本發明涉及光纖傳感器技術領域，具體而言，涉及一種光纖光柵水聽器及聲壓傳感系統。

背景技術：

光纖傳感器相對于常規的電磁類傳感器，在靈敏度、大動態范圍、可靠性、復用能力等方面具有明顯的優勢，成為高性能傳感器發展的一個重要方向。光纖水聽器是利用光纖的傳光特性以及周圍環境聲壓作用產生的調制效應，探測水中聲音的儀器。與傳統的電磁類水聽器相比，光纖水聽器具有如下優勢：聲壓靈敏度高、不受電磁干擾、體積小、防水耐腐蝕、兼具傳感及傳輸于一身等優點，在海洋油氣資源勘探、水下導航、海洋國防等領域具有良好的應用前景。

目前光纖水聽器的主要技術方案包括強度調制型、干涉式、光纖光柵式等，光纖光柵式水聽器由于具有靈敏度高、體積小、易于波分復用等優勢，為制造高靈敏度、超細、輕便、快速布放水聲傳感器陣列提供了可能，在隨船水聲測量，島嶼、港口快速警戒等領域有著廣泛的應用前景。

現有的帶氣囊的平衡靜壓型光纖光柵水聽器是在水聽器的空腔上連接一個氣囊，從而達到水聽器空腔內外的壓強平衡。這種水聽器結構復雜，體積笨重，不利于水聽器結構的小型化，而且容易受到破壞，工作水深有限。

技術實現要素：

鑒于此，本發明的目的在于提供一種光纖光柵水聽器及聲壓傳感系統，能夠有效地改善上述問題。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

第一方面，本發明實施例提供了一種光纖光柵水聽器，包括：基座、聲敏筒、平衡管和光纖光柵。基座設有連通孔，所述聲敏筒的第一端與所述基座連接，形成一個腔體。平衡管設置于所述腔體內，所述平衡管的第一開口與所述連通孔連通，所述平衡管的第二開口與所述腔體連通，以使得外界流體由所述連通孔進入后，經所述平衡管流入所述腔體。光纖光柵，設置于所述腔體內，所述光纖光柵的第一尾纖與所述基座固定連接，所述光纖光柵的第二尾纖與所述聲敏筒的第二端固定連接，所述光纖光柵用于測量所述聲敏筒在待測聲壓信號作用下發生的軸向變形，輸出攜帶所述待測聲壓信號的信號光。

進一步的，上述光纖光柵水聽器還包括：用于提高所述聲敏筒內部介質的可壓縮性的彈性補償體，所述彈性補償體設置于所述腔體內。

進一步的，上述彈性補償體附于所述平衡管的外壁。

進一步的，上述光纖光柵位于所述平衡管內，所述光纖光柵的第一尾纖穿出所述第一開口與所述基座固定連接，所述光纖光柵的第二尾纖穿出所述第二開口與所述聲敏筒的第二端固定連接。

進一步的，上述連通孔包括沿第一方向設置的第一進水孔和沿第二方向設置的第二進水孔，所述第一進水孔和所述第二進水孔相交并連通，所述第二進水孔與所述平衡管的第一開口連通，以使得外界流體由所述第一進水孔進入后，經所述第二進水孔、所述平衡管流入所述腔體。

進一步的，上述基座為圓柱形結構，所述第一方向為所述基座的徑向方向，所述第二方向為所述基座的中心軸方向。

進一步的，上述基座的一端設置有凸臺，所述連通孔貫穿所述凸臺與所述平衡管連通，所述聲敏筒的第一端為開口端，所述聲敏筒的第二端為閉口端，所述開口端與所述凸臺連接，以形成所述腔體。

進一步的，上述聲敏筒為圓柱形結構，所述平衡管沿所述聲敏筒的軸向方向設置于所述腔體內。

進一步的，上述聲敏筒的壁厚在0.5-0.8mm的范圍內。

第二方面，本發明實施例還提供了一種聲壓傳感系統，包括光源裝置、解調裝置以及上述的光纖光柵水聽器。所述光源裝置與所述解調裝置均與所述光纖光柵水聽器的光纖光柵光學耦合。所述光源裝置發出的探測光進入所述光纖光柵，由所述光纖光柵反射的探測光作為攜帶待測聲壓信號的信號光入射到所述解調裝置，經所述解調裝置解調得到待測聲壓。

相比于現有技術，本發明實施例提供的光纖光柵水聽器擯棄了氣囊，采用聲敏筒作為聲壓敏感元件，平衡管和光纖光柵均位于聲敏筒內，體積小、結構簡單，有利于光纖光柵水聽器的小型化。此外，通過依次連通的連通孔、平衡管和聲敏筒的腔體構成的聲學腔結構，能夠有效地平衡靜水壓，提高耐靜水壓能力以及聲壓信號的頻率測量范圍。

為使本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供的一種光纖光柵水聽器的結構示意圖；

圖2為在沿y軸正方向的視角下圖1中基座的結構示意圖；

圖3為在沿x軸正方向的視角下圖1中基座的結構示意圖；

圖4為本發明第一實施例提供的另一種光纖光柵水聽器的結構示意圖；

圖5為圖4示出的光纖光柵水聽器的有限元仿真幅頻特性結果示意圖；

圖6為本發明第二實施例提供的一種聲壓傳感系統的結構示意圖。

圖中：100-光纖光柵水聽器；110-基座；111-連通孔；101-第一進水孔；102-第二進水孔；112-凸臺；113-第一光纖孔；120-聲敏筒；121-腔體；122-第二光纖孔；130-平衡管；140-光纖光柵；141-第一尾纖；142-第二尾纖；150-彈性補償體；10-聲壓傳感系統；200-光源裝置；300-解調裝置。

具體實施方式

現有的帶氣囊的平衡靜壓型光纖光柵水聽器是在水聽器的空腔上連接一個氣囊，從而達到水聽器空腔內外的壓強平衡。這種水聽器結構復雜，體積笨重，不利于水聽器結構的小型化，而且容易受到破壞，工作水深有限，影響實際應用。例如，stevengoodman等提出的帶氣囊的平衡靜壓型光纖光柵水聽器的方案，氣囊體積為水聽器空腔體積5倍時，水聽器的理論最大工作水深只有50m。鑒于此，本發明實施例提供了一種光纖光柵水聽器以及采用了該光纖光柵水聽器的聲壓傳感系統，能夠有效地改善現有帶氣囊的平衡靜壓型光纖光柵水聽器結構復雜，體積笨重，容易受到破壞，工作水深有限的問題。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“光學耦合”、“連接”應做廣義理解。例如，連接可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。兩個器件之間光學耦合，表示由其中一個器件出射的光入射到另一個器件。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

第一實施例

如圖1所示，本發明第一實施例提供了一種光纖光柵水聽器100，包括基座110、聲敏筒120、平衡管130和光纖光柵140。聲敏筒120的第一端與基座110連接，形成一個腔體121。平衡管130和光纖光柵140均設置于聲敏筒120的腔體121內。基座110設有連通孔111，用于向腔體121內引入外界流體。平衡管130的第一開口與連通孔111連通，平衡管130的第二開口與腔體121連通，以使得外界流體由連通孔111進入后，經平衡管130流入腔體121。

需要說明的是，聲敏筒120與基座110可以是一體成型的，也可以是兩個相互獨立的元件。本實施例中，由于聲敏筒120是由聲敏感材料制成，而基座110可以不需要采用聲敏感材料制成，例如，可以采用金屬、塑料等。因此，聲敏筒120和基座110優選為相互獨立的元件。

本實施例中，基座110可以由金屬材料加工而成。當然，本實施例并不限制基座110的材料，具體可以根據需要采用合適的材料制成。具體的，連通孔111可以包括沿第一方向設置的第一進水孔101和沿第二方向設置的第二進水孔102。第一進水孔101和第二進水孔102相交并連通。此時，第二進水孔102與平衡管130的第一開口連通，以使得外界流體由第一進水孔101進入后，經第二進水孔102、平衡管130流入腔體121。其中，第一方向和第二方向可以根據基座110的具體形狀設置。

本實施例中，基座110內的連通孔111可以為如圖1所示的“t”形連通孔111，即第一進水孔101和第二進水孔102構成“t”形連通孔111。當基座110為圓柱形結構時，第一進水孔101沿基座110的徑向方向設置，第二進水孔102沿基座110的中心軸線設置。例如，第一進水孔101可以為沿基座110徑向的直徑為2mm的圓形通孔，第二進水孔102為沿基座110的中心軸線的直徑為2mm的圓孔并與第一進水孔101連通。

聲敏筒120由聲敏感材料制成，在聲壓作用下會發生變形，用于感應外界的聲壓信號。具體的，聲敏筒120可以采用硬質聚合物材料加工而成，例如，可以采用楊氏模量為400mpa，密度為250kg/m³的硬質聚氨酯材料。而聲敏筒120的具體尺寸可以根據具體需要設計。例如，當聲敏筒120為圓筒形結構時，其尺寸可以為：外徑7mm，內經5.6mm，壁厚0.7mm，筒長40mm。在本發明較佳實施例中，為了提高測量靈敏度和可測量的聲壓頻率范圍，聲敏筒120的壁厚優選在0.5-0.8mm的范圍內。例如，聲敏筒120的壁厚可以為0.5mm、0.6mm或0.8mm。

需要說明的是，為了方便光纖光柵水聽器100的串聯使用，本實施例中，上述基座110優選為圓柱形結構，而上述聲敏筒120則優選為圓筒形結構。當然，基座110和聲敏筒120的形狀也可以根據具體需要設計。

本實施例中，聲敏筒120與基座110剛性連接。具體的連接方式可以為：如圖1所示，基座110的一端設置有凸臺112，連通孔111貫穿凸臺112與平衡管130連通，聲敏筒120的第一端為開口端，聲敏筒120的第二端為閉口端，開口端與凸臺112連接，以形成腔體121。另外，具體的，第二進水孔102貫穿凸臺112與平衡管130連通，且凸臺112嵌入聲敏筒120的開口端并與之卡持，使得聲敏筒120的開口端內徑尺寸與基座110的凸臺112的外徑尺寸緊配合安裝。需要說明的是，圖1示出的一種光纖光柵水聽器100的基座110為圓柱形結構。圖1中以任意點為原點建立了直角坐標系，其中，x軸方向平行于基座110的中心軸線方向，y軸方向平行于基座110的徑向方向。圖2示出了在沿y軸正方向的視角下圖1中基座110的結構示意圖。圖3示出了在沿x軸正方向的視角下圖1中基座110的結構示意圖。

當然，除了上述方式外，聲敏筒120與基座110也可以采用其他連接方式連接。例如，也可以在基座110的一端設置與聲敏筒120的開口端適配的凹槽，聲敏筒120的開口端插入凹槽并與之卡持。或者，聲敏筒120與基座110之間也可以采用螺紋連接方式連接。

此外，為了保證連接處的密封性，聲敏筒120與基座110的連接處可以采用環氧膠粘接。

本實施例中，上述平衡管130可以為剛性金屬管。當然，為了增加平衡管130的使用壽命，平衡管130可以優選采用不銹鋼管。另外，為了實現較好的耐靜水壓能力以及較大的頻率測量范圍，平衡管130內徑的取值范圍優選為0.5-1mm，外徑的取值范圍優選為2-3mm。例如，平衡管130的內徑可以為0.5mm、0.7mm或1mm，外徑可以為2mm、2.5mm或3mm。例如，平衡管130可以采用內經為0.5mm，外徑為2mm，長度為35mm的不銹鋼管。

具體的，實現平衡管130的第一開口與連通孔111連通的方式可以優選為：平衡管130的一端插入第二進水孔102，且平衡管130的外壁與第二進水孔102的孔壁緊配合。此時，為了進一步穩固平衡管130，可以通過電焊將平衡管130與基座110焊接。當然，除了上述方式外，也可以采用其他能夠實現平衡管130第一開口與連通孔111連通的方式，例如，也可以將平衡管130的一端直接焊接于第二進水孔102的靠近腔體121的開口處。

優選的，平衡管130沿聲敏筒120的中心軸線設置。可以理解的是，實際制作時，在可接受的誤差范圍內，平衡管130的延伸方向與聲敏筒120的中心軸線可能有所偏差。

本實施例提供的光纖光柵水聽器100通過依次連通的連通孔111、平衡管130和聲敏筒120內腔體121構成的聲學腔結構，能夠起到低通濾波的作用，有效地平衡靜水壓，提高耐靜水壓能力以及聲壓信號的頻率測量范圍。

本實施例中，光纖光柵140設置于上述腔體121內，有利于保護光纖光柵140不受損壞，提高水聽器的可靠性。優選的，光纖光柵140的柵區位于平衡管130內。為了提高測量精度，光纖光柵140也沿著聲敏筒120的中心軸線設置。光纖光柵140的第一尾纖141與基座110固定連接，光纖光柵140的第二尾纖142與聲敏筒120的第二端固定連接，光纖光柵140用于測量聲敏筒120在待測聲壓信號作用下發生的軸向變形，輸出攜帶待測聲壓信號的信號光，以便于進一步解調該信號光得到待測聲壓。本實施例中，光纖光柵140可以為普通光纖布拉格光柵或有源光纖光柵。其中，有源光纖光柵包括分布布拉格反射(dbr)結構和分布反饋(dfb)結構。

為了安裝光纖光柵140，基座110內還設置有第一光纖孔113，聲敏筒120的第二端即閉口端設置有第二光纖孔122。可以理解的是，當光纖光柵140沿著聲敏筒120的中心軸線設置時，第一光纖孔113和第二光纖孔122也沿著聲敏筒120的中心軸線設置。其中，第一光纖孔113，用于引出光纖光柵140的第一尾纖141，并與光纖光柵140的第一尾纖141固定連接；第二光纖孔122，用于引出光纖光柵140的第二尾纖142，并與光纖光柵140的第二尾纖142固定連接。例如，可以通過環氧膠分別將第一尾纖141和第二尾纖142相應地粘接固定于第一光纖孔113和第二光纖孔122內。此外，在粘接固定時，可以使光纖光柵140保持一定的預拉，例如，可以保持約100pm的預拉。

此外，為了進一步提高本光纖光柵水聽器100的測量靈敏度，如圖4所示，本實施例提供的光纖光柵水聽器100還包括彈性補償體150，用于提高聲敏筒120內部介質的可壓縮性。本實施例中，彈性補償體150可以采用耐水橡膠材料制成，例如，可以采用聚氨酯材料。彈性補償體150設置于聲敏筒120的腔體121內。例如，可以設置于聲敏筒120的內壁，或者腔體121內的其他位置。當然，為了避免彈性補償體150影響光纖光柵140的測量精度，應避免彈性補償體150與腔體121內設置的光纖光柵140接觸。優選的，彈性補償體150附于平衡管130的外壁。例如，可以通過模具灌注聚氨酯材料，聚氨酯材料固化后則附著于平衡管130的外壁形成彈性補償體150。附著于平衡管130外壁的彈性補償體150的厚度可以根據需要設置，例如可以約為1mm。

通過設置彈性補償體150提高腔體121內部介質可壓縮性，有利于提高本光纖光柵水聽器100的測量靈敏度，使得光纖光柵水聽器100能夠在較大水深變化范圍內即較大的靜壓范圍內保持性能穩定。

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將以圖4示出的一種光纖光柵水聽器100為例，對本實施例提供光纖光柵水聽器100的工作原理及效果進行說明。

總體來看，本光纖光柵水聽器100的聲壓探測原理為：聲敏筒120在待測聲壓作用下發生變形，引起光纖光柵140的軸向拉伸，導致光纖光柵140的反射光的中心波長發生偏移，也就是將水下聲信號轉換成光信號。進一步，通過檢測光纖光柵140的中心波長變化，可以得到待測聲壓的大小。

具體應用中，本光纖光柵水聽器100在靜水壓或低頻變化的準靜態水壓的作用下，外界流體通過連通孔111和平衡管130與聲敏筒120的腔體121內的流體達到壓強平衡。當聲敏筒120的內、外壓強平衡時，聲敏筒120僅發生極其微小的形變，相應地導致光纖光柵140發生極其微小的軸向拉伸。此時，光纖光柵140的中心波長的變化較小，即對對靜水壓或低頻聲壓不敏感，耐靜水壓能力強。

而在較高頻率聲壓作用下時，通過連通孔111和平衡管130向聲敏筒120的腔體121內傳播的聲壓由于存在時延，使得聲敏筒120內的流體暫時達不到與外界流體的壓強平衡。因此，聲敏筒120的內壁和外壁存在瞬時的壓強差，導致聲敏筒120發生較大變形。并且當聲敏筒120內部填充滿液體時，盡管液體的可壓縮性較小，但由于彈性補償體150的存在，增大了聲敏筒120內部介質的可壓縮性。因此，聲敏筒120的變形幅度不會因為內部填充滿液體而發生較大變化。也就是說，在較大的靜壓范圍內，較高頻聲壓都會導致聲敏筒120發生較大形變，引起光纖光柵140的軸向拉伸。此時，光纖光柵140的中心波長變化較大，聲壓靈敏度較高，水聽器對較高頻聲壓敏感。

需要說明的是，本實施例提供的光纖光柵水聽器100中，依次連通的連通孔111、平衡管130和聲敏筒120的腔體121構成的聲學腔結構起到了低通濾波的作用，本光纖光柵水聽器100可檢測的聲壓信號頻率下限與該聲學腔的截止頻率有關。該聲學腔的具體結構可以根據水聽器需要測量的聲壓信號頻率范圍設計。例如，為了盡量降低聲壓信號頻率下限，實現較佳的聲壓信號頻率范圍，平衡管130的內徑的取值范圍可以為0.5-1mm，外徑的取值范圍可以為2-3mm。

為了更好地說明本發明實施例提供的光纖光柵水聽器100的效果。發明人根據圖4示出的光纖光柵水聽器100結構構建了有限元仿真模型。對本實施例提供的光纖光柵水聽器100的波長靈敏度幅頻特性進行仿真，仿真結果如圖5所示。圖5中橫坐標表示聲壓信號的頻率，單位為hz，縱坐標表示水聽器的靈敏度，單位為pm/pa。由圖5可見，對于低頻聲壓信號，水聽器靈敏度較低，即對準靜態聲壓信號不敏感，而對于較高頻聲壓信號，水聽器靈敏度較高，例如，在30hz-2000hz頻段，靈敏度約為0.002pm/pa，且起伏較小，幅頻特性平坦。

綜上所述，本發明實施例提供的光纖光柵水聽器100擯棄了氣囊，采用聲敏筒120作為聲壓敏感元件，平衡管130和光纖光柵140均位于聲敏筒120內，體積小、結構簡單，不僅有利于光纖光柵水聽器100的小型化，還有利于保護光纖光柵140不受損壞。此外，通過依次連通的連通孔111、平衡管130和聲敏筒120的腔體121構成的聲學腔結構，能夠有效地平衡靜水壓，提高耐靜水壓能力以及聲壓信號的頻率測量范圍。進一步，通過在聲敏筒120的腔體121內設置彈性補償體150，增大了聲敏筒120內部介質的可壓縮性，提高了本光纖光柵水聽器100的測量靈敏度，使得光纖光柵水聽器100能夠在較大的靜壓范圍內保持性能穩定。

第二實施例

如圖6所示，本發明第二實施例還提供了一種聲壓傳感系統10，包括光源裝置200、解調裝置300以及上述第一實施例提供的光纖光柵水聽器100。其中，光纖光柵水聽器100可以是一個，也可以是多個。如圖6所示，光源裝置200與解調裝置300均與光纖光柵水聽器100的光纖光柵140光學耦合，其中，箭頭用于示意光信號。光源裝置200發出的探測光進入光纖光柵140，由光纖光柵140反射的探測光作為攜帶待測聲壓信號的信號光入射到解調裝置300，經解調裝置300解調得到待測聲壓。

本實施例中，光源裝置200可以包括激光器或激光二級管等。

本實施例中，解調裝置300可以包括采用波長解調模塊、光電探測器和數據處理模塊。光源裝置200、光纖光柵水聽器100和光電探測器均與波長解調模塊光學耦合，數據處理模塊與光電探測器耦合。波長解調模塊用于解調光纖光柵140輸出的信號光的中心波長變化量。光電探測器用于將波長解調模塊輸出的光信號轉換為電壓信號，并將該電壓信號發送給數據處理模塊。數據處理模塊用于處理該電壓信號得到待測聲壓。

本實施例中，波長解調模塊可以包括非平衡干涉儀，通過非平衡干涉儀波長解調方法對光纖光柵140輸出的信號光進行解調得到光纖光柵140輸出的信號光的中心波長變化量。例如，非平衡干涉儀可以采用光纖式邁克爾遜干涉儀或光纖式馬赫-曾德干涉儀。

數據處理模塊可以為計算機，或者也可以為單片機、dsp、arm或fpga等具有數據處理功能的芯片。數據處理模塊可以通過預設的基于相位產生載波算法的波長解調算法或基于外差探測的波長解調算法處理得到光纖光柵140輸出的信號光的中心波長變化量，進而根據該中心波長變化量得到待測聲壓。

當然，本實施例提供的聲壓傳感系統10，除了上述結構外，還可以包括其他的結構，例如光學隔離器、顯示器等。這些其他結構具體可以參照現有的聲壓傳感系統，此處不作詳細說明。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。