一种基于推挽结构的光纤水听器

技术领域

本发明属于光纤传感以及水下声信号探测领域，具体涉及一种基于推挽结构的双倍灵敏度、低噪声干涉型光纤水听器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

声波是海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，低频的声波传输距离甚至可以达数千公里，目前对水下目标进行探测和识别分析的主要技术手段仍然是对水下声信号的探测。光纤水听器相比于传统的压电式水听器，凭借其灵敏度高、不受电磁干扰、动态范围大、易于复用等诸多优点，已经逐渐取代传统的压电式水听器的位置，成为目前主流的水下声信号探测的技术。光纤水听器的技术方案主要有光纤光栅型、光纤激光型、光纤法布里伯罗型、光纤干涉型，其中干涉型的光纤水听器技术最为成熟，应用最为广泛，是目前的主流光纤水听器类型。近年来人们发明了多种结构的光纤干涉式水听器来提高光纤水听器的性能以满足不同背景下的需要。

中国专利：CN111256807 B公开了一种基于折叠空气腔的小尺寸干涉型光纤水听器，该光纤水听器包括四个可嵌套安装的薄壁空心筒以及光纤干涉仪，虽然灵敏度得到提高，结构紧凑，但制作工艺复杂，而且干涉仪没有固定，会影响探测结果的稳定性。

中国专利：CN112649839 A公开了一种推挽式光纤水听器，利用金属件和弹性体作为敏感元件构成推挽式结构，但由于两个敏感元件性能相差较大，灵敏度提高较小，而且该结构主要用于解决光纤水听器在海底长期工作环境下的不可靠漏水问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于推挽结构的光纤水听器，本发明采用推挽式结构，制作工艺简单，水听器灵敏度达到双倍的同时消除了温度变化对水听器的影响，抑制了共模噪声，另外水听器两个传感臂之间达到静水压力平衡，适合应用于深海环境。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种基于推挽结构的光纤水听器，包括依次连接的窄线宽激光器、光纤隔离器、光纤环形器、光衰减器、光电探测器和信号处理及显示模块，所述光纤环形器的一输出口与光纤水听传感探头连接，光纤环形器的另一输出口与光衰减器连接；

光纤水听传感探头包括内薄壁弹性筒、外薄壁弹性筒、上端盖、下端盖和盖板；缠绕内光纤圈的内薄壁弹性筒嵌套在缠绕外光纤圈的外薄壁弹性筒内时，两个薄壁弹性筒之间形成空气腔；内光纤圈的一端连接第二法拉第旋镜，另一端连接耦合器的第一输入端；外光纤圈的一端连接第一法拉第旋镜，另一端连接耦合器的第二输入端；耦合器的输出端连接光纤环形器；上端盖和下端盖将内薄壁弹性筒和外薄壁弹性筒围成两端开口的结构后，通过盖板将下端口封闭，只保留上端口开启。

进一步的，所述下端盖与盖板之间设有凹槽，用于放置耦合器。

进一步的，盖板和下端盖上有光纤过孔，外光纤圈的尾纤和内光纤圈的尾纤穿过下端盖上的光纤过孔后接入到耦合器的两个输入端，耦合器输出端的光纤通过盖板上的光纤过孔伸向外部。

进一步的，缠绕内光纤圈的内薄壁弹性筒和缠绕外光纤圈的外薄壁弹性筒上均设有光纤保护层。

进一步的，所述上端盖为中间空心的圆环形状，中间空心圆的直径与内薄壁弹性筒的内径相同，上端盖一面平整，另一面设有环形的凸台，环形凸台的内径与内薄壁弹性筒的外径相同，环形凸台的外径与外薄壁弹性筒的内径相同。

进一步的，两个薄壁弹性筒之间的间隙恒定等于上端盖环形凸台的宽度。

进一步的，所述下端盖为中间空心的圆环形状，中间空心圆的直径与内薄壁弹性筒的内径相同，下端盖一面设有环形凸台，环形凸台的内径与内薄壁弹性筒的外径相同，外径与外薄壁弹性筒的内径相同，另一面设有凹槽，使耦合器密封固定在凹槽内。

进一步的，内薄壁弹性筒上的内光纤圈和外薄壁弹性筒上的外光纤圈形成推挽结构。

进一步的，所述光纤隔离器只允许光单向传输，用于隔离从水听器传感探头返回来的干涉信号以至于不影响激光器。

进一步的，所述光衰减器用于调节探测的干涉信号的光功率。

在使用时，光纤水听器传感探头置于水中，内薄壁弹性筒的内壁与水接触而充满水，内薄壁弹性筒的外面是空气。而外薄壁弹性的外壁与水接触而充满水，外薄壁弹性筒的里面是空气。当动态水声压信号施加到内薄壁弹性筒的内壁和外薄壁弹性筒的外壁时，内薄壁弹性筒的内壁受到径向向外的动态水声压，而外壁不受力，因此内薄壁弹性筒在扩张应变的作用下径向向外扩张，半径变大导致周长增加，缠绕在上面的内光纤圈也动态的变长。相反地，外薄壁弹性筒的外壁受到径向向内的动态水声压，而内壁不受力，因此外薄壁弹性筒在压缩应变的作用下向内收缩，半径变小导致周长变短，缠绕在上面的外光纤圈也动态变短。内光纤圈和外光纤圈中光纤的形变方向相反，对应产生的相位变化也相反，形成推挽式的结构。将两个光纤圈中的相位变化相减就可以得到总的相位变化，选择合适的内光纤圈和外光纤圈的长度，可以使总的相位变化是内光纤圈/外光纤圈中相位变化的两倍，于是光纤水听器声信号响应的灵敏度提高了一倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

光纤水听器传感探头采用推挽式结构，其中内薄壁弹性筒和外薄壁弹性筒选择相同的材料，内光纤圈和外光纤圈的长度选择匹配，光纤水听器传感探头的灵敏度得到了提高，是同类型单个传感臂结构光纤水听器灵敏度的两倍。

内薄壁弹性筒上的内光纤圈和外薄壁弹性筒上的外光纤圈均作为干涉仪的传感臂，应用时处于相同的温度和环境噪声中，消除了温度变化和环境噪声对光纤水听器的影响，提高了噪声的共模抑制效应，降低了光纤水听器的噪声，从而可以探测超低频的水声信号。另外适合于深海环境，因为两个传感臂感受相同的静水压力，达到了静水压力平衡。

1x2耦合器固定在光纤水听器传感探头的下端盖里面，减小了耦合器附近非传感光纤受环境影响产生的波动对光纤水听器输出信号的影响，增加了水听器的稳定性，降低了光纤水听器的噪声。

利用法拉第旋镜作为两个传感臂中光信号反射元件，降低了光纤抖动对干涉信号条纹可见度的影响，改善了干涉仪传感器中存在的偏振衰落现象。

光纤水听器原理结构设计简单，所需光器件少，水听器传感探头制作工艺简单易于实现，成本低，设计灵活，应用方便。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种基于推挽结构的光纤水听器的结构图；

其中：1、窄线宽激光器，2、光纤隔离器，3、光纤环形器，4、外薄壁弹性筒，5、外光纤圈，6、第一法拉第旋镜，7、内薄壁弹性筒，8、内光纤圈，9、第二法拉第旋镜，10、下端盖，11、上端盖，12、空气腔，13、光纤保护层，14、光纤过孔，15、1x2耦合器，16、盖板，17、光衰减器，18、光电探测器，19、信号处理及显示模块。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

本实施例提供了一种基于推挽结构的光纤水听器。

一种基于推挽结构的光纤水听器，包括依次连接的窄线宽激光器、光纤隔离器、光纤环形器、光衰减器、光电探测器和信号处理及显示模块，所述光纤环形器的一输出口与光纤水听传感探头连接，光纤环形器的另一输出口与光衰减器连接；

光纤水听传感探头包括内薄壁弹性筒、外薄壁弹性筒、上端盖、下端盖和盖板；缠绕内光纤圈的内薄壁弹性筒嵌套在缠绕外光纤圈的外薄壁弹性筒内时，两个薄壁弹性筒之间形成空气腔；内光纤圈的一端连接第二法拉第旋镜，另一端连接耦合器的第一输入端；外光纤圈的一端连接第一法拉第旋镜，另一端连接耦合器的第二输入端；耦合器的输出端连接光纤环形器；上端盖和下端盖将内薄壁弹性筒和外薄壁弹性筒围成两端开口的结构后，通过盖板将下端口封闭，只保留上端口开启。

具体的，一种基于推挽结构的光纤水听器，包括：一个窄线宽激光器1、光纤隔离器2、光纤环形器3、外薄壁弹性筒4、外光纤圈5、第一法拉第旋镜6、内薄壁弹性筒7、内光纤圈8、第二法拉第旋镜9、下端盖10、上端盖11、空气腔12、光纤保护层13、光纤过孔14、1x 2耦合器15、盖板16、光衰减器17、光电探测器18、信号处理及显示模块19。

光纤隔离器2的输入连接到窄线宽激光器1的光输出口，光纤隔离器2的输出连接光纤环形器3的输入，光纤环形器3的一个输出连接光纤水听器传感探头，光纤环形器3返回来的另一个输出口连接光衰减器17的任意一端，光衰减器17的另一端连接光电探测器18，光电探测器18最后连接到信号处理及显示模块19；光纤隔离器2只允许光单向传输，用于隔离从水听器传感探头返回来的干涉信号以至于不影响激光器。光衰减器17用于调节探测的干涉信号的光功率。窄线宽激光器1的中心波长可以选择1550nm、1310nm等。

上端盖11为中间空心的圆环形状，中间空心圆的直径与内薄壁弹性筒7的内径相同，上端盖11一面平整，另一面设有环形的凸台，环形凸台的内径与内薄壁弹性筒7的外径相同，环形凸台的外径与外薄壁弹性筒4的内径相同，当内薄壁弹性筒7嵌套在外薄壁弹性筒4内后，两个薄壁弹性筒之间形成空气腔12，两个薄壁弹性筒之间的间隙恒定等于上端盖环形凸台的宽度。

下端盖10为中间空心的圆环形状，中间空心圆的直径与内薄壁弹性筒7的内径相同，下端盖10一面设有环形凸台，环形凸台的内径与内薄壁弹性筒7的外径相同，外径与外薄壁弹性筒4的内径相同，另一面设有凹槽，使1x2耦合器15可以密封固定在凹槽内，提高了光纤水听器的响应的稳定性，降低了光纤水听器的噪声。

外光纤圈5和内光纤圈8的一端分别与第一法拉第旋镜6和第二法拉第旋镜9连接，另一端分别连接1x2耦合器15的两个输入端。

光纤缠绕方案为：预先涂有胶粘剂的外光纤圈5和内光纤圈8分别从第一法拉第旋镜6和第二法拉旋镜9那一端开始均匀紧密排列缠绕在外薄壁弹性筒4和内薄壁弹性筒7上作为光纤水听器传感探头的两个传感臂。

光纤保护层13分别均匀等厚的薄涂在外光纤圈5和内光纤圈8上，光纤保护层的厚度小于1mm，以保护光纤阻抗机械外力、高压环境、酸碱腐蚀、发霉；光纤保护层材料的声阻抗与传输介质水的声阻抗先匹配，对声能损耗小，可以选择透声橡胶、环氧树脂、聚氨酯等。

内薄壁弹性筒7和外薄壁弹性筒4在完成光纤水听器的两个传感臂光纤圈缠绕后，按照半径大小将内薄壁弹性筒7嵌套进外薄壁弹性筒4内，保持同轴，内薄壁弹性筒7和外薄壁弹性筒4的两端均用密封防水的密封胶固定在上端盖11和下端盖10带有凸台的一面，两个弹性筒之间的间隙保持恒定等于环形凸台的宽度，在两个弹性筒之间形成密封的空气腔12，内薄壁弹性筒7上的内光纤圈8和外薄壁弹性筒4上的外光纤圈5形成推挽结构，对相同的声压产生相反的形变，探测灵敏度得到提高。

盖板16用密封防水胶密封固定在下端盖10上，盖板16和下端盖10上有光纤过孔14，外光纤圈5的尾纤和内光纤圈8的尾纤穿过下端盖上的光纤过孔14后接入到1x2耦合器15的两个输入端，1x2耦合器15输出端的光纤通过盖板上的光纤过孔14伸向外部。

作为一种或多种实施方式，1x2耦合器15用胶密封固定在下端盖10的凹槽内，使之在受到外界扰动时不会发生振动状态的改变，仍然处于静止状态，减小了光纤扰动对水听器的影响，提高了水听器响应的稳定性，降低了光纤水听器的噪声。

作为一种或多种实施方式，内薄壁弹性筒7和外薄壁弹性筒4尺寸不同，但材料相同，因此具有相同的物理性能参数，选择弹性模量相对较小的材料，可以提高水听器的灵敏度。

作为一种或多种实施方式，内光纤圈8和外光纤圈5的材料相同，长度不同，选择合适的内光纤圈8和外光纤圈5的长度，使在两个光纤圈中相位的变化量相等，从而达到了双倍灵敏度的效果。

作为一种或多种实施方式，信号处理及显示模块可以采用CPU和显示器。

工作原理：窄线宽激光器1发出的激光经过光纤隔离器2后进入光纤环形器3，从光纤环形器3出来的光被送入到水听器传感探头，激光进入1×2耦合器15被分成两路，分别进入到外光纤圈5和内光纤圈8，然后分别被外光纤圈5和内光纤圈8另一端的第一法拉第旋镜6和第二法拉第旋镜9原路反射回来，两路反射回来的光再次经过外光纤圈5和内光纤圈8后进入到相同的1x2耦合器15，两路光产生干涉，从1x2耦合器15的输出端输出的干涉信号在光纤环形器3的另一个输出端口输出后进入到光衰减器17，被光衰减器17调节光强后进入到光电探测器18，光电探测器18将干涉光信号转换为电信号，电信号被送入到信号处理及显示模块19，最终在信号处理及显示模块19中解调出被测外界声压信号并显示。

在使用时，光纤水听器传感探头置于水中，内薄壁弹性筒7的内壁与水接触而充满水，内薄壁弹性筒7的外面是空气。而外薄壁弹性4的外壁与水接触而充满水，外薄壁弹性筒4的里面是空气。当动态水声压信号施加到内薄壁弹性筒7的内壁和外薄壁弹性筒4的外壁时，内薄壁弹性筒7的内壁受到径向向外的动态水声压，而外壁不受力，因此内薄壁弹性筒7在扩张应变的作用下径向向外扩张，半径变大导致周长增加，缠绕在上面的内光纤圈8也动态的变长。相反地，外薄壁弹性筒4的外壁受到径向向内的动态水声压，而内壁不受力，因此外薄壁弹性筒4在压缩应变的作用下向内收缩，半径变小导致周长变短，缠绕在上面的外光纤圈5也动态变短。内光纤圈8和外光纤圈5中光纤的形变方向相反，对应产生的相位变化也相反，形成推挽式的结构。将两个光纤圈中的相位变化相减就可以得到总的相位变化，总的相位变化是内光纤圈8/外光纤圈5中相位变化的两倍，因此光纤水听器声信号响应的灵敏度提高了一倍。内薄壁弹性筒7以及内光纤圈8和外薄壁弹性筒4以及外光纤圈5在使用时处在同一温度和环境噪声中，消除了温度变化和环境噪声对光纤水听器的影响，提高了噪声的共模抑制，降低了光纤水听器的噪声，从而可以探测超低频的水声信号。同时光纤水听器的两个传感臂在水中感受相同的静水压力，达到了静水压力平衡，适合应用于深海环境。另外1x2耦合器15附近的两个干涉臂中非传感光纤部分被固定在下端盖10中，减小了光纤的扰动，提高了光纤水听器响应的稳定性，降低了光纤水听器的噪声。而且相比于其他的推挽式光纤水听器的设计，本实施例装置在原理结构上设计简单，所需光器件少，水听器传感探头设计不复杂，有效地减小了光纤水听器的制作工艺和成本，具有成本低、易于实现、稳定、应用灵活等优点。

上述一个或多个实施方案，具有以下优点：

本实施例采用内外薄壁弹性筒作为敏感元件，水声压使内外薄壁弹性筒发生形变导致缠绕在上面的内外光纤环长度发生改变，从而探测水声压信号。薄壁弹性筒作为敏感元件比光纤环直接作为敏感元件的灵敏度要高很多。

本实施例采用的内外薄壁弹性筒的材料相同，缠绕在上面的内外光纤环长度选择合适，使最终内外光纤环中光相位变化量的大小相等，方向互为异相，因此产生双倍灵敏度的效果。

本实施例采用的1x2耦合器固定在下端盖中，使之在受到外界扰动时不会发生振动状态的改变，仍然处于静止状态，减小了光纤扰动对水听器的影响，提高了水听器响应的稳定性，降低了光纤水听器的噪声，有利于实现低噪声的效果。

本实施例采用法拉第旋镜，将其作为两个传感臂中光信号反射元件，降低了光纤抖动对干涉信号条纹可见度的影响，改善了干涉仪传感器中存在的偏振衰落现象。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。