一维光纤矢量水听器结构的制作方法

1.本发明涉及海洋观测的光纤传感技术领域，具体地，涉及一种一维光纤矢量水听器结构。


背景技术：

2.光纤标量水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。强度调制型光纤标量水听器定义为：利用外界因素引起光纤中光强的变化来探测外界物理且及其变化量的光纤传感器。被测物理量作用于光纤(接触或非接触)，使光纤中传输的光信号的强度发生变化，检测出光信号强度的变化量即可实现对被测物理量的测量，是一种标量的水声信号传感器。
3.光纤矢量水听器是用光纤作为传感介质的一种新型的水声矢量信号传感器，它通常由标量传感器构成的加速度矢量传感器，因此它能获得水声场的加速度信号，进而可以得到水声场的其它矢量信息，包括能量的传播方向、加速度信号、声信号的传播方向等矢量信息。
4.信号检测方案为pgc解调，pgc方法的基本思想是通过在干涉仪输出相位中生成一个相位载波，使输出信号可以分解为两个正交分量，通过对二者分别处理，得到信号的线性表达式。一种为基于dcm的pgc解调技术，另一种为基于反正切pgc 算法原理。
5.现有的干涉型光纤矢量水听器，一般由一个球型同振型三维光纤矢量水听器和一个标准光纤水听器搭配组合而成。存在着占用体积大，组装困难，系统复杂，同步采集要求高等缺点，限制了光纤矢量水听器小型化和大规模生产，成本降低的工程应用。
6.公开号为cn207570662u的专利文献公开了一种三维压差式光纤矢量水听器，包括底座、支柱、6个光纤水听器、水听器安装板、水听器固定件、水听器z轴固定件和盖板，所述底座包括底座、预留光纤出入口、底座盖板，所述支柱由3类支柱构成，1号支柱贯穿水听器安装板，2号支柱与3号支柱共同支撑水听器安装板，所有支柱最终与底座、盖板连接形成支柱框架；光纤水听器与水听器固定件及水听器安装板固定安装。本实用新型的三维压差式光纤矢量水听器结构合理，制作工艺简单，可靠性高。但是该专利文献仍然存在着占用体积大，组装困难，系统复杂，同步采集要求高等缺陷。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种一维光纤矢量水听器结构。
8.根据本发明提供的一种一维光纤矢量水听器结构，包括窄线宽光源、信号发声器、分光耦合器、一维光纤矢量水听器结构探头以及采集与解调组件；
9.所述窄线宽光源的光学输出端与所述分光耦合器的输入端相连，所述窄线宽光源的电学输入口与所述信号发声器的输出口相连；
10.所述分光耦合器的输出端与所述一维光纤矢量水听器结构探头的输入端相连，所述分光耦合器的输出端与所述采集与解调组件相连；
11.所述一维光纤矢量水听器结构探头的输出端与所述采集与解调组件相连；
12.所述采集与解调组件用于信号的采集与检测。
13.优选的，所述分光耦合器为:分光耦合器。
14.优选的，所述分光耦合器的输出端通过多模传感光纤与所述采集与解调组件相连。
15.优选的，一维光纤矢量水听器结构探头包括光纤标量水听器和一维同振式光纤矢量水听器结构；
16.所述一维同振式光纤矢量水听器结构设置在所述光纤标量水听器的内部，所述光纤标量水听器与所述分光耦合器、所述采集与解调组件相连。
17.优选的，所述光纤标量水听器包括外筒和多模传感光纤；
18.所述多模传感光纤绕制于所述外筒上，所述多模传感光纤的两端分别连接所述分光耦合器和所述采集与解调组件；
19.所述一维同振式光纤矢量水听器结构位于所述外筒内。
20.优选的，所述外筒上设置有螺纹谷，所述多模传感光纤绕制在所述螺纹谷内。
21.优选的，所述螺纹谷内设置有纵向槽，所述纵向槽用于限位固定所述多模传感光纤。
22.优选的，所述螺纹谷内设置有螺纹，所述螺纹用于增大所述多模传感光纤与所述螺纹谷内侧壁的摩擦力。
23.优选的，所述一维同振式光纤矢量水听器结构包括第一弹性筒、第二弹性筒及质量块；
24.所述第一弹性筒和所述第二弹性筒分别连接设置在所述质量块的两侧，所述第一弹性筒远离所述质量块的一端连接设置在所述光纤标量水听器的内侧壁上，所述第二弹性筒远离所述质量块的一端连接设置在所述光纤标量水听器的内侧壁上。
25.优选的，所述分光耦合器的尺寸为20mmx2mm。
26.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
27.1、本发明的长度实际下限可短至20mm左右，可以根据工程环境需要，设计小型化，高灵敏度的一维同振式光纤矢量水听器，为小型化发展提供依据；
28.2、本发明核心光学部件就是一条多模光纤，一个光纤干涉仪，结构简单，核心器件少，系统简易稳定，组装加工方便，非常适合工程化大量生产制备任务；
29.3、本发明可以小型化，拓宽了一维矢量水听器的工作频带；
30.4、本发明技术简单，易于推广应用。
附图说明
31.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
32.图1为本发明的一维光纤矢量水听器结构的系统光路示意图；
33.图2为本发明的一维光纤矢量水听器结构探头的结构示意图；
34.图3为本发明的一维光纤矢量水听器结构的内部光路连接示意图；
35.图4为本发明的一维光纤矢量水听器结构的系统解调算法示意图；
36.图5为本发明的一维光纤矢量水听器结构的探测信号频率和加速度灵敏度的关系示意图；
37.图6为michelson光纤干涉仪原理结构示意图。
38.图中示出：
39.窄线宽光源1
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多模传感光纤4012
40.信号发声器2
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一维同振式光纤矢量水听器结构402
41.分光耦合器3
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第一弹性筒4021
42.一维光纤矢量水听器结构探头4
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第二弹性筒4022
43.光纤标量水听器401
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质量块4023
44.外筒4011
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采集与解调组件5
具体实施方式
45.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
46.实施例1：
47.如图1～5所示，本实施例提供的一种一维光纤矢量水听器结构，包括窄线宽光源 1、信号发声器2、分光耦合器3、一维光纤矢量水听器结构探头4以及采集与解调组件 5，窄线宽光源1的光学输出端与分光耦合器3的输入端相连，窄线宽光源1的电学输入口与信号发声器2的输出口相连，分光耦合器3的输出端与一维光纤矢量水听器结构探头4的输入端相连，分光耦合器3的输出端与采集与解调组件5相连，一维光纤矢量水听器结构探头4的输出端与采集与解调组件5相连，采集与解调组件5用于信号的采集与检测。分光耦合器3为50:50分光耦合器。分光耦合器3的输出端通过多模传感光纤4012与采集与解调组件5相连。分光耦合器3的尺寸为20mmx2mm。
48.一维光纤矢量水听器结构探头4包括光纤标量水听器401和一维同振式光纤矢量水听器结构402，一维同振式光纤矢量水听器结构402设置在光纤标量水听器401的内部，光纤标量水听器401与分光耦合器3、采集与解调组件5相连。光纤标量水听器401包括外筒4011和多模传感光纤4012，多模传感光纤4012绕制于外筒4011上，多模传感光纤4012的两端分别连接分光耦合器3和采集与解调组件5，一维同振式光纤矢量水听器结构402位于外筒4011内，外筒4011上设置有螺纹谷，多模传感光纤4012绕制在螺纹谷内，螺纹谷内设置有纵向槽，纵向槽用于限位固定多模传感光纤4012，螺纹谷内设置有螺纹，螺纹用于增大多模传感光纤4012与螺纹谷内侧壁的摩擦力。一维同振式光纤矢量水听器结构402包括第一弹性筒4021、第二弹性筒4022及质量块4023，第一弹性筒4021和第二弹性筒4022分别连接设置在质量块4023的两侧，第一弹性筒 4021远离质量块4023的一端连接设置在光纤标量水听器401的内侧壁上，第二弹性筒 4022远离质量块4023的一端连接设置在光纤标量水听器401的内侧壁上。
49.实施例2：
50.本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
51.为了解决工程化应用，克服现有光纤矢量水听器制备复杂的困难，充分简化光纤矢量水听器结构，方便加工制备，简化系统且保持小型化，高灵敏度等特点，
52.如图1～5所示，本实施例提出一种内部是一维同振式光纤矢量水听器和外部是强度型光纤水听器的光纤矢量水听器结构，这样的一个结构，可以根据工程环境需要，设计小型化，高灵敏度的一维同振式光纤矢量水听器，一维同振式光纤矢量水听器大大降低了光纤干涉仪传感臂的缠绕工作的复杂度，大大提升了制备成功率和稳定性，减少了制备时间，非常适合工程化大量生产制备任务。外部为强度性光纤水听器，拓宽了强度性光纤水听器的工作频带。这种结构也简化了系统复杂度，减少了系统器件数量，有利于系统稳定。
53.本实施例采用的技术方案是：
54.一维光纤矢量水听器新结构系统，包括窄线宽光源1、信号发声器2、50:50分光耦合器、一维光纤矢量水听器新结构探头4以及采集与解调系统。
55.内置有光隔离器的窄线宽光源1的光学输出端与50:50分光耦合器相连，窄线宽光源1的电学输入口与信号发声器2的输出口相连，50:50分光耦合器的输入端a与窄线宽光源1的输出端相连，分光耦合器3的输出端b通过法兰盘与一维光纤矢量水听器结构探头4的输入端相连。分光耦合器3的输出端d与多模传感光纤相连，多模传感光纤沿着外筒表面的纹路槽缠绕，输出端与采集与解调系统5内部的光电探测器pin相连。采集与解调系统5与分光耦合器3的输出端b相连作为信号采集与检测的仪器。
56.一维光纤矢量水听器结构探头4外部是：基于多模传感光纤绕制的强度型光纤标量水听器401，一种改进型的微弯型水听器结构，如图2所示，本实施例中的外筒4011 是开有纵向凹槽且表面为螺纹槽的铝管。带有橡皮外套的多模传感光纤8被绕制于开有纵向槽并且带螺纹的铝管螺纹谷内，纵向槽绕装光纤部分接收橡皮外套(增敏)传递来的外部声压而产生变形，光纤的其他部分则被铝管的螺纹槽固定没有变形，光纤的橡皮套将不承受压力，这样在水声压力的作用下，铝管开槽处光纤产生微弯形变，增加包层散射模的功率，纤芯中的传导模功率则减小。
57.一维光纤矢量水听器结构探头4内部是：一维同振式光纤矢量水听器结构402，包含弹性筒和质量块，置于外筒内部。一维光纤矢量水听器结构探头4的大小的下限主要因素是组装部件一个光纤干涉仪，它的耦合器大小直接限制了探头的大小。本实施例采用的光纤干涉仪耦合器尺寸为20mmx2mm，尺寸较小。
58.本实施例提出外部为光纤标量水听器，内部为一维光纤矢量水听器组合的一维光纤矢量水听器新结构。新结构长度实际下限可短至20mm左右，可以根据工程环境需要，设计小型化，高灵敏度的一维同振式光纤矢量水听器，为小型化发展提供依据。新结构核心光学部件就是一条多模光纤，一个光纤干涉仪，结构简单，核心器件少，系统简易稳定，组装加工方便，非常适合工程化大量生产制备任务。再者，由于新结构可以小型化，理论上就拓宽了一维矢量水听器的工作频带，强度型光纤水听器本身宽带较大，故新结构总体上拓宽了工作频率。新结构的技术简单，易于推广应用。
59.实施例3：
60.本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
61.如图1～5所示，一维光纤矢量水听器新结构系统，包括窄线宽光源1、信号发声器 2、50:50分光耦合器、一维光纤矢量水听器结构探头4及采集与解调系统。
62.本实施例的工作方式为：信号发声器2产生载波信号至窄线宽光源1的pzt，内置了光隔离器的窄线宽光源1产生了带有载波的激光信号，如20khz载波，波长为1550nm 的连续光。50:50分光耦合器是2x2的共abcd四路输入输出口，激光通过分光耦合器3 输入口a将连续光分化1:1的激光，一路通过c口传输至一维光纤矢量水听器，当探测到水声场信号后，光信号通过光纤干涉仪返回到分光耦合器3的输出口b，进入采集与解调系统，最终解调出被探测声场的各种未知量。分光耦合器3的另一路通过输出口d 传输至多模传感光纤，多模光纤被绕制于开有纵向槽并且带螺纹的铝管螺纹谷内，多模光纤尾部接入采集与解调系统中的光电探测器pin，这样在水声压力的作用下，可探测到光纤芯中的传导模功率的变化，最终得到水声信号压力。
63.内部，一维同振传感器的工作原理是：光纤michelson干涉仪的两个臂分别缠绕在空气腔圆柱壳弹性体的外侧，质量块粘结在对称的两个弹性体中间，初始状态下，重物块的重力、弹性体的弹性回复力和光纤预张力相互作用，使弹性体处于平衡状态。当传感头受到该方向上的加速度a作用时，质量块由于惯性作用对两个弹性体分别产生了拉伸和压缩力，导致壳体径向上的膨胀和收缩，从而引起缠绕的光纤一个臂伸长另一个臂缩短，得到推挽输出。
64.外部，强度型光纤水听器的工作原理：基于光纤微弯效应的水听器都是用多模光纤制成的，一种强度型水听器结构如图2所示，多模光纤被绕制于开有纵向槽并且带螺纹的铝管螺纹谷内，纵向槽绕装光纤部分接收橡皮外套(增敏)传递来的外部声压而产生变形，光纤的其他部分则被铝管的螺纹槽固定没有变形，光纤的橡皮套将不承受压力，这样在水声压力的作用下，铝管开槽处光纤产生微弯形变，增加包层散射模的功率，纤芯中的传导模功率则减小。通过探测光功率的变化，可以得到水声信号的压力值。
65.如图6所示，解调算法的基本工作原理是：光纤传感器采用于2
×
2耦合器的麦克尔逊型结构，基本原理为双光束干涉，图6所示为michelson光纤干涉仪原理结构示意图。由激光器发出的相干光经光隔离器后，由耦合器分光，一分为二分别进入即干涉仪的两臂，传感臂和参考臂。光信号被传感臂和参考臂末端的反射镜反射，在耦合器的输出端发生干涉。干涉光信号的相位项为两臂中传输光的相位之差。在光纤水听器的结构设计中，将传感臂与声敏感弹性材料结合，实现传感臂中传输光相位对水声信号的敏感，而参考臂中传输光相位对水声信号的不敏感。
66.解调算法的基本思想是通过在干涉仪输出相位中生成一个相位载波，使输出信号可以分解为两个正交分量，通过对二者分别处理，得到信号的线性表达式。
67.光纤水听器经过载波相位调制后输出的干涉信号i为:
[0068][0069]
其中，其中，a是输入光强，与干涉仪输入光强、偏振器、耦合器插入损耗有关的直流项；干涉信号幅值b＝ka，k《1(k为干涉条纹相干度)，与光纤干涉仪输入光强、耦合器的耦合比、干涉仪的消光比、反射端面损耗等有关。c是调制深度，通常采用压电陶瓷pzt直接调制光源频率来实现；ωc是相位载波的频率，ccosωct是由载波相位调制产生，表示外界环境产生的相位差、初始相位差及其他因素导致的相位差之和，由作用在传感臂上的声压信号产生且与待测的声压信号成正比。干涉仪中存在一不确定的初始相位，但这并
不影响对于动态的水声信号的幅度和频率信息的提取。
[0070]
设对上式进行贝塞尔展开得到：
[0071][0072]
上式中，jk(c)表示x＝c时的贝塞尔函数值。表示当k＝1，2，3 直到无穷大时，(-1)
kj2k
(c)的每一个值累加后所得值。
[0073]
干涉信号i乘以cosωct并经过低通滤波器后得到：
[0074]-bj1(c)sinφ(t)
[0075]
干涉信号i乘以cos2ωct并经过低通滤波器后得到：
[0076]-bj2(c)cosφ(t)
[0077]
基于反正切运算的算法原理框图如图4所示，将滤波后得到的以上两式相除得：
[0078][0079]
通过确定c的值可以得到j1(c)/j2(c)，从而计算出待解调信号的正切值(tanφ(t))，通过反正切运算，即可得到待测信号φ(t)。通过周期扩展可将双值反正切的值域[0,2π] 扩展到很大的范围。反正切的运算可通过查找表来实现。
[0080]
抗冲击性能分析，由于一维光纤矢量水听器新结构内部是同振式矢量水听器结构，同振式结构本身具有很好的抗冲击性，即在水中物理碰撞和物理冲击下，也能较好保持自身球体物理结构不损坏。这种形式的组合就自然也具备抗冲击性能，故大大提高系统对抗冲击的性能，且能测声压梯度。在探测水声标量和矢量信息时，这种结构的小型化设计使得水声探测的工作频带整体被拓宽。
[0081]
本发明结构简易、生产方便、成本低廉，功能齐全。
[0082]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0083]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。