新型组合式光纤矢量水听器研究

论文摘要

光纤矢量水听器作为一种新型的水声传感器,相对于传统的标量水听器展现出多方面的优势,各种类型光纤矢量水听器的研究层出不穷。各国也都纷纷开展光纤矢量水听器成阵技术的研究,但目前较多的研究集中在岸基阵上,对于拖曳阵应用,缆的抖动和变速拖拽力等因素对光纤矢量水听器提出了降低轴向加速度灵敏度等特殊要求,开展可用于拖曳阵的光纤矢量水听器研究具有重要的意义。论文分析了拖曳阵用的光纤矢量水听器的特点和技术要求,综合压差式光纤矢量水听器和同振式光纤矢量水听器的优缺点,提出了一种轴向压差径向同振的组合矢量水听器结构,并进行了理论与实验研究。主要研究内容和结果如下:1、对压差式光纤矢量水听器的工作机理与基本结构进行了研究。采用薄壳理论对空气腔结构声压传感基元的灵敏度进行了理论分析与参数设计,在此基础上研制了两个轴向压差传感基元,测试的声压相位灵敏度与理论分析的结果基本一致,误差小于3 dB。2、对组合式光纤矢量水听器进行了系统设计,设计了基于双干涉仪的一维压差结构的光学系统与解调系统,进行了工作频带和噪声等性能的分析,同时指出两个声压传感基元间距需小于λmin/7,据此可确定组合式光纤矢量水听器的整体封装尺寸,在完成二维同振结构参数设计后,进行了组合矢量水听器系统的制作与集成。3、对组合式光纤矢量水听器的平面行波场和驻波场的测试方法进行了研究,着重分析了两声压传感基元灵敏度差异和测量误差对压差式光纤矢量水听器声压相位灵敏度和指向性的影响,并在驻波管中进行了性能指标测试,测试结果表明,在201250 Hz频段,组合矢量水听器各轴都具有与理论曲线较为吻合的频率响应特性,两同振轴和压差轴在1000 Hz的声压相位灵敏度分别达到了-153.0 dB, -149.9 dB和-147.4 dB re. rad/μPa,压差轴在所测的80630 Hz中的四个频点上的指向性都具有35 dB以上的凹点深度。压差式本底噪声的测试结果表明,压差式的本底噪声相对于单个声压传感基元降低了10 dB,混叠进采样通带的弛豫峰降低20 dB以上。4、提出了组合矢量水听器各轴对轴向加速度响应的测试方法并进行了测试,结果表明,除少数频点外,组合矢量水听器各轴都具有小于-10 dB re. rad/g的轴向加速度串扰,可见其抗轴向加速度性能相对于三维同振式结构具有明显的优势,有应用于拖曳阵的巨大潜力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究意义与内容
• 第二章 轴向压差传感基元的设计与制作
• 2.1 结构尺寸限制
• 2.1.1 声场与传感基元耦合作用分析
• 2.1.2 基元对空间声场的响应
• 2.2 声压相位灵敏度设计
• 2.2.1 声压作用机理分析
• 2.2.2 空气腔增敏光纤纵向应变产生的相位差
• 2.2.3 空气腔结构的动力学分析
• 2.3 空气腔结构耐静水压分析
• 2.4 传感基元测试结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 组合式光纤矢量水听器系统设计
• 3.1 组合式光纤矢量水听器工作原理
• 3.1.1 单频信号
• 3.1.2 宽频信号
• 3.2 压差式光纤矢量水听器设计
• 3.2.1 光学系统设计
• 3.2.2 传感基元间距设计
• 3.2.3 工作频带分析
• 3.3 同振式光纤矢量水听器设计
• 3.4 组合式光纤矢量水听器的集成
• 3.5 本章小结
• 第四章 组合式光纤矢量水听器实验研究
• 4.1 矢量水听器性能评价指标
• 4.2 平面行波场测试理论
• 4.2.1 传感基元灵敏度不一致的影响
• 4.2.2 两声压传感基元灵敏度相对测量误差的影响
• 4.2.3 非远场条件的影响
• 4.3 驻波场测试理论
• 4.3.1 传感基元灵敏度不一致的影响
• 4.3.2 两声压传感基元灵敏度相对测量误差的影响
• 4.4 性能指标测试
• 4.4.1 一维压差式矢量水听器测试
• 4.4.2 组合矢量水听器压差轴测试
• 4.4.3 组合矢量水听器同振轴测试
• 4.4.4 抗轴向加速度性能测试
• 4.5 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 光纤直接在外力作用下的应力应变分析
• 1 纵向应变引起的相位差
• 2 光弹效应引起的相位差
• 3 横向应变引起的相位差
• 附录B 光纤等效Young 式模量和等效Poisson 比