引起干涉儀臂長變化，通過檢測臂長變化引起的光相位差，實(shí)現(xiàn)對聲壓的傳感。按照芯軸彈性結(jié)構(gòu)不同可以分為單臂纏繞式、推挽式、含空氣腔圓柱式、剛性臂式和聲低通濾波式幾種結(jié)構(gòu)。

單臂纏繞式、推挽式、含空氣腔式結(jié)構(gòu)大致相同（如圖1所示），三者均使用彈性筒作為支架[1]。其中單臂式最為簡單，將干涉儀的一條傳感臂繞制在彈性筒外側(cè)，而參考臂固定至聲場外或進(jìn)行聲壓屏蔽處理。推挽式結(jié)構(gòu)干涉儀的兩臂分別繞制在彈性筒內(nèi)外兩側(cè)，兩臂均參與聲壓信號的接收，一側(cè)拉長則另一側(cè)收縮，實(shí)現(xiàn)靈敏度增加一倍。含空氣腔式結(jié)構(gòu)的彈性筒中含空腔，用于提高探頭聲壓靈敏度并平衡靜水壓，纏繞方式類似于推挽式。

剛性臂式結(jié)構(gòu)采用四層結(jié)構(gòu)（如圖2所示），將干涉儀參考臂繞制在剛性支架上，再涂覆一層彈性體，外側(cè)繞制傳感臂以接收聲壓信號[1]。

聲低通濾波式結(jié)構(gòu)（如圖3所示）由國防科大團(tuán)隊(duì)提出，通過將芯軸結(jié)構(gòu)與二階、四階、帶側(cè)支的聲低通濾波腔相結(jié)合，可以在聲壓傳感的同時(shí)實(shí)現(xiàn)不同的低通濾波效果，能有效避免調(diào)制混疊引起的高頻干擾[2-5]。該結(jié)構(gòu)中鋁制骨架筒外側(cè)涂覆彈性層以實(shí)現(xiàn)聲壓增敏，將邁克爾遜干涉儀的傳感臂緊繞在彈性層上，而參考臂直接固定在骨架筒一端。

2.2? 平面型聲壓標(biāo)量光纖水聽器

平面型聲壓標(biāo)量光纖水聽器也常采用邁克爾遜干涉儀或者馬赫-曾德爾干涉儀作為敏感元件，通過將干涉臂盤繞至彈性平面上，實(shí)現(xiàn)聲壓對臂長的調(diào)制。若將干涉儀兩臂分別盤繞至平面兩側(cè)，則可形成推挽式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要有周圍支撐碟式、中央支撐碟式、平板式等形式。

周圍支撐碟式與中央支撐碟式結(jié)構(gòu)相似（如圖4所示），兩者均采用圓盤形彈性平面，區(qū)別在于圓盤支撐位置[1]。碟式結(jié)構(gòu)探頭聲壓靈敏度比較高，且具有一定方向性，在實(shí)際使用中，還能通過形成多層碟式結(jié)構(gòu)而獲得性能增益。

2.3? 腔體型聲壓標(biāo)量光纖水聽器

腔體型聲壓標(biāo)量光纖水聽器（如圖5所示）采用邁克爾遜干涉儀或者法布里-珀羅干涉儀作為敏感元件，當(dāng)聲壓引起彈性腔體發(fā)生形變后，進(jìn)而影響干涉儀臂長或腔長變化[1]。

3? ?聲壓梯度式（壓差式）矢量光纖水聽器

聲壓梯度式矢量光纖水聽器是通過探測聲場中兩處或多處位置的聲壓，并利用有限差分來近似求得聲壓梯度，而聲壓梯度與質(zhì)點(diǎn)加速度之間由歐拉公式聯(lián)系起來，從而得出矢量聲場信息。受尺寸影響，此類水聽器靈敏度相對于下一節(jié)介紹的慣性式加速度傳感器來說不夠高。

聲壓梯度式結(jié)構(gòu)主要有單探頭、雙探頭、四探頭、六探頭等幾類，前兩者為一維矢量探測，后兩者為三維矢量探測。單探頭結(jié)構(gòu)利用同一干涉儀的雙臂各自探測兩處聲壓值，此時(shí)干涉儀輸出直接為聲壓差，但由于單一探頭尺寸較小且無法形成推挽結(jié)構(gòu)，其壓差靈敏度較低[7]。雙探頭結(jié)構(gòu)利用兩個(gè)分立探頭同步異點(diǎn)測量聲壓，要求探頭尺寸與間距遠(yuǎn)小于聲波尺度，此時(shí)兩者探測聲壓之差即近似為連線中點(diǎn)處的聲壓梯度值[8]。

哈工大團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種單探頭壓差式結(jié)構(gòu)（如圖6所示），該結(jié)構(gòu)通過彈性柱體與彈性盤式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提高了單探頭結(jié)構(gòu)的低頻靈敏度[9-10]。

如圖7所示，六探頭結(jié)構(gòu)利用正方體空間6個(gè)面中心位置（M1～M6）的聲壓信息計(jì)算三維聲壓梯度，四探頭結(jié)構(gòu)為前者的簡化版，利用4個(gè)頂點(diǎn)位置（T1～T4）的聲壓信息[11]。

聲壓梯度式水聽器的探頭間距選取將直接影響其性能，間距越大則水聽器對低頻信號的響應(yīng)越好，但帶寬會越窄，因此需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行權(quán)衡。需要注意的是，雙（多）探頭結(jié)構(gòu)對各聲壓探頭性能的一致性要求較高，而工程應(yīng)用中較難控制，從而限制了該型水聽器的應(yīng)用。

4? ?慣性式（同振式）矢量光纖水聽器

慣性式矢量光纖水聽器有振速型、位移型、加速度型三種。若將水聲場等效為簡諧波場，質(zhì)點(diǎn)振速、質(zhì)點(diǎn)加速度、質(zhì)點(diǎn)位移等物理量之間的微積分關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為更為直觀的線性關(guān)系。探測此類物理量時(shí)，需要將傳感器安裝在剛性的球體、圓柱體或橢球體等幾何體中。當(dāng)有聲波作用時(shí)，其封裝外殼會隨水介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)同步振動，而其內(nèi)部的慣性元件（一般為質(zhì)量塊）則保持靜止，這樣會有一個(gè)慣性力作用在外殼與慣性元件之間的傳感元件，其內(nèi)部的振動傳感器拾取相應(yīng)的聲質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動信息。該型器件是對聲波作用下質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的直接探測，統(tǒng)稱為慣性式傳感器或者同振式水聽器。

目前振速型結(jié)構(gòu)還未見報(bào)道，而位移型結(jié)構(gòu)由于振幅受限且隨頻率增加而進(jìn)一步減小，因此靈敏度一般不高。相較而言，加速度型結(jié)構(gòu)緊湊、易于拓展至三維、靈敏度最好且頻響范圍廣。

4.1? 位移型光纖矢量水聽器

位移型結(jié)構(gòu)又分為反射式結(jié)構(gòu)與磁致伸縮式結(jié)構(gòu)（如圖8所示），前者利用自由空間中的反射鏡對聲場進(jìn)行響應(yīng)，其位移改變將對光程進(jìn)行調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)聲場位移探測;后者利用磁場中的磁致伸縮材料對聲場進(jìn)行響應(yīng)，材料的伸縮變化對纏繞的光纖長度進(jìn)行調(diào)制[7]。由于此類結(jié)構(gòu)中存在自由運(yùn)動機(jī)構(gòu)，極容易導(dǎo)致信號波動，引入噪聲。

4.2? 加速度型光纖矢量水聽器

加速度型光纖矢量水聽器是研究最廣、使用最多的結(jié)構(gòu)類型，其核心特征是具有質(zhì)量塊作為慣性元件，下面介紹幾種典型結(jié)構(gòu)。

（1）光纖連接質(zhì)量塊式結(jié)構(gòu)

光纖連接質(zhì)量塊式結(jié)構(gòu)是最為簡單的原型結(jié)構(gòu)，在聲場振動影響下，質(zhì)量塊拉扯或擠壓光纖，使其長度隨振動發(fā)生改變[7]。此結(jié)構(gòu)光纖長度變化范圍十分有限且無增敏措施，因此加速度靈敏度很低，無法應(yīng)用于實(shí)際。

（2）順變柱體式（芯軸型）結(jié)構(gòu)

順變柱體式結(jié)構(gòu)利用彈性實(shí)心柱體作為增敏材料，將干涉儀的傳感臂繞制其上[7]。當(dāng)聲場振動作用于質(zhì)量塊上時(shí)，將擠壓或拉伸順變柱體，進(jìn)而引起光纖長度的改變，通過檢測光相位變化信息可得出聲場中質(zhì)點(diǎn)加速度信息。在部分文獻(xiàn)中該結(jié)構(gòu)也稱芯軸型結(jié)構(gòu)，須與芯軸型聲壓標(biāo)量水聽器作區(qū)分。

一維順變柱體式結(jié)構(gòu)按照單臂纏繞和雙臂纏繞的不同分為單臂式和推挽式（如圖9所示），兩者加速度靈敏度相等，但后者諧振頻率更高，使得頻率范圍更廣。通過共用質(zhì)量塊且正交排布3組一維推挽式結(jié)構(gòu)可得到三維結(jié)構(gòu)探頭，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊（如圖10所示）[12]。

（3）圓柱薄殼式結(jié)構(gòu)

與順變柱體式結(jié)構(gòu)類似，通過將光纖傳感臂纏繞至圓柱薄殼上，可以形成一維或三維圓柱薄殼式結(jié)構(gòu)探頭（如圖11、圖12所示）[13-14]：

（4）內(nèi)部充液式結(jié)構(gòu)

內(nèi)部充液式結(jié)構(gòu)與圓柱薄殼式結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于其薄壁圓柱腔內(nèi)充滿液體（如圖13所示）[7， 17]。由于液體相較于空氣難以壓縮，且液體自身相當(dāng)于慣性元件，因此受加速度影響時(shí)，液體會對腔體上下兩段產(chǎn)生不同的動壓力，該壓力傳導(dǎo)至光纖上時(shí)，反映為光纖長度的改變。此種結(jié)構(gòu)對薄壁腔的液體密封性能要求高，且易形變，因此使用范圍比較受限。

（5）彈性盤式（膜片式、碟式）結(jié)構(gòu)

彈性盤式結(jié)構(gòu)也稱膜片式或碟式結(jié)構(gòu)（如圖14所示），主要有兩種類型：周圍支撐式和中央支撐式，彈性盤上附有質(zhì)量塊作為慣性元件，須注意與碟式聲壓標(biāo)量水聽器作區(qū)分[14， 16-17]。聲場作用于質(zhì)量塊時(shí)將引起彈性盤的翹曲，從而改變盤繞其上的光纖長度。在各向同性聲壓影響下，光纖兩臂的變化情況一致，因此不會改變光程差，從而實(shí)現(xiàn)聲壓去敏。

相較于順變柱體式結(jié)構(gòu)，彈性盤式結(jié)構(gòu)同等尺寸下的諧振頻率更低，從而限制了頻響范圍。但是在潛艇舷側(cè)陣使用場景下，彈性盤式結(jié)構(gòu)與艇身度高而獨(dú)具優(yōu)勢。

在一維彈性盤結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，美國Hofler， Thomas J團(tuán)隊(duì)通過將多個(gè)彈性盤堆疊，形成復(fù)合型結(jié)構(gòu)（如圖14所示）[18]。另外國防科大團(tuán)隊(duì)提出矩形薄板邊緣支撐結(jié)構(gòu)（如圖15所示），長邊簡支、短邊夾支，并通過優(yōu)化薄板尺寸、材質(zhì)提高了加速度靈敏度[19]。

三維彈性盤式探頭一般由三組一維探頭正交分立構(gòu)成，相較于順便柱體與薄殼圓柱式三維探頭集成度低，體積更大。

（6）簧片式結(jié)構(gòu)

如圖16所示，簧片式結(jié)構(gòu)利用簧片作為彈性元件實(shí)現(xiàn)增敏，其質(zhì)量塊由固有質(zhì)量塊和附加質(zhì)量塊兩部分組成，可調(diào)節(jié)附加質(zhì)量塊大小來改變加速度靈敏度[11]。在聲場振動作用下，參考臂的長度隨著簧片的形變而改變，而參考臂由于橫向固定在剛性支架上，因此屏蔽了加速度的影響。此結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于無法形成推挽式結(jié)構(gòu)。

（7）光纖光柵式結(jié)構(gòu)

前述幾項(xiàng)結(jié)構(gòu)均基于干涉儀結(jié)構(gòu)，通過改變干涉臂長度而引起光相位的改變，而光纖光柵式結(jié)構(gòu)將光纖布拉格光柵（FBG， Fiber Bragg-Grating）置入彈性結(jié)構(gòu)中，通過彈性形變引起光柵長度的改變，從而引起反射波長的改變[14]。幾種常見的彈性結(jié)構(gòu)如圖17所示。

哈工大與電子科大團(tuán)隊(duì)各自在同一光纖上刻蝕兩段FBG以構(gòu)成法珀干涉腔，哈工大團(tuán)隊(duì)還通過三組法珀干涉腔共用質(zhì)量塊形成三維探頭結(jié)構(gòu)[13， 20]。質(zhì)量塊在加速度作用下拉動光纖，從而對法珀干涉腔的腔長進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生光相位變化。

（8）光纖激光式結(jié)構(gòu)

光纖激光式結(jié)構(gòu)通常呈長條狀，適合于細(xì)長型矢量水聽器陣列應(yīng)用場景。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所團(tuán)隊(duì)提出了基于半圓或V型曲折梁的分布式反饋（DFB， Distributed Feedback Laser）光纖激光式結(jié)構(gòu)（如圖18所示）[21]。受加速度影響時(shí)，曲折梁在質(zhì)量塊帶動下發(fā)生彈性形變，與之相連的光纖內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致DFB輸出波長發(fā)生改變。

此外蘭州交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)對DFB光纖激光器進(jìn)行了梭形封裝（如圖19所示），利用聚合物很好地提高了水聽器靈敏度，實(shí)現(xiàn)聲壓增敏，同時(shí)其金屬壁也對非軸向應(yīng)變干擾實(shí)現(xiàn)了去敏[22]。

4.3? 二階水聽器

哈工大團(tuán)隊(duì)利用6個(gè)三維矢量水聽器與1個(gè)聲壓標(biāo)量水聽器組合形成了二階水聽器（如圖20所示）[23]。經(jīng)分析，二階水聽器的組合指向性擁有更為銳化的指向性波束，其波束寬度和定位精度都優(yōu)于矢量水聽器。

4.4? 復(fù)合式光纖矢量水聽器

國防科大團(tuán)隊(duì)將同振式結(jié)構(gòu)與壓差式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成了復(fù)合式結(jié)構(gòu)（如圖21所示）[8]。該結(jié)構(gòu)為三維形式，其中Z軸方向?yàn)閮蓚€(gè)聲壓標(biāo)量傳感器構(gòu)成的壓差式結(jié)構(gòu)，X、Y軸采用同振式結(jié)構(gòu)。Z軸兩端部分暴露于球殼外以耦合更多聲壓信號，并且聲壓傳感器與質(zhì)量塊相隔離，X、Y軸完全封裝于球殼，共用中心質(zhì)量塊。該復(fù)合式水聽器對于單頻信號和寬頻信號均有較好的響應(yīng)。

5? ?各型結(jié)構(gòu)對比分析

聲壓水聽器探頭通過形態(tài)各異的彈性結(jié)構(gòu)將聲壓信息轉(zhuǎn)換至光纖物理量的改變，而加速度水聽器通過慣性元件與各種彈性結(jié)構(gòu)結(jié)合，將加速度信息轉(zhuǎn)換至光纖物理量的改變，兩者最終都是通過檢測光的物理量變化來獲取水聲信息。

總體而言，利用光纖干涉儀纏繞至柱體或柱筒的芯軸型結(jié)構(gòu)具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、適用于線型陣列、靈敏度較好等特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。其余結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性與適用場景也在表1中進(jìn)行了對比。受不同工藝水平、測試條件、材料選取等因素影響，不同團(tuán)隊(duì)研究的探頭結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)差異較大，因此表格中只對靈敏度指標(biāo)進(jìn)行定性對比，僅供參考。

6? ?靈敏度提高措施

6.1? 材料選取

對于芯軸型聲壓水聽器，可以通過彈性層或空氣腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增敏，增敏層一般選用的材料為聚氨酯、硅橡膠等聚合物，選取楊氏模量和泊松系數(shù)小的材質(zhì)可以提高聲壓靈敏度。而剛性骨架的材質(zhì)選擇對聲壓靈敏度影響較小，選取時(shí)主要考量其剛度即可[24]。

對于薄殼圓柱式加速度水聽器，選取楊氏模量小的材料或減小彈性筒壁厚可以提高加速度靈敏度[13]。此外，彈性筒泊松比越大加速度靈敏度越大，但考慮到彈性筒不止是一個(gè)用來纏繞光纖的增敏結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是支撐質(zhì)量的結(jié)構(gòu)件，因此選材時(shí)不宜用過軟的材料。

6.2? 光纖選取及繞制

對于芯軸型聲壓水聽器，增加繞制光纖長度可以提高聲壓靈敏度[24]。若在光纖表面再涂覆不透聲的彈性材料，彈性層在保護(hù)光纖的同時(shí)可作為光纖固有涂覆層的延伸而提高聲壓靈敏度[25]。

對于順變柱體式加速度水聽器，單層繞制情況下增加光纖長度可顯著提高加速度靈敏度，但多層繞制時(shí)，進(jìn)一步曾加光纖長度可能會降低泊松比，反而影響靈敏度的提升[15]。

此外，增加光纖長度一般將不可避免地將增大探頭尺寸，可以通過用光頻調(diào)制幅度較寬的窄線寬光源，將干涉儀臂差大大縮短，從而大幅度減短干涉儀非傳感光纖長度。采用小芯徑特種光纖作為傳感光纖，在同樣大小的彈性材料上可大大增加纏繞傳感光纖的長度和光纖層數(shù)，提高靈敏度。

6.3? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于芯軸型聲壓水聽器，增加芯軸長度可增加靈敏度，若在結(jié)構(gòu)尺寸受限情況下，提高彈性層與剛性支架的厚度之比也可提高聲壓靈敏度[24]。

對于薄壁圓柱殼型加速度水聽器，增加慣性元件質(zhì)量、減小彈性筒外半徑可提高加速度靈敏度。此外，在有限尺寸的球殼內(nèi)，彈性筒長度和質(zhì)量塊體積相互制約。采用密度大、伸縮小的金屬來制作質(zhì)量塊，可在不影響整體尺寸之下，增加彈性筒長度，即增加傳感光纖長度，提高加速度靈敏度。

7? ?結(jié)束語

作為水聲探測系統(tǒng)的核心器件，水聽器探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。利用慣性元件與光纖干涉儀、光纖光柵等光纖器件構(gòu)成的慣性式加速度傳感器在矢量水聲探測中應(yīng)用最為廣泛。提高探頭靈敏度可以從材料選取、光纖選取及繞制方式、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方面入手。上述對比分析為今后小型化、高靈敏度探頭設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值。

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