一种具有声低通滤波特性的无源零差光纤水听器

　　1 引言

　　自从1977年第一个光纤水听器被报道以来[1,2],在军事和民用巨大应用前景的推动下,该技术获得了迅速的发展,已从最初的基础研究发展到考虑构成未来的声纳系统[3]。与传统的压电声纳系统相比,由光纤水听器构成的现代新型声纳系统具有传感端无源、水密性好、灵敏度高、动态范围大、检测频带宽、结构设计灵活、抗电磁干扰、耐高温高压等诸多优点[3~5]。光纤水听器按工作原理可分为强度型[5]、偏振型[5]、干涉型[6~9]、光纤光栅型[10]等,其中最有发展前途的是灵敏度最高的干涉型光纤水听器[3,4]。虽然基于法布里-珀罗[8]、萨尼亚克[9]等各种干涉仪的光纤水听器已经被演示验证成功,但在各种系统中采用最多的是复用效率最高的基于迈克耳孙[7]和马赫-曾德尔[6]干涉仪的光纤水听器,它们最有可能构成未来的声纳系统[3]。

　　在一般的声纳系统中,都需要对声传感器获得的原始信号进行抗混叠滤波预处理。由于干涉型光纤水听器是以高灵敏度的相干检测技术为基础的,当声场中存在高频干扰时,混叠在光学干涉信号中就已经产生,无法通过常规的电路抗混叠滤波技术来消除。唯一有效的途径是,在信号采样之前进行机械滤波。虽然机械的抗混叠滤波光纤水听器早有报道[11,12],但它们都是采用柔软的海绵状橡胶吸声体来实现滤波。由于橡胶材料物理特性的不确定性,使得无法从理论上来分析光纤水听器的声学特性。此外,由于海绵状橡胶非常松软,使得这种光纤水听器抗静水压的能力很差。

　　基于美国贝尔实验室的J. L. Flanagan教授提出的数字话音系统中的声滤波器设计原理[13,14],本文设计了一种新颖的迈克耳孙型抗混叠光纤水听器。该光纤水听器利用一个金属圆柱型亥姆霍兹共振器来实现抗混叠滤波。金属圆柱的使用,大大提高了光纤水听器抗静水压的能力,而且有利于抗混叠声滤波器的设计和光纤水听器声学特性的理论分析。

　　2 光纤水听器设计

　　图1为设计的一种简单的无源零差抗混叠滤波光纤水听器示意图。它的传感部分是一个臂差为15m的全保偏迈克耳孙光纤干涉仪。使用的光纤为熊猫型保偏光纤,纤芯直径为8μm,外包层直径为246μm,K=1550nm处的传输损耗为0.43dB/km。该光纤水听器由一个缠绕传感光纤的铝质芯轴和一个铝质圆柱型亥姆霍兹共振器构成,它们之间通过泡沫连接,泡沫起到隔声的作用。芯轴外表面覆有一层约2mm厚的聚氨酯弹性增敏层,传感光纤紧绕在其外表面,光纤层的表面涂有一层很薄的环氧树脂,起到保护光纤的作用。芯轴长50mm,总外径(包括弹性层、光纤层以及保护层)为15mm,中间是一个直径为5mm的孔。圆柱型亥姆霍兹共振器的外径为30mm,总长度为90mm,圆柱面和两个端面的厚度都为4mm。端面的小圆孔直径为1.6mm。