光纖水聽器探頭結構設計綜述

易朗宇 沈燕青 徐紅霞 韓銀

【摘? 要】研究了國內外聲壓標量光纖水聽器、聲壓梯度矢量光纖水聽器、慣性式矢量光纖水聽器等主流光纖水聽器探頭結構設計方案，分析其設計思路，對比了不同結構的性能優劣，提出了靈敏度提高措施，對新型探頭的設計具有參考價值。

【關鍵詞】光纖水聽器;靈敏度;探頭結構

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）05-0051-09

1? ?引言

光纖水聽器作為水聲研究領域的代表性技術，是當下研究的前沿熱點，而其探頭結構的設計又是重中之重。光纖水聽器具有靈敏度高、動態范圍大、檢測頻帶寬、耐高溫高壓、耐腐蝕、結構設計靈活、抗電磁干擾等諸多優越的特性，自20世紀70年代末光纖水聽器概念提出以來，國內外各類型光纖水聽器被不斷研究，目前已廣泛應用于水聲警戒聲納、拖曳線列陣聲納、舷側陣共形陣聲納、水雷聲引信、魚雷探測聲納、多基地聲納、水下潛器的導航定位、分布式傳感器網絡以及海洋水聲物理研究、石油勘探、海洋漁業等軍民兩用場景。結合不同應用場景與指標要求，對探頭結構有不同的選擇。本文梳理了國內外主流探頭設計方案，分析其設計思路，為今后的設計方向提供了較為明確的參考意義。

水聲探測中，目標聲場特征信息分為標量和矢量兩類，其中前者主要指聲壓信息，后者包含聲壓梯度、質點振速、質點加速度、質點位移等矢量信息。本文將對聲壓標量光纖水聽器、聲壓梯度矢量光纖水聽器、慣性式矢量光纖水聽器的探頭結構進行介紹。

2? ?聲壓標量光纖水聽器

2.1? 芯軸型聲壓標量光纖水聽器

芯軸型結構是聲壓標量光纖水聽器中應用最廣泛的一種類型，該結構通常采用邁克爾遜干涉儀或者馬赫-曾德爾干涉儀作為敏感元件，將干涉儀的一臂或者兩臂差繞至芯軸彈性結構上。當聲壓作用于彈性結構時，將引起干涉儀臂長變化，通過檢測臂長變化引起的光相位差，實現對聲壓的傳感。按照芯軸彈性結構不同可以分為單臂纏繞式、推挽式、含空氣腔圓柱式、剛性臂式和聲低通濾波式幾種結構。

單臂纏繞式、推挽式、含空氣腔式結構大致相同（如圖1所示），三者均使用彈性筒作為支架[1]。其中單臂式最為簡單，將干涉儀的一條傳感臂繞制在彈性筒外側，而參考臂固定至聲場外或進行聲壓屏蔽處理。推挽式結構干涉儀的兩臂分別繞制在彈性筒內外兩側，兩臂均參與聲壓信號的接收，一側拉長則另一側收縮，實現靈敏度增加一倍。含空氣腔式結構的彈性筒中含空腔，用于提高探頭聲壓靈敏度并平衡靜水壓，纏繞方式類似于推挽式。

剛性臂式結構采用四層結構（如圖2所示），將干涉儀參考臂繞制在剛性支架上，再涂覆一層彈性體，外側繞制傳感臂以接收聲壓信號[1]。

聲低通濾波式結構（如圖3所示）由國防科大團隊提出，通過將芯軸結構與二階、四階、帶側支的聲低通濾波腔相結合，可以在聲壓傳感的同時實現不同的低通濾波效果，能有效避免調制混疊引起的高頻干擾[2-5]。該結構中鋁制骨架筒外側涂覆彈性層以實現聲壓增敏，將邁克爾遜干涉儀的傳感臂緊繞在彈性層上，而參考臂直接固定在骨架筒一端。

2.2? 平面型聲壓標量光纖水聽器

平面型聲壓標量光纖水聽器也常采用邁克爾遜干涉儀或者馬赫-曾德爾干涉儀作為敏感元件，通過將干涉臂盤繞至彈性平面上，實現聲壓對臂長的調制。若將干涉儀兩臂分別盤繞至平面兩側，則可形成推挽式結構。該結構主要有周圍支撐碟式、中央支撐碟式、平板式等形式。

周圍支撐碟式與中央支撐碟式結構相似（如圖4所示），兩者均采用圓盤形彈性平面，區別在于圓盤支撐位置[1]。碟式結構探頭聲壓靈敏度比較高，且具有一定方向性，在實際使用中，還能通過形成多層碟式結構而獲得性能增益。

2.3? 腔體型聲壓標量光纖水聽器

腔體型聲壓標量光纖水聽器（如圖5所示）采用邁克爾遜干涉儀或者法布里-珀羅干涉儀作為敏感元件，當聲壓引起彈性腔體發生形變后，進而影響干涉儀臂長或腔長變化[1]。

3? ?聲壓梯度式（壓差式）矢量光纖水聽器

聲壓梯度式矢量光纖水聽器是通過探測聲場中兩處或多處位置的聲壓，并利用有限差分來近似求得聲壓梯度，而聲壓梯度與質點加速度之間由歐拉公式聯系起來，從而得出矢量聲場信息。受尺寸影響，此類水聽器靈敏度相對于下一節介紹的慣性式加速度傳感器來說不夠高。

聲壓梯度式結構主要有單探頭、雙探頭、四探頭、六探頭等幾類，前兩者為一維矢量探測，后兩者為三維矢量探測。單探頭結構利用同一干涉儀的雙臂各自探測兩處聲壓值，此時干涉儀輸出直接為聲壓差，但由于單一探頭尺寸較小且無法形成推挽結構，其壓差靈敏度較低[7]。雙探頭結構利用兩個分立探頭同步異點測量聲壓，要求探頭尺寸與間距遠小于聲波尺度，此時兩者探測聲壓之差即近似為連線中點處的聲壓梯度值[8]。

哈工大團隊設計了一種單探頭壓差式結構（如圖6所示），該結構通過彈性柱體與彈性盤式結構相結合，提高了單探頭結構的低頻靈敏度[9-10]。

如圖7所示，六探頭結構利用正方體空間6個面中心位置（M1～M6）的聲壓信息計算三維聲壓梯度，四探頭結構為前者的簡化版，利用4個頂點位置（T1～T4）的聲壓信息[11]。

聲壓梯度式水聽器的探頭間距選取將直接影響其性能，間距越大則水聽器對低頻信號的響應越好，但帶寬會越窄，因此需要結合實際應用情況進行權衡。需要注意的是，雙（多）探頭結構對各聲壓探頭性能的一致性要求較高，而工程應用中較難控制，從而限制了該型水聽器的應用。

4? ?慣性式（同振式）矢量光纖水聽器

慣性式矢量光纖水聽器有振速型、位移型、加速度型三種。若將水聲場等效為簡諧波場，質點振速、質點加速度、質點位移等物理量之間的微積分關系可以轉化為更為直觀的線性關系。探測此類物理量時，需要將傳感器安裝在剛性的球體、圓柱體或橢球體等幾何體中。當有聲波作用時，其封裝外殼會隨水介質質點同步振動，而其內部的慣性元件（一般為質量塊）則保持靜止，這樣會有一個慣性力作用在外殼與慣性元件之間的傳感元件，其內部的振動傳感器拾取相應的聲質點運動信息。該型器件是對聲波作用下質點運動的直接探測，統稱為慣性式傳感器或者同振式水聽器。

目前振速型結構還未見報道，而位移型結構由于振幅受限且隨頻率增加而進一步減小，因此靈敏度一般不高。相較而言，加速度型結構緊湊、易于拓展至三維、靈敏度最好且頻響范圍廣。

4.1? 位移型光纖矢量水聽器

位移型結構又分為反射式結構與磁致伸縮式結構（如圖8所示），前者利用自由空間中的反射鏡對聲場進行響應，其位移改變將對光程進行調制，從而實現聲場位移探測;后者利用磁場中的磁致伸縮材料對聲場進行響應，材料的伸縮變化對纏繞的光纖長度進行調制[7]。由于此類結構中存在自由運動機構，極容易導致信號波動，引入噪聲。

4.2? 加速度型光纖矢量水聽器

加速度型光纖矢量水聽器是研究最廣、使用最多的結構類型，其核心特征是具有質量塊作為慣性元件，下面介紹幾種典型結構。

（1）光纖連接質量塊式結構

光纖連接質量塊式結構是最為簡單的原型結構，在聲場振動影響下，質量塊拉扯或擠壓光纖，使其長度隨振動發生改變[7]。此結構光纖長度變化范圍十分有限且無增敏措施，因此加速度靈敏度很低，無法應用于實際。

（2）順變柱體式（芯軸型）結構

順變柱體式結構利用彈性實心柱體作為增敏材料，將干涉儀的傳感臂繞制其上[7]。當聲場振動作用于質量塊上時，將擠壓或拉伸順變柱體，進而引起光纖長度的改變，通過檢測光相位變化信息可得出聲場中質點加速度信息。在部分文獻中該結構也稱芯軸型結構，須與芯軸型聲壓標量水聽器作區分。

一維順變柱體式結構按照單臂纏繞和雙臂纏繞的不同分為單臂式和推挽式（如圖9所示），兩者加速度靈敏度相等，但后者諧振頻率更高，使得頻率范圍更廣。通過共用質量塊且正交排布3組一維推挽式結構可得到三維結構探頭，其結構簡單緊湊（如圖10所示）[12]。

（3）圓柱薄殼式結構

與順變柱體式結構類似，通過將光纖傳感臂纏繞至圓柱薄殼上，可以形成一維或三維圓柱薄殼式結構探頭（如圖11、圖12所示）[13-14]：

（4）內部充液式結構

內部充液式結構與圓柱薄殼式結構類似，區別在于其薄壁圓柱腔內充滿液體（如圖13所示）[7， 17]。由于液體相較于空氣難以壓縮，且液體自身相當于慣性元件，因此受加速度影響時，液體會對腔體上下兩段產生不同的動壓力，該壓力傳導至光纖上時，反映為光纖長度的改變。此種結構對薄壁腔的液體密封性能要求高，且易形變，因此使用范圍比較受限。

（5）彈性盤式（膜片式、碟式）結構

彈性盤式結構也稱膜片式或碟式結構（如圖14所示），主要有兩種類型：周圍支撐式和中央支撐式，彈性盤上附有質量塊作為慣性元件，須注意與碟式聲壓標量水聽器作區分[14， 16-17]。聲場作用于質量塊時將引起彈性盤的翹曲，從而改變盤繞其上的光纖長度。在各向同性聲壓影響下，光纖兩臂的變化情況一致，因此不會改變光程差，從而實現聲壓去敏。

相較于順變柱體式結構，彈性盤式結構同等尺寸下的諧振頻率更低，從而限制了頻響范圍。但是在潛艇舷側陣使用場景下，彈性盤式結構與艇身度高而獨具優勢。

在一維彈性盤結構基礎上，美國Hofler， Thomas J團隊通過將多個彈性盤堆疊，形成復合型結構（如圖14所示）[18]。另外國防科大團隊提出矩形薄板邊緣支撐結構（如圖15所示），長邊簡支、短邊夾支，并通過優化薄板尺寸、材質提高了加速度靈敏度[19]。

三維彈性盤式探頭一般由三組一維探頭正交分立構成，相較于順便柱體與薄殼圓柱式三維探頭集成度低，體積更大。

（6）簧片式結構

如圖16所示，簧片式結構利用簧片作為彈性元件實現增敏，其質量塊由固有質量塊和附加質量塊兩部分組成，可調節附加質量塊大小來改變加速度靈敏度[11]。在聲場振動作用下，參考臂的長度隨著簧片的形變而改變，而參考臂由于橫向固定在剛性支架上，因此屏蔽了加速度的影響。此結構缺點在于無法形成推挽式結構。

（7）光纖光柵式結構

前述幾項結構均基于干涉儀結構，通過改變干涉臂長度而引起光相位的改變，而光纖光柵式結構將光纖布拉格光柵（FBG， Fiber Bragg-Grating）置入彈性結構中，通過彈性形變引起光柵長度的改變，從而引起反射波長的改變[14]。幾種常見的彈性結構如圖17所示。

哈工大與電子科大團隊各自在同一光纖上刻蝕兩段FBG以構成法珀干涉腔，哈工大團隊還通過三組法珀干涉腔共用質量塊形成三維探頭結構[13， 20]。質量塊在加速度作用下拉動光纖，從而對法珀干涉腔的腔長進行調制，產生光相位變化。

（8）光纖激光式結構

光纖激光式結構通常呈長條狀，適合于細長型矢量水聽器陣列應用場景。中國科學院半導體研究所團隊提出了基于半圓或V型曲折梁的分布式反饋（DFB， Distributed Feedback Laser）光纖激光式結構（如圖18所示）[21]。受加速度影響時，曲折梁在質量塊帶動下發生彈性形變，與之相連的光纖內產生應力，進而導致DFB輸出波長發生改變。

此外蘭州交通大學團隊對DFB光纖激光器進行了梭形封裝（如圖19所示），利用聚合物很好地提高了水聽器靈敏度，實現聲壓增敏，同時其金屬壁也對非軸向應變干擾實現了去敏[22]。

4.3? 二階水聽器

哈工大團隊利用6個三維矢量水聽器與1個聲壓標量水聽器組合形成了二階水聽器（如圖20所示）[23]。經分析，二階水聽器的組合指向性擁有更為銳化的指向性波束，其波束寬度和定位精度都優于矢量水聽器。

4.4? 復合式光纖矢量水聽器

國防科大團隊將同振式結構與壓差式結構相結合，形成了復合式結構（如圖21所示）[8]。該結構為三維形式，其中Z軸方向為兩個聲壓標量傳感器構成的壓差式結構，X、Y軸采用同振式結構。Z軸兩端部分暴露于球殼外以耦合更多聲壓信號，并且聲壓傳感器與質量塊相隔離，X、Y軸完全封裝于球殼，共用中心質量塊。該復合式水聽器對于單頻信號和寬頻信號均有較好的響應。

5? ?各型結構對比分析

聲壓水聽器探頭通過形態各異的彈性結構將聲壓信息轉換至光纖物理量的改變，而加速度水聽器通過慣性元件與各種彈性結構結合，將加速度信息轉換至光纖物理量的改變，兩者最終都是通過檢測光的物理量變化來獲取水聲信息。

總體而言，利用光纖干涉儀纏繞至柱體或柱筒的芯軸型結構具有尺寸小、結構緊湊、適用于線型陣列、靈敏度較好等特點，應用最為廣泛。其余結構的結構特性與適用場景也在表1中進行了對比。受不同工藝水平、測試條件、材料選取等因素影響，不同團隊研究的探頭結構性能指標差異較大，因此表格中只對靈敏度指標進行定性對比，僅供參考。

6? ?靈敏度提高措施

6.1? 材料選取

對于芯軸型聲壓水聽器，可以通過彈性層或空氣腔結構實現增敏，增敏層一般選用的材料為聚氨酯、硅橡膠等聚合物，選取楊氏模量和泊松系數小的材質可以提高聲壓靈敏度。而剛性骨架的材質選擇對聲壓靈敏度影響較小，選取時主要考量其剛度即可[24]。

對于薄殼圓柱式加速度水聽器，選取楊氏模量小的材料或減小彈性筒壁厚可以提高加速度靈敏度[13]。此外，彈性筒泊松比越大加速度靈敏度越大，但考慮到彈性筒不止是一個用來纏繞光纖的增敏結構，同時也是支撐質量的結構件，因此選材時不宜用過軟的材料。

6.2? 光纖選取及繞制

對于芯軸型聲壓水聽器，增加繞制光纖長度可以提高聲壓靈敏度[24]。若在光纖表面再涂覆不透聲的彈性材料，彈性層在保護光纖的同時可作為光纖固有涂覆層的延伸而提高聲壓靈敏度[25]。

對于順變柱體式加速度水聽器，單層繞制情況下增加光纖長度可顯著提高加速度靈敏度，但多層繞制時，進一步曾加光纖長度可能會降低泊松比，反而影響靈敏度的提升[15]。

此外，增加光纖長度一般將不可避免地將增大探頭尺寸，可以通過用光頻調制幅度較寬的窄線寬光源，將干涉儀臂差大大縮短，從而大幅度減短干涉儀非傳感光纖長度。采用小芯徑特種光纖作為傳感光纖，在同樣大小的彈性材料上可大大增加纏繞傳感光纖的長度和光纖層數，提高靈敏度。

6.3? 結構優化

對于芯軸型聲壓水聽器，增加芯軸長度可增加靈敏度，若在結構尺寸受限情況下，提高彈性層與剛性支架的厚度之比也可提高聲壓靈敏度[24]。

對于薄壁圓柱殼型加速度水聽器，增加慣性元件質量、減小彈性筒外半徑可提高加速度靈敏度。此外，在有限尺寸的球殼內，彈性筒長度和質量塊體積相互制約。采用密度大、伸縮小的金屬來制作質量塊，可在不影響整體尺寸之下，增加彈性筒長度，即增加傳感光纖長度，提高加速度靈敏度。

7? ?結束語

作為水聲探測系統的核心器件，水聽器探頭結構設計尤為重要。利用慣性元件與光纖干涉儀、光纖光柵等光纖器件構成的慣性式加速度傳感器在矢量水聲探測中應用最為廣泛。提高探頭靈敏度可以從材料選取、光纖選取及繞制方式、優化結構等方面入手。上述對比分析為今后小型化、高靈敏度探頭設計提供了參考價值。

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