一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器制造技术

本发明专利技术涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器，包括4个可嵌套安装的薄壁空心圆筒：带第一光纤缠绕区与第一支撑结构的第一薄壁空心圆筒，带第二光纤缠绕区与第二支撑结构的第二薄壁空心圆筒，带第三光纤缠绕区与第三支撑结构的第三薄壁空心圆筒，带第四光纤缠绕区与第四支撑结构的第四薄壁空心圆筒，以及光纤干涉仪；本发明专利技术具有以下有益效果：首先在不减小光纤缠绕面积，降低光纤干涉仪两臂长度的前提下，极大减小了光纤水听器横向尺寸，可提高光纤水听器高频应用性能；其次，通过多层嵌套、折叠式空气腔的结构设计，实现了更小的半径和横向尺寸，可提高机械结构谐振频率，进而优化水听器频率响应特性。

A small size interference high frequency fiber hydrophone based on folded air cavity

【技术实现步骤摘要】
一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器
本专利技术涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器，特别适用于高频水声信号探测应用。
技术介绍
光纤水听器是基于光纤传感与光电子技术的一种新型水听器，具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和大规模成阵等特点，主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，在海洋资源勘探、海底地质勘查、海底观测网、海洋国土安全等领域具有广泛应用前景。目前，光纤水听器的技术方案主要包括光纤光栅型、光纤激光型以及双臂干涉型三种，其中双臂干涉型光纤水听器方案最为成熟，应用也最为广泛。其基本原理为：高稳定性窄线宽激光器发出的激光经3dB耦合器一分为二，分别进入光纤干涉仪的两臂；光纤干涉仪两臂缠绕在增敏结构或材料上，外界声压信号引起增敏结构或材料发生形变，引起光纤干涉仪两臂长度发生相对变化，进而导致两臂间传输的激光光束产生随相对长度变化的相位差；干涉仪输出光强随两臂间相对相位变化而变化，通过对光纤干涉仪干涉光强的精确探测，可解算出外界声压信号。近年来，人们专利技术了多种结构来提高干涉型光纤水听器的性能以及不同应用背景下的适装性。文献报道中典型结果包括：Wen等人(High-sensitivityfiber-opticultrasoundsensorsformedicalimagingapplications[J]，Ultra-sonicImaging，1998，20(2)：103-112)较早采用光纤缠绕于聚乙烯圆柱的方式提高水听器灵敏度，实现水中相移灵敏度45mrad/kPa，响应带宽达4MHz；Gallego等人(High-sensitivityultrasoundinterferometricsingle-modepolymeropticalfibersensorsforbiomedicalapplications[J]，OpticsLetters，2009，34(12)：1807–1809)基于单模聚合物光纤实现马-曾干涉型光纤传感，得益于聚合物光纤相比传统熔融石英光纤更低的杨氏模量，光纤在水中与声场耦合更好，实现相移灵敏度1.31mrad/kPa，响应带宽高达5MHz。国防科技大学张学亮等人(SensingsystemwithMichelson-typefiberopticalinterferometerbasedonsingleFBGreflector[J].ChineseOpticsLetters，2011，9(11)：110601)采用光纤布拉格光栅(fiberBragggrating,FBG)作为迈克尔逊干涉仪的反射器件，测得频率响应范围100Hz～2kHz内波动低于0.3dB。科研人员从增敏结构设计、材料优选、核心器件改进等多个方面进行了较为系统的研究，将光纤水听器的性能指标大幅提高，最大程度释放了干涉型光纤水听器的应用潜能。在提高光纤水听器不同应用背景下的适装性方面，科研工程人员提出了多种不同设计。中国技术专利“干涉型光纤水听器”(CN2729667Y)、中国技术专利“一种推挽式光纤水听器”(CN202041279U)、中国专利技术专利申请“一种含空气腔的芯轴型光纤水听器”(申请号201711370586.0，公开日2018-06-01)、中国专利技术专利申请“一种深海用光纤水听器”(申请号201711447729.3，公开日2018-04-13)、中国专利技术专利申请“一种光纤水听器探头封装结构及封装方法”(申请号201811104270.1，公开日2019-01-11)从光纤水听器探头的传感结构优化及封装方式选择上提出了很好的思路。遗憾的是，现有干涉型光纤水听器技术在面临高频水声信号探测应用时仍存在一些共性问题。首先，为保证灵敏度达到要求，需提高干涉仪两臂长度，进而导致光纤缠绕区宽度增加，水听器探头横向尺寸过大，不适合高频探测应用。以水声通信信号探测为例，一般要求水听器响应频率至少达到30kHz，海水中典型波速为1500m/s，因此声波波长约为5cm。为避免光纤水听器探头声压响应产生方向性，一般要求光纤水听器探头尺寸远小于声波波长，即探头尺寸需远小于5cm。现有技术为提高光纤水听器探测灵敏度，需将长达数十米的光纤干涉仪两臂分别缠绕在圆柱型增敏结构上，受缠绕层数限制，缠绕区横向尺寸普遍达到10cm甚至更高。其次，为保证灵敏度达到实用要求，作为增敏结构的空气腔常需设计为细长型以增大光纤缠绕区面积，整个结构谐振频率较低，导致水听器探头高频性能不佳，不利于光纤水听器响应频段的扩展。因此，如何在不降低探测灵敏度的前提下减小干涉型光纤水听器尺寸，改善其高频响应特性，同时使其兼容现有工艺方案与工作模式是目前亟需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术的不足而提出一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型高频光纤水听器，旨在实现结构紧凑、性能优越、移植性良好的高频光纤水听器，特别适用于高频水声信号探测应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于折叠空气腔的干涉型高频光纤水听器，包括4个可嵌套安装的薄壁空心圆筒：带第一光纤缠绕区101与第一支撑结构102的第一薄壁空心圆筒1，带第二光纤缠绕区201与第二支撑结构202的第二薄壁空心圆筒2，带第三光纤缠绕区301与第三支撑结构302的第三薄壁空心圆筒3，带第四光纤缠绕区401与第四支撑结构402的第四薄壁空心圆筒4，以及光纤干涉仪5；所述第一支撑结构102的外径与所述第二薄壁空心圆筒2内径相同，当所述第一薄壁空心圆筒1嵌套进所述第二薄壁空心圆筒2后，在第一薄壁空心圆筒光纤缠绕区101处会形成第一个密封的空气腔；所述第二支撑结构202的外径与所述第三薄壁空心圆筒3内径相同，所述第二支撑结构202上沿圆筒轴向开有凹槽，使得液体可通过凹槽自由流过，当所述第二薄壁空心圆筒2嵌套进所述第三薄壁空心圆筒3后，在第二光纤缠绕区201处形成一个液体可自由流通的液体腔，使得缠绕在第二光纤缠绕区201与第一光纤缠绕区101的光纤干涉仪两臂形成推挽结构，对相同的声压产生相反的形变，以提高探测灵敏度；所述第三支撑结构302的外径与所述第四薄壁空心圆筒4内径相同，当所述第三薄壁空心圆筒3嵌套进所述第四薄壁空心圆筒4后，在第三薄壁空心圆筒光纤缠绕区301处形成第二个密封的空气腔；所述光纤干涉仪5包括光入射端口501、光出射端口502、3dB耦合器503、第一光纤干涉臂504、第二光纤干涉臂505、第一法拉第旋镜506、第二法拉第旋镜507，激光从光纤干涉仪5的光入射端口501入射，经过3dB耦合器503后分为两束激光，分别进入第一光纤干涉臂504和第二光纤干涉臂505，所述第一光纤干涉臂504和第二光纤干涉臂505按照如下所述光纤缠绕方案缠绕在第一薄壁空心圆筒1、第二薄壁空心圆筒2、第三薄壁空心圆筒3、第四薄壁空心圆筒4的光纤缠绕区上以提高传感灵敏度，第一光纤干涉臂504和第二光纤干涉臂505的尾端分别连接第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于折叠空气腔的干涉型高频光纤水听器，其特征在于：包括4个可嵌套安装的薄壁空心圆筒：带第一光纤缠绕区(101)与第一支撑结构(102)的第一薄壁空心圆筒(1)，带第二光纤缠绕区(201)与第二支撑结构(202)的第二薄壁空心圆筒(2)，带第三光纤缠绕区(301)与第三支撑结构(302)的第三薄壁空心圆筒(3)，带第四光纤缠绕区(401)与第四支撑结构(402)的第四薄壁空心圆筒(4)，以及光纤干涉仪(5)；/n所述第一支撑结构(102)的外径与所述第二薄壁空心圆筒(2)内径相同，当所述第一薄壁空心圆筒(1)嵌套进所述第二薄壁空心圆筒(2)后，在第一薄壁空心圆筒光纤缠绕区(101)处会形成第一个密封的空气腔；/n所述第二支撑结构(202)的外径与所述第三薄壁空心圆筒(3)内径相同，所述第二支撑结构(202)上沿圆筒轴向开有凹槽，使得液体可通过凹槽自由流过，当所述第二薄壁空心圆筒(2)嵌套进所述第三薄壁空心圆筒(3)后，在第二光纤缠绕区(201)处形成一个液体可自由流通的液体腔，使得缠绕在第二光纤缠绕区(201)与第一光纤缠绕区(101)的光纤干涉仪两臂形成推挽结构，对相同的声压产生相反的形变，以提高探测灵敏度；/n所述第三支撑结构(302)的外径与所述第四薄壁空心圆筒(4)内径相同，当所述第三薄壁空心圆筒(3)嵌套进所述第四薄壁空心圆筒(4)后，在第三薄壁空心圆筒光纤缠绕区(301)处形成第二个密封的空气腔；/n所述光纤干涉仪(5)包括光入射端口(501)、光出射端口(502)、3dB耦合器(503)、第一光纤干涉臂(504)、第二光纤干涉臂(505)、第一法拉第旋镜(506)、第二法拉第旋镜(507)，激光从光纤干涉仪(5)的光入射端口(501)入射，经过3dB耦合器(503)后分为两束激光，分别进入第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)，所述第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)按照如下所述光纤缠绕方案缠绕在第一薄壁空心圆筒(1)、第二薄壁空心圆筒(2)、第三薄壁空心圆筒(3)、第四薄壁空心圆筒(4)的光纤缠绕区上以提高传感灵敏度，第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)的尾端分别连接第一法拉第旋镜(506)和第二法拉第旋镜(507)，以保证两个光纤干涉臂中的光信号反射回原光路，反射回的光信号分别经过第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)后再次进入3dB耦合器(503)，从与3dB耦合器(503)相连的光出射端口(502)出射，通过监测出射光强信号，可测算2个光纤干涉臂传感到的外界声压信号；/n所述第一薄壁空心圆筒(1)、第三薄壁空心圆筒(3)以及第四薄壁空心圆筒(4)均在同一端的支撑结构上刻有左右螺旋槽，使得光纤可缠绕进或缠绕出光纤缠绕区；/n所述光纤缠绕方案为：第一光纤干涉臂(504)从第一法拉第旋镜(506)一端开始，沿第一薄壁空心圆筒支撑结构(102)刻有左右螺旋槽一端的左螺旋槽缠绕进第一光纤缠绕区(101)，均匀紧密排列缠绕，达到设计层数后从同一端沿右螺旋槽缠绕出第一光纤缠绕区(101)，沿第三薄壁空心圆筒支撑结构(302)刻有左右螺旋槽一端的左螺旋槽缠绕进第三光纤缠绕区(301)，均匀紧密排列缠绕，达到设计层数后从同一端沿右螺旋槽缠绕出第三光纤缠绕区(301)后与3dB耦合器(503)连接；/n第二光纤干涉臂(505)从第二法拉第旋镜(507)一端开始，沿第二薄壁空心圆筒支撑结构(202)刻有左右螺旋槽一端的左螺旋槽缠绕进第二光纤缠绕区(201)，均匀紧密排列缠绕，达到设计层数后从同一端沿右螺旋槽缠绕出第二光纤缠绕区(201)，沿第四薄壁空心圆筒支撑结构(402)刻有左右螺旋槽一端的左螺旋槽缠绕进第四光纤缠绕区(401)，均匀紧密排列缠绕，达到设计层数后从同一端沿右螺旋槽缠绕出第四光纤缠绕区(401)后与3dB耦合器(503)连接；/n所述第一薄壁空心圆筒(1)、第二薄壁空心圆筒(2)、第三薄壁空心圆筒(3)以及第四薄壁空心圆筒(4)在完成光纤干涉仪(5)两光纤干涉臂光纤的缠绕后，按照半径大小依次嵌套在一起，所述光纤干涉仪(5)第一光纤干涉臂(504)传感部分的光纤被缠绕在密封空气腔内部，所述光纤干涉仪第二光纤干涉臂(505)传感部分的光纤被缠绕在液体可自由流通的液体腔内，组成完整的光纤水听器。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于折叠空气腔的干涉型高频光纤水听器，其特征在于：包括4个可嵌套安装的薄壁空心圆筒：带第一光纤缠绕区(101)与第一支撑结构(102)的第一薄壁空心圆筒(1)，带第二光纤缠绕区(201)与第二支撑结构(202)的第二薄壁空心圆筒(2)，带第三光纤缠绕区(301)与第三支撑结构(302)的第三薄壁空心圆筒(3)，带第四光纤缠绕区(401)与第四支撑结构(402)的第四薄壁空心圆筒(4)，以及光纤干涉仪(5)；
所述第一支撑结构(102)的外径与所述第二薄壁空心圆筒(2)内径相同，当所述第一薄壁空心圆筒(1)嵌套进所述第二薄壁空心圆筒(2)后，在第一薄壁空心圆筒光纤缠绕区(101)处会形成第一个密封的空气腔；
所述第二支撑结构(202)的外径与所述第三薄壁空心圆筒(3)内径相同，所述第二支撑结构(202)上沿圆筒轴向开有凹槽，使得液体可通过凹槽自由流过，当所述第二薄壁空心圆筒(2)嵌套进所述第三薄壁空心圆筒(3)后，在第二光纤缠绕区(201)处形成一个液体可自由流通的液体腔，使得缠绕在第二光纤缠绕区(201)与第一光纤缠绕区(101)的光纤干涉仪两臂形成推挽结构，对相同的声压产生相反的形变，以提高探测灵敏度；
所述第三支撑结构(302)的外径与所述第四薄壁空心圆筒(4)内径相同，当所述第三薄壁空心圆筒(3)嵌套进所述第四薄壁空心圆筒(4)后，在第三薄壁空心圆筒光纤缠绕区(301)处形成第二个密封的空气腔；
所述光纤干涉仪(5)包括光入射端口(501)、光出射端口(502)、3dB耦合器(503)、第一光纤干涉臂(504)、第二光纤干涉臂(505)、第一法拉第旋镜(506)、第二法拉第旋镜(507)，激光从光纤干涉仪(5)的光入射端口(501)入射，经过3dB耦合器(503)后分为两束激光，分别进入第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)，所述第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)按照如下所述光纤缠绕方案缠绕在第一薄壁空心圆筒(1)、第二薄壁空心圆筒(2)、第三薄壁空心圆筒(3)、第四薄壁空心圆筒(4)的光纤缠绕区上以提高传感灵敏度，第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)的尾端分别连接第一法拉第旋镜(506)和第二法拉第旋镜(507)，以保证两个光纤干涉臂中的光信号反射回原光路，反射回的光信号分别经过第一光纤干涉臂(504)和第二光纤干涉臂(505)后再次进入3dB耦合器(503)，从与3dB耦合器(503)相连的光出射端口(502)出射，通过监测...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹永超，楼康，彭承彦，王俊，徐攀，朱家华，徐志明，胡正良，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43