CN111412975A - 嵌入式光纤激光水听器及其阵列结构和成缆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤水听器技术领域，特别公开了一种嵌入式光纤激光水听器及其阵列结构和成缆工艺。该嵌入式光纤激光水听器，包括一端开口的圆柱形主体筒，其特征在于：所述主体筒的开口端安装有顶盖，且主体筒与顶盖的连接处安装有声敏膜片，主体筒的内部中心轴线处安装有光纤激光器，且光纤激光器的一端连接声敏膜片，另一端连接主体筒；主体筒和顶盖嵌入到被嵌入物中，被嵌入物包括主体内层和外包层。本发明在较小的结构层内实现光纤激光水听器的嵌入，实现基于薄层介质的声阵列，具有体积小、结构简单的优势；嵌入到载体表面薄层内，与被嵌入的载体较成熟的表层敷设工艺结合，从而成阵工艺简单，成本大幅降低。

Description

嵌入式光纤激光水听器及其阵列结构和成缆工艺

（一）技术领域

本发明涉及光纤水听器技术领域，特别涉及一种嵌入式光纤激光水听器及其阵列结构和成缆工艺。

（二）背景技术

光纤水听器是利用光纤的传光特性以及周围环境声压作用产生的调制效应，探测水中声音的仪器。与传统的电磁类水听器相比，光纤水听器具有如下优势：声压灵敏度高、不受电磁干扰、体积小、防水耐腐蚀、兼具传感及传输于一身等优点。目前光纤水听器的主要技术方案包括强度调制型、干涉式、光纤光栅式等，光纤光栅式水听器，特别是基于光纤激光器的有源光纤光栅水听器由于具有灵敏度高、体积小、易于波分复用等优势，为制造高灵敏度、超细、轻便、快速布放水声传感器阵列提供了可能。由光纤水听器构成拖曳或海底固定布放阵列，在随船水声测量、海洋油气资源勘探、水下导航、海洋国防等领域具有良好的应用前景。

目前，光纤水听器阵列多采用凯夫拉绳承重、透声橡胶护套保护、填充轻蜡油等流体的方案，结构复杂、体积较大、成阵成本高且对水听器保护不足，容易造成水听器失效，可靠性不高。

张海兵等提出了一种光纤水听器阵段结构和光纤水听器阵列结构，采用水听器单元和支撑骨架结合的方案，并设置填充层，外接套管，实现了对光纤和水听器的保护；仍然存在结构复杂、体积较大、成阵成本高、工艺复杂、可靠性不高的问题。

何哲玺等发明了一种新型光纤水听器探头封装结构及光纤水听器阵列，包括外壳、聚脲复合材料、铠装光缆、压板接头、过渡连接套、凯夫拉绳、声传感器等，提高了结构可靠性、水密性、深水耐压能力，易实现工程化与批量化装配；仍然存在结构复杂、体积较大、成阵成本高、工艺复杂、可靠性不高的问题。

可见，现有技术的主要问题在于传统的成阵结构及其改进结构未脱离传感器、骨架结构、凯夫拉绳、护套结合的成阵方案，并采用了大量复杂的成阵结构，导致普遍存在整体结构复杂、体积较大、成阵成本高、工艺复杂、可靠性不高的问题。如果能够发明一种体积小、结构简单、成阵工艺简单、成本低廉且能够保证传感器的基本声学性能的成阵方案，将具有重要的应用价值。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、成阵工艺简单、体积小、成本低的嵌入式光纤激光水听器及其阵列结构和成缆工艺。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种嵌入式光纤激光水听器，包括一端开口的圆柱形主体筒，其特征在于：所述主体筒的开口端安装有顶盖，且主体筒与顶盖的连接处安装有声敏膜片，主体筒的内部中心轴线处安装有光纤激光器，且光纤激光器的一端连接声敏膜片，另一端连接主体筒；主体筒和顶盖嵌入到被嵌入物中，被嵌入物包括主体内层和外包层。

本发明中，声敏膜片安装在主体筒筒口上，并通过顶盖封闭，用于在升压作用下产生形变，光纤激光器安装在主体筒的中心轴线处，用于感测声压，主体筒和顶盖嵌入到被嵌入物中，外包层作为主要载体，内层则是被嵌入物的主体结构，实现水听器的嵌入式安装结构。

本发明的更优技术方案为：

所述顶盖为内部设置有台阶和允许光纤激光器穿过的通孔的金属圆柱体，以改善声学特性且允许光纤激光器穿过。

所述顶盖的端部安装有支撑管，光纤激光器穿过支撑管并与支撑管粘结固定，以保护尾纤，较佳的，光纤激光器与支撑管通过硅胶等弹性胶粘结固定。

所述光纤激光器为光纤布拉格光栅、有源光纤光栅或光纤珐珀腔，光纤激光器具有一定的预紧力，较佳的，为0.1-0.5N的预紧力。

所述外包层为加热浇筑成型的聚合物材料，外包层上开设有位置对应顶盖的透声孔，透声孔为多孔结构，以保护内部结构，且改善声学特性。

所述主体筒、顶盖的材料为钛合金或可伐合金等低膨胀系数合金材料，以降低加热浇筑成形过程中温度变化对水听器结构的影响。

本发明还公开了上述嵌入式光纤激光水听器阵列结构，被嵌入物的外包层内嵌入有若干个光纤激光水听器，且上述光纤激光水听器的光纤激光器依次串联，串联的第一个光纤激光水听器与传输光缆串联，且传输光缆嵌入在外包层中，内层为被嵌入物的主体结构。

优选的，串联的第一个光纤激光水听器与传输光缆之间串联有光纤波分复用器，以抑制长距离传输光缆中的光散射对水听器的影响；串联的若干个光纤激光水听器中，每个光纤激光水听器的激光波长不同，通过波分复用器进行组阵。

顶盖内部填充轻蜡油流体，外包层外敷设有透声橡胶层，以进一步对内部结构进行保护，且保持声学性能。

本发明还公开了上述嵌入式光纤激光水听器阵列结构的成缆工艺，具体步骤为：先制作被嵌入物的内层，然后在内层结构表面安装光纤激水听器的位置涂刷外包层材料的衬底层，之后依次安装需要嵌入的光纤激光水听器，并进行串联、安装传输光缆，最后包覆外包层。

本发明在较小的结构层内实现光纤激光水听器的嵌入，实现基于薄层介质的声阵列，具有体积小、结构简单的优势；嵌入到载体表面薄层内，与被嵌入的载体较成熟的表层敷设工艺结合，从而成阵工艺简单，成本大幅降低；依托载体的保护层对水听器保护，提高了可靠性；采用多孔透声结构与膜片结构光纤激光水听器结合，保证了水听器嵌入载体之后的声学性能，同时能够对光纤进行保护，防止损坏。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明光纤激光水听器的结构示意图；

图2为本发明光纤激光水听器阵列在平板结构中嵌入的三维结构示意图；

图3为本发明透声孔的结构示意图；

图4为本发明光纤激光水听器阵列在圆形截面缆结构中嵌入的主视结构示意图；

图5为图4所述的截面示意图；

图6为实施例3所述的光纤激光水听器的主视结构示意图；

图7为图6所述的截面示意图。

图中，010主体筒，020顶盖，021支撑管，030声敏膜片，040光纤激光器，050外包层，051透声孔，060内层，070传输光缆，071光纤波分复用器，080透声橡胶层。

（五）具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

图1为本发明提供的嵌入式光纤激光水听器的结构图，其中：主体筒010，顶盖020，支撑管021，声敏膜片030，光纤激光器040，外包层050，透声孔051，内层060。

主体筒010，为一端开口的圆柱形刚性筒，由金属加工而成，在开口端开有台阶，在另一端有通孔，以便光纤穿过；顶盖020，为金属圆柱体，且内部具有台阶通，安装于主体筒010的开口端，且在端部开有通孔，以允许光纤激光器040穿过；顶盖020进一步在端部安装有支撑管021，以保护从中穿过的光纤激光器040的尾纤。

声敏膜片030，较佳的，为圆形金属薄片或聚酰亚胺薄片，安装于主体筒010和顶盖020的连接处，通过挤压嵌入在连接处，且通过环氧胶粘接，用于在声压作用下产生形变；声敏膜片030中心开有微孔，允许光纤穿过；安装于主体筒010内部轴线处的光纤激光器040，为光纤布拉格光栅或有源光纤光栅，分别穿过主体筒010、声敏膜片030、顶盖020、支撑管021，一端与声敏膜片030通过环氧胶粘接连接，一端与主体筒010通过环氧胶粘接连接，光纤激光器040与支撑管021通过硅胶等弹性胶粘接固定。

光纤激光器040在有声压作用导致声敏膜片030发生形变时，会因拉伸导致波长变化，用于感测声压；较佳的，光纤激光器040在安装时保持具有一定的预紧力，一般为0.1-0.5N。

上述主体筒010和顶盖020连接而成的光纤激光水听器主体嵌入到被嵌入物之中，本实施例中，被嵌入物包括外包层050和内层060，其中外包层050，为上述主体筒010和顶盖020嵌入的主要载体，内层060，为被嵌入物的主体结构；例如，外包层050可以为水下光/电缆的聚合物外包层，内层060可以为水下光电缆的内层；例如，外包层050可以为水下航行器的外壳表面聚合物保护层或消声层，内层060可以为水下航行器的外壳结构。

如附图4和图5所示，上述嵌入式光纤激光水听器可以构成阵列结构，在被嵌入物的外包层050串联嵌入多个由上述主体筒010、顶盖020、声敏膜片030、光纤激光器040构成的光纤激光水听器，且每个光纤激光水听器的光纤激光器040通过熔接串联；同一串中每个光纤激光水听器的光纤激光器040具有独立的波长；串联的第一个光纤激光水听器与传输光缆070通过熔接串联，且传输光缆070嵌入到嵌入物的外包层050中；串联的第一个被光纤激光水听器与传输光缆070之间进一步通过熔接串联有光纤波分复用器071，以抑制长距离传输光缆070中的光散射对水听器的影响。

上述嵌入式光纤激光水听器及其阵列的制作工艺贯穿于被嵌入物的制作过程中，即制作完成内层060后，在内层060结构表面需要安装光纤激光水听器的位置涂刷外包层050材料的衬底层，然后依次安装需要嵌入的光纤激光水听器，通过环氧胶粘接固定，进行串联，并安装传输光缆070，依次将传输光缆070通过环氧胶固定在内层060表面，最后包覆外包层050，外包层050一般为聚合物材料，通过加热浇注成型。

为保证嵌入式光纤激光水听器的声学特性，顶盖020内部具有台阶和通孔，以使内部空腔尽量小，且在外包层050和顶盖020上开有透声孔051，且透声孔051为多孔结构，以保护内部结构；参考图3，透声孔051的多孔结构可以由圆柱聚合物塞上制作多个微孔而成；透声孔051和顶盖020内部的空腔构成亥姆霍兹腔低通滤波结构，亥姆霍兹频率：

；

其中，c为流体中的声速，S _孔为透声孔的内截面积，V _腔为顶盖020内部内流体的有效体积，l _孔为透声孔的长度。可见，对于保证声学特性，需要提高亥姆霍兹频率，以保证足够的带宽，因此需要增大S _孔，减小V _腔和l _孔，采用多孔结构，可以有效增大S _孔，同时每个孔的直径足够小，以保持较高的阻尼，抑制亥姆霍兹频率的谐振，保持平坦的幅频特性；所述顶盖020内部具有台阶，以使内部空腔尽量小，可以有效减小V _腔。

本发明提供的嵌入式光纤激光水听器及其阵列检测水声信号的原理为：被嵌入物包括外包层050和内层060，布设于水中，水声信号通过透声孔051传入到顶盖020内部的空腔，声敏膜片030在声压作用下发生变形，引起光纤激光器040轴向拉伸，导致光纤激光器040的波长发生变化，变化幅度与声压幅度成正比，通过检测每一个光纤激光水听器的波长变化，可以探测声压大小。

实施例2：

参考附图2，为本发明提供的嵌入式光纤激光水听器及其阵列的在平板结构中嵌入的三维示意图，与实施例1的区别是，光纤激光水听器可以在被嵌入物外包层050表面沿直线布放，也可以多条线布放，构成面排列；上述嵌入式光纤激光水听器及其阵列的制作工艺贯穿于被嵌入物的制作过程中，即制作完成内层060后，在内层060结构表面需要安装光纤激光水听器的位置涂刷外包层050材料的衬底层，然后依次安装需要嵌入的光纤激光水听器，通过环氧胶粘接固定，进行串联或并联，构成面排列，并安装光缆，依次将光缆通过环氧胶固定在内层060表面，最后包覆外包层050，外包层050一般为聚合物材料，通过加热浇注成型。

本实施例外包层050较适用于船体、水下航行器、水下平台等具有平面或近似平面的外壳表面聚合物保护层或消声层等结构。

实施例3：

与实施例1中的嵌入式光纤激光水听器及其阵列类似，进一步的，在顶盖020内部填充流体，在外包层050外层进一步敷设一层透声橡胶层080，以进一步对内部结构进行保护，且保持声学性能，较佳的，填充流体为轻蜡油，以达到声阻抗匹配。透声橡胶层080可以局部敷设，也可以全长度敷设。

本发明提供的嵌入式光纤激光水听器可在主体筒010端部进一步安装有温度补偿体，光纤激光器040通过温度补偿体与主体筒010连接，且较佳的，温度补偿体采用温度膨胀系数大于主体筒010的材料制成；例如，温度补偿体采用温度膨胀系数较高的不锈钢材料，主体筒010采用温度膨胀系数较低的钛合金材料，在热浇注等温度变化时，刚性筒的热膨胀和补偿体的热膨胀形变方向相反，一定程度抵消，从而抵消结构热膨胀对光纤激光器的拉伸，使水听器具有较低的温度灵敏度。

本发明通过细长圆柱外、以及外包层壳结构，有效保护内部光纤激光器和补偿结构，可靠性大大提高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入式光纤激光水听器，包括一端开口的圆柱形主体筒（010），其特征在于：所述主体筒（010）的开口端安装有顶盖（020），且主体筒（010）与顶盖（020）的连接处安装有声敏膜片（030），主体筒（010）的内部中心轴线处安装有光纤激光器（040），且光纤激光器（040）的一端连接声敏膜片（030），另一端连接主体筒（010）；主体筒（010）和顶盖（020）嵌入到被嵌入物中，被嵌入物包括主体内层（060）和外包层（050）。

2.根据权利要求1所述的嵌入式光纤激光水听器，其特征在于：所述顶盖（020）为内部设置有台阶和允许光纤激光器（040）穿过的通孔的金属圆柱体。

3.根据权利要求1所述的嵌入式光纤激光水听器，其特征在于：所述顶盖（020）的端部安装有支撑管（021），光纤激光器（040）穿过支撑管（021）并与支撑管（021）粘结固定。

4.根据权利要求1所述的嵌入式光纤激光水听器，其特征在于：所述光纤激光器（040）为光纤布拉格光栅、有源光纤光栅或光纤珐珀腔，光纤激光器（040）具有0.1-0.5N的预紧力。

5.根据权利要求1所述的嵌入式光纤激光水听器，其特征在于：所述外包层（050）为加热浇筑成型的聚合物材料，外包层（050）上开设有位置对应顶盖（020）的透声孔（051），透声孔（051）为多孔结构。

6.根据权利要求1所述的嵌入式光纤激光水听器，其特征在于：所述主体筒（010）、顶盖（020）的材料为钛合金或可伐合金。

7.根据权利要求1所述的嵌入式光纤激光水听器阵列结构，其特征在于：被嵌入物的外包层（050）内嵌入有若干个光纤激光水听器，且上述光纤激光水听器的光纤激光器（040）依次串联，串联的第一个光纤激光水听器与传输光缆（070）串联，且传输光缆（070）嵌入在外包层（050）中，内层（060）为被嵌入物的主体结构。

8.根据权利要求7所述的嵌入式光纤激光水听器阵列结构，其特征在于：串联的第一个光纤激光水听器与传输光缆（070）之间串联有光纤波分复用器（071），串联的若干个光纤激光水听器中，每个光纤激光水听器的激光波长不同。

9.根据权利要求7所述的嵌入式光纤激光水听器阵列结构，其特征在于：所述顶盖（020）内部填充轻蜡油流体，外包层（050）外敷设有透声橡胶层（080）。

10.根据权利要求7所述的嵌入式光纤激光水听器阵列结构的成缆工艺，其特征在于：先制作被嵌入物的内层（060），然后在内层（060）结构表面安装光纤激水听器的位置涂刷外包层（050）材料的衬底层，之后依次安装需要嵌入的光纤激光水听器，并进行串联、安装传输光缆（070），最后包覆外包层（050）。

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