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带增益结构的光纤矢量水听器的研究

摘要

近年来随着科学技术的飞速发展和对海洋认识的不断深化，水下空间已成为国际竞

争的新焦点。水下独立空间小平台载体正成为水下探测和水下作业的有效辅助设备，如

水下无人潜航器、水下滑翔机、浮标和潜标等，在生产生活中扮演着重要的角色。与之

对应的矢量水听器的应用环境也向着独立空间小平台发展，对矢量探测系统的体积、复

杂程度和功耗等都提出了新的要求。光纤矢量水听器以其独特的抗电磁干扰能力，使其

能在各种复杂环境中胜任探测任务。光纤矢量水听器多为加速度式，以光纤加速度计作

为惯性传感器。在众多种类的光纤加速度计中，强度型光纤加速度计具有最简单的解调

系统，同时不需要相干性良好的激光光源，整体系统结构简单、体积小、成本低，符合

独立空间小平台应用的要求。但与其他加速度式矢量水听器相同，光纤矢量水听器的声

压灵敏度级与频率满足每倍频程增加6dB的关系，导致其在低频段的灵敏度较低。提高

光纤矢量水听器在低频段的灵敏度也是研究重点。基于此，本文开展了强度型光纤加速

度计以及具有结构增益的光纤矢量水听器的研究。

本文根据光纤中的模场分布设计了一种光纤悬臂梁加速度计。光纤悬臂梁加速度计

为一种强度型光纤传感器，与传统的干涉型加速度计相比，不需要柔性柱或柔性圆盘等

结构提高形变，减小了探头体积。所设计的强度型光纤悬臂梁加速度计由陶瓷插芯、陶

瓷套管、发射光纤和接收光纤组成，具有体积小、质量轻以及成本低的优点。发射光纤

在结构中充当悬臂梁的作用，可等效为质量弹簧系统来感知外界的加速度。分析了光纤

悬臂梁加速度计的传感原理以及指向性。制作了光纤悬臂梁加速度计原理样机，整体外

观为圆柱形，谐振频率为1812Hz，响应平坦处的灵敏度为0.315V/g，指向性测试结果与

理论分析结果相符，为“8”字形指向性。

为验证光纤悬臂梁加速度计用于制作矢量水听器的可行性，利用两个光纤悬臂梁加

速度计作为X和Y矢量通道，进行同振柱型光纤矢量水听器的制作。两加速度计的谐

振频率分别为1950Hz和1998Hz，灵敏度分别为0.311V/g和0.305V/g。经环氧树脂封

装后同振柱型光纤矢量水听器外观为圆柱形，半径为2.8cm，高度为8cm，密度约为

3

1013kg/m。性能测试结果表明在160Hz处X通道和Y通道的灵敏度分别为-214.4dB和

-214.6dB（0dBre1V/μPa），测试结果和理论分析结果吻合的较好，在测量范围5Hz-500Hz

内灵敏度与频率的关系符合理论要求，两通道的指向性为标准的余弦形式。最后利用制

作的同振柱型光纤矢量水听器在松花湖进行了目标定向实验。

在同振柱型光纤矢量水听器的测试中，由于工作原理导致其在低频段时的声压灵敏

哈尔滨工程大学博士学位论文

度级较低，为提高加速度式光纤矢量水听器在低频段的灵敏度，设计并制作了具有结构

增益的光纤矢量水听器。连通的声学号筒结构具有将声场的质点振速放大的效应，但号

筒本身存在谐振频率，且号筒体积越大，谐振频率越低，往往会因为号筒的谐振频率影

响矢量水听器的工作频带而限制了其在矢量传感中的应用。设计的光纤悬臂梁加速度计

具有较小的体积，将其与号筒结构结合，设计带增益结构的光纤矢量水听器。带增益结

构的光纤矢量水听器包含矢量传感单元和质点振速增益结构。矢量传感单元由光纤悬臂

梁加速度计充当，质点振速增益结构为一种具有旁支管的锥形对称号筒，旁支管位于锥

形对称号筒的喉部。对结构的研究表明当旁支管的半径小于号筒喉部半径的一半时，旁

支管的存在几乎对结构的质点振速增益没有影响。提出了将矢量传感单元悬置于旁支管

中的嵌入式设计，该种设计方式可在确保一定口喉比的同时进一步减小整体矢量水听器

的体积，提高号筒结构的谐振频率，避免对低频测量的影响，同时可使矢量水听器与载

体之间无需弹性元件连接，可刚性固定于载具上，简化安装流程。测试结果表明在5Hz

至100Hz低频测量范围内，灵敏度级随频率的变化规律符合理论要求，50Hz处的灵敏

度级为-221.1dB（0dBre1V/μPa），与无增益结构的光纤矢量水听器相比，灵敏度级平均

约提高了3.61dB。结构增益光纤矢量水听器具有“8”字形指向性，指向性分辨力达到

了30dB以上。

关键词：矢量水听器；加速度计；声学号筒；质点振速增益