水聲傳感器簡稱水聽器，是在水中偵聽聲場信號的儀器。它作為反潛聲納的核心部件，在軍事領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用；在工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域，也有著廣泛的用途，如用于海洋石油和天然氣的勘探、地震波探測、水聲物理研究以及海洋漁業(yè)等。

光纖水聽器是復(fù)雜的光、機、電一體化傳感器，其在各種聲納應(yīng)用中的潛能已被認(rèn)識到，而且它已達到可與壓電水聽器相媲美的地步，其最大特點是具有足夠高的聲壓靈敏度，通常比壓電陶瓷水聽器高3個數(shù)量級?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多種不同的光纖水聽器，如強度調(diào)制型、偏振調(diào)制型和相位調(diào)制型等。相位調(diào)制型光纖水聽器關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟,在部分領(lǐng)域已經(jīng)形成產(chǎn)品。

在新型光纖水聽器中，以光纖光柵或光纖光柵激光器作為傳感元件水聽器的研制業(yè)已開始。大量研究工作表明，采用光纖光柵研制的水聽器相對于干涉型水聽器，具有如下優(yōu)點：(1) 光纖光柵水聽器是波長檢測型器件，波長在傳輸過程中是絕對不變的，水聽器的可靠性和穩(wěn)定性更容易得到保證；(2)光纖光柵本身或光纖光柵激光器本身尺寸小，很容易做成點式水聽器來使用；(3)基于波分復(fù)用技術(shù)(WDM)更容易組成水聽器陣列；(4)通過光纖光柵水聽器探頭結(jié)構(gòu)增敏，并配以高分辨率波長檢測技術(shù)，特別是采用光纖光柵激光器這種信噪比極高的波長選擇性器件可以達到極高的靈敏度。所以，光纖光柵水聽器或光纖光柵激光器有比干涉型水聽器更為優(yōu)越的性能，是光纖水聽器的一個重要發(fā)展方向。

光纖光柵直接測量水聲

式中I_in與λ_in為射入光纖光柵的光的強度及波長。當(dāng)傳感光柵置于水中聲場時，在水聲壓的作用下，光纖光柵軸向長度和纖芯折射率將發(fā)生相應(yīng)變化，使得光纖光柵反射光中心波長發(fā)生偏移。偏移量正比于外界水聲壓。

若光纖光柵周圍的水聲壓為p(p=p_Asinω_At，p_A和ω_A分別表示聲壓的幅度和頻率)，考慮到外界聲壓對光纖光柵透射光強度的影響很小^[95]，則透射光強可表示為

圖4.125為當(dāng)外界聲壓從120變化至200dB re 1μPa時，光纖光柵水聽器所監(jiān)測到的信號變化情況。其中，聲音頻率為20kHz；輸出功率和LD的輸出波長分別為3mW和1549.0nm；利用8103型B&K壓電水聽器作為水聲壓參考傳感器。光纖光柵水聽器所測信號的線性擬和度達到了99%，動態(tài)范圍超過了70的dB。

圖4.126為不同聲音頻率輸入下光纖光柵水聽器和壓電水聽器的瞬時響應(yīng)。圖中，上部為光纖光柵水聽器輸出信號，下部為作為參考傳感器的壓電水聽器的輸出信號。圖4.126 (a)中聲音頻率為20kHz連續(xù)波；圖4.126 (b)的聲音信號為1MHz脈沖波；圖4.126 (c)為3MHz的脈沖聲音信號。使用電子示波器監(jiān)測水聽器的輸出信號。從圖中可以看出，波形非常穩(wěn)定，時域上沒有明顯波動。

圖4.127為光纖光柵水聽器的信號輸出與聲壓頻率的關(guān)系圖。其中，LD的輸出光功率和外界聲壓分別穩(wěn)定在3mW和180dB re 1μPa。圖中的y軸為光纖光柵水聽器的輸出信號與壓電水聽器的輸出信號歸一化處理結(jié)果。從圖中可以看出，盡管有一些波動，測量結(jié)果基本趨于平坦。由于實驗所用容器較小，很難消除壁面的反射波，所以在容器中易出現(xiàn)駐波。聲波頻率的變化將改變?nèi)萜鲀?nèi)的聲場，致使傳感器的測量出現(xiàn)誤差。如果在消聲水池中做光纖光柵水聽器的標(biāo)定試驗，將會提高標(biāo)定實驗的準(zhǔn)確性。

 平面型光纖光柵水聽器

本節(jié)介紹了一種平面圓形薄板結(jié)構(gòu)的平面型光纖光柵水聽器探頭實現(xiàn)方法^[96]，從理論和實驗上研究了傳感器的結(jié)構(gòu)增敏能力、動態(tài)頻率響應(yīng)特性以及加速度響應(yīng)特性和多路復(fù)用問題，這些特性對于水聽器探頭都是至關(guān)重要的。

1.  工作原理和傳感頭結(jié)構(gòu)、制作、工藝技術(shù)

聲壓測量原理：通過一平面圓形薄板將動態(tài)壓力直接轉(zhuǎn)換為光纖光柵的軸向動態(tài)應(yīng)變，由于光纖光柵受到拉伸以及本身的彈光效應(yīng)，再轉(zhuǎn)化為光纖光柵中心反射波長的動態(tài)變化，水聽器探頭結(jié)構(gòu)如圖4.128所示。

加速度響應(yīng)特性：由于敏感膜片和光纖質(zhì)量很小，所以，探頭的加速度響應(yīng)輸出不會很大。為了盡可能降低該探頭的加速度響應(yīng)特性，在滿足安裝要求的前提下，盡可能降低敏感膜片中央硬心以及與之連接安裝不銹鋼管的質(zhì)量.

圓柱型殼體為整個探頭結(jié)構(gòu)的支撐體。薄板和硬心選用不銹鋼材料，用線切割技術(shù)加工而成；同樣，用線切割方法在其中心加工一直徑為1mm的微孔，二者用精密夾具定位，使兩中心微孔精確對準(zhǔn)，用激光點射技術(shù)在硬心邊緣焊接一圈，使之與平面薄板連為一體。然后，將側(cè)面開孔直徑為1 mm的不銹鋼管穿過薄板和硬心中央的重合微孔，同樣用激光焊接技術(shù)將該不銹鋼管焊接在硬心上。傳感光纖光柵兩端分別用直徑為0.25mm的毛細不銹鋼管保護，它們之間為光纖的有效工作長度L，其最短距離由光柵長度決定，一般為8mm。其中，一端穿過和硬心連為一體側(cè)面開孔直徑為1 mm的不銹鋼管，注意：將光纖該端彎曲從該管側(cè)面開孔引出，并用激光點焊技術(shù)將光纖保護不銹鋼管與硬心的不銹鋼管焊接在一起。這樣，傳感FBG一端就與不銹鋼管連為一體，固定在平面薄板的中央。然后，將該平面薄板同樣用激光點焊技術(shù)焊接在圓柱型殼體上。同時，從開孔不銹鋼管引出的光纖，轉(zhuǎn)90°或更大的角度，從傳感器殼體側(cè)面引出。注意：此段光纖應(yīng)處于松弛狀態(tài)。光纖另一端，通過直徑為1mm不銹鋼管保護，穿過殼體端蓋頂部直徑為1mm的微孔，用螺釘固定在殼體上。在擰緊固定螺釘之前，給傳感光纖一個張力，使傳感光纖光柵在不受壓力作用時處于張緊拉伸狀態(tài)。當(dāng)薄板受到垂直于薄板的壓力作用時，薄板中心將在動態(tài)壓力作用下沿著自身法線方向振動，這樣就帶動傳感光纖光柵也沿自身軸向做伸縮振動，傳感光纖光柵的中心反射波長就受到動態(tài)調(diào)制，這就是該平面型光纖光柵水聽器的工作原理。

1.  理論分析

2.1探頭結(jié)構(gòu)靈敏度分析

圖4.129給出該探頭結(jié)構(gòu)的受力彈性形變示意圖。先推導(dǎo)附加硬心平面薄板在整個板受均布壓力載荷作用以及中央硬心單獨受均布壓力載荷作用時，其中央硬心撓度變化表達式。設(shè)薄板和硬心的密度為ρ_p,彈性模量為E_p，泊松比為μ_p。其中，薄板的半徑為R，厚度為h，中央硬心的半徑為r₀，厚度為d。薄板的柱面抗撓度為

1.  實驗

實驗選用光纖光柵參數(shù)如下：光柵長度為8 mm，中心波長為1298.50 nm，3 dB帶寬為0.25nm，邊模抑制比為15 dB。平面圓形薄板半徑R=7.5 mm，厚度h=0.15 mm，硬心半徑r₀=2.5 mm，厚度d=0.5 mm，安裝不銹鋼管的質(zhì)量m_b=15mg。光纖光柵有效工作長度為to=10 mm。按照所述工藝流程制作傳感器，最后，光纖FBG預(yù)拉伸至1300.50nm。

由上的理論分析可知：水聽器的諧振頻率為6.2 kHz，靈敏度為28 fm/Pa，加速度響應(yīng)靈敏度為80.6(fm·s²/m)。

3.1接收靈敏度頻率響應(yīng)實驗

靈敏度實驗分兩個頻段進行：100~2000 Hz，采用振動液柱法；200~10,000 Hz在消聲水池，各自進行比對測量。

標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器為B&K Hydrophone Type 8103，靈敏度為-211dB(re 1V/Pa)，電荷靈敏度99×10^-3(pC/Pa)；光纖光柵動態(tài)波長解調(diào)儀波長跟蹤范圍為1298.5至1308.5 nm，帶寬為100}10,D00Hz，將光源更換為輸出功率高達10mW的ASE源，將可調(diào)諧濾波器更換為Chameleon Thin film可調(diào)諧濾波器，波長檢測分辨率為D.004 fm/Hz1}2。利用振動液柱法和消聲水池，以100 Hz的頻率間隔，采用FBG水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器對比的方法測出所研制FBG水聽器的在(10010,000 Hz)頻率范圍內(nèi)靈敏度響應(yīng)特性曲線，如圖4.130所示。

可見，水聽器諧振頻率為6.5 kHz與理論計算結(jié)果(6.2 kHz)相差無幾，且在(100~500) Hz頻率范圍內(nèi)，幅度響應(yīng)較為平坦，起伏小于3 dB。

3.2靈敏度實驗

FBG動態(tài)波長解調(diào)器如上所述，靈敏度為1.2 V/pm分別對4.7 kHz和2.5 kHz兩個頻率點進行測試，結(jié)果如圖4.131和圖4.132所示。通過最小二乘法擬合，可得靈敏度分別為24.0(mV/Pa)和27.6(mV/Pa)，對解調(diào)儀靈敏度進行歸一化處理，可得兩個頻率點傳感器的靈敏度分別為20(frn/Pa)和23(fm/Pa)，與理論分析28(fm/Pa)相近。

聲壓最小分辨率實驗

在幅一頻特性較為平坦的幾個頻率點上：2.5 kHz，3.7 kHz和4.7 kHz，調(diào)整聲信號發(fā)射機面板驅(qū)動電壓，以逐漸改變消聲水池中聲壓的強度。面板電壓從0.5V開始逐漸減小，壓電標(biāo)準(zhǔn)水聽器和自制FBG水聽器都有穩(wěn)定的輸出。當(dāng)面板電壓減小至最小值0.001 V時，柱狀換能器的驅(qū)動電壓為1.04 V，壓電標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出信號幅度為0.68 mV，噪聲電平為0.19 mV，信噪比為3.5，對應(yīng)該點聲場聲壓為0.136 Pa；而自制光纖FBG水聽器輸出為5.31 mV,噪聲電平為0.78 mV，信噪比為6.8，表明FBG水聽器最小可探測聲壓分辨率大于0.136 Pa。

光纖FBG水聽器最小可探測聲壓靈敏度，一是由探頭的結(jié)構(gòu)靈敏度決定；二是由光纖FBG解調(diào)儀的波長可檢測分辨率決定。進一步增大光源功率以及更換邊緣更陡的濾波器，可提高解調(diào)儀的波長可檢測分辨率，進而提高系統(tǒng)的聲壓分辨率；采用FBG激光邊波法或干涉式FBG動態(tài)波長解調(diào)技術(shù)，同樣可提高系統(tǒng)的聲壓分辨率；在探頭結(jié)構(gòu)不變的前提下，采用光纖FBG激光敏感腔代替現(xiàn)有的敏感FBG，可提高系統(tǒng)聲壓分辨率。光纖FBG激光器本身具有很高的信噪比，其激光反射譜線極窄，可以采用不平衡長度相當(dāng)長的M-Z干涉儀進行解調(diào)，將獲得相當(dāng)高的(系統(tǒng))聲壓可探測分辨率。

3.4加速度響應(yīng)特性研究

利用振動臺產(chǎn)生過載加速度，將標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計和所研制的光纖FBG水聽器做比對，對所研制FBG水聽器的加速度特性進行實驗測試，圖4.133為實驗原理框圖。

將一圓盤與振動臺剛性連接，在圓盤上面同樣通過剛性連接固定標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計和待研究的FBG水聽器，其他完全同上。壓電加速度計的電荷靈敏度150.57 pC·s²/m，振動臺振動加速度在1m/s²左右，DLF系列電壓積分濾波器工作在電荷放大狀態(tài)，適調(diào)開關(guān)為151，放大倍數(shù)為0.01 V/U，分別對以下頻率點32 Hz，60 Hz，90 Hz，120 Hz，148 Hz，180 Hz作測量，可得到該探頭的加速度靈敏度，見圖4.134。所研制FBG水聽器探頭的系統(tǒng)加速度靈敏度在70~90(mV·s²/m)之間，對解調(diào)儀靈敏度進行歸一化處理，探頭的加速度靈敏度在58~75(fm·s²/m)之間，與理論分析結(jié)果80.6(fm·s²/m)接近，它基本等效(2.52~3.26)Pa水聲壓力直接作用在它上面的輸出，表明所研制的光纖FBG水聽器探頭自身具有很低的抗加速度特性，對于用于拖曳陣的光纖FBG水聽器探頭必需進行加速度去敏方法的研究。