一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法与流程

本发明属于水声光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法。

背景技术：

矢量水听器通常由三维的加速度传感器和声压水听器组成，可同步获得水下声场中的矢量和标量信息，具有抑制各向同性噪声、消除左右舷模糊等优势。采用有源相移型掺铒光纤光栅(以下简称有源光纤光栅)作为传感元件具有抗干扰能力强、湿端无需供电、易于大规模组网等诸多优点。所以，以有源光纤光栅直接作为传感元件的三维矢量水听器，已经成为新一代水声探测技术和装备的重要发展方向之一。

有源光纤光栅矢量水听器的核心传感元件是λ/4相移型掺铒光纤光栅构成的分布反馈式光纤激光器。由于该有源相移光纤光栅在其反射峰1550nm处存在一个线宽为兆赫兹量级的窄带透射峰，由这种相移光栅构成的分布反馈式激光谐振腔将输出窄线宽的激光振荡。由于该窄线宽激光具有极长的相干长度，可使解调干涉仪在较大的光程差下仍保持良好的信噪比。同时，有源光纤光栅通过时分复用和波分复用技术，可实现一根光纤复用多个基元进行传感。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法，具有低频、高灵敏度、耐压等优点，为水下监测系统、水声声纳装备和水下信息网等领域提供重要的技术基础。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，包括光纤光栅加速度传感单元、质量块、水听器外壳，所述的水听器外壳内通过三维正交方式固定有六根光纤光栅加速度传感单元，各维上的光纤光栅加速度传感单元以端盖通过固定环固定在水听器外壳壁上；所述的质量块一个空心的、六面分别开设有六个通孔的质量块，并位于水听器外壳的中心，各个光纤光栅加速度传感单元以出纤骨架端的有源光纤光栅从质量块的通孔引出；所述的水听器外壳采用硬铝材料制作而成，水听器外壳的接缝处采用O型圈密封，并以光单元从水听器出纤。

作为优选，所述的光纤光栅加速度传感单元由端盖、敏感壳体、出纤骨架、有源光纤光栅组成，其中端盖、出纤骨架制造所用材料为金属材料，敏感壳体制造所用材料为有机材料，有源光纤光栅的两端分别固定在端盖和出纤骨架的相应粘接结构上，在该出纤骨架端面上设有以松护套和出纤保护套进行保护的出纤处。

一种利用如上述的三维矢量水听器的相位解调方法，该方法包括如下：980nm的泵浦源发出抽运光，经过隔离器，再经过980/1550波分复用器的980nm端口输入光纤光栅加速度传感单元内的有源光纤光栅，该光纤光栅加速度传感单元内的有源光纤光栅经抽运后产生1550nm的窄线宽激光，沿后向传输回到波分复用器，通过波分复用器的1550nm端口进入隔离器，再经过掺铒光纤放大器进入非平衡的迈克尔逊干涉仪，干涉仪由一个2×2耦合器，延时光纤，两个法拉第旋转镜组成，最后进入光电探测器，通过PGC方法解调出光信号中的相位变化，进而可得引起有源光纤光栅应变的声信号。

本发明的有益效果为：1)、采用该方案的矢量水听器具有低频灵敏度高的特点，水听器在100Hz时轴向的加速度灵敏度大于40dB ref.1rad/g，折合到100Hz时的等效声压灵敏度为-165dB ref.1rad/uPa；2)、实现三维的矢量探测，可采用时分复用技术联合有源光纤光栅声压水听器使用；3)、采用金属外壳和水密处理，水听器具有耐压、耐海水腐蚀等特点，可靠性高。

附图说明

图1是本发明的有源光纤光栅加速度传感单元结构图。

图2是本发明的有源光纤光栅矢量水听器结构图。

图3是本发明的有源光纤光栅相位解调系统方案图。

附图中的标号分别为：10、敏感壳体；11、出纤骨架；12、端盖；13、质量块；14、固定环；15、O型圈；16、水听器外壳；17、光单元；18、有源光纤光栅；19、出纤处；20、泵浦源；21、隔离器；22、波分复用；23、光纤光栅加速度传感单元；24、光纤放大器；25、耦合器；26、延时光纤；27、法拉第旋转镜；28、光电探测器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图1、2所示，本发明包括光纤光栅加速度传感单元23、质量块13、水听器外壳16，所述的水听器外壳16内通过三维正交方式固定有六根光纤光栅加速度传感单元23，各维上的光纤光栅加速度传感单元23以端盖12通过固定环14固定在水听器外壳16壁上；所述的质量块13一个空心的、六面分别开设有六个通孔的质量块，并位于水听器外壳16的中心，各个光纤光栅加速度传感单元23以出纤骨架11端的有源光纤光栅18从质量块13的通孔引出；在轴向加速度作用下，两边的敏感壳体10将交替发生对称的拉伸和压缩形变，带动有源光纤光栅产生应变，从而改变其输出光的波长。所述的水听器外壳16采用硬铝材料制作而成，水听器外壳16的接缝处采用O型圈15密封，并以光单元17从水听器出纤。

所述的光纤光栅加速度传感单元23由端盖12、敏感壳体10、出纤骨架11、有源光纤光栅18组成，其中端盖12、出纤骨架11制造所用材料为金属材料，敏感壳体10制造所用材料为有机材料，通过在振动方向作用下敏感壳体10产生轴向的形变，引起有源光纤光栅18发生应变从而进行传感，有源光纤光栅18的两端分别固定在端盖12和出纤骨架11的相应粘接结构上，在该出纤骨架11端面上设有以松护套和出纤保护套进行保护的出纤处19。

如附图3所示，本发明的三维矢量水听器的相位解调方法包括如下：980nm的泵浦源20发出抽运光，经过隔离器21，再经过980/1550波分复用器22的980nm端口输入光纤光栅加速度传感单元23内的有源光纤光栅18，该光纤光栅加速度传感单元23内的有源光纤光栅18经抽运后产生1550nm的窄线宽激光，沿后向传输回到波分复用器22，通过波分复用器22的1550nm端口进入隔离器21，再经过掺铒光纤放大器24进入非平衡的迈克尔逊干涉仪，干涉仪由一个2×2耦合器25，延时光纤26，两个法拉第旋转镜27组成，最后进入光电探测器28，通过PGC方法解调出光信号中的相位变化，进而可得引起有源光纤光栅应变的声信号。光相位变化与光纤光栅应变的关系可表示为：

Δφ(λ_B)＝4.9ndε/λ_B

由公式可知，有源光纤光栅传感系统的灵敏度与轴向应变大小ε、非平衡干涉仪的光程差nd均成正比。

本发明的三维矢量水听器的研制过程如下：

(1)首先，将有源光纤光栅18穿过端盖12，栅区的一端置于端盖12的粘接点上，点热固化胶加热固定，将端盖12与敏感壳体10、敏感壳体10与出纤骨架11用环氧胶粘接并拧紧固定，有源光纤光栅18的另一端从出纤骨架11中引出。

(2)待环氧胶固化后，将光纤光栅加速度传感单元23置于加热夹具上，利用手动平移台给有源光纤光栅18施加预拉力；施加预拉力后，再将有源光纤光栅18的另一端点热固化胶粘接于出纤骨架11粘接处，尾纤以0.6mm松护套和出纤保护套进行保护处理。

(3)将测试后性能良好的光纤光栅加速度传感单元23用环氧胶粘接固定于质量块13上，尾纤从质量块13中引出，将三维传感器结构封装于水听器外壳16内，水听器外壳16接缝处均采用O型圈15方式水密处理，以光单元17从水听器中出纤。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。