20Hz～10kHz光纤水听器相移灵敏度校准

　　0　引言

　　光纤水听器是当前工程应用最迫切的新型水声传感器.与传统的压电水听器相比，光纤水听器具有探测灵敏度高、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声纳的一个重要发展方向.因此，自世界上第一篇有关光纤水听器的论文发表后[1]，各军事强国纷纷投入大量人力、财力和物力进行光纤水听器及其阵列的研究和试验[2-5]，其中以美国的研究工作最具代表性.

　　由于光纤水听器性能优异，应用前景广阔，国内众多单位也纷纷开展光纤水听器的研究和应用[6-10].光纤水听器探头相移灵敏度的校准也一直受到人们的重视，文献[11-13]开展了干涉条纹计数法和贝塞尔函数比值法的研究.干涉条纹计数法的优点是直观、形象，但只能人工读数，在信号较小且有干扰时误差较大.

　　贝塞尔函数比值法利用贝塞尔函数比值求得干涉型光纤水听器的光相移量，在信噪比不高时校准准确度较差.随着我国光纤水听器实用化进程的加快，迫切需要建立能精确校准和计量光纤水听器探头相移灵敏度的校准方法和测量技术.

　　当前在干涉型光纤传感器检测技术中应用非常广泛的相位生成载波(Phased　Generator　Carrier，PGC)解调技术[14-16]具有检测灵敏度高、动态范围大、线性度好、无源解调等特点，非常适合光纤水听器探头相移灵敏度的精确测量.但从文献检索来看，利用PGC解调技术校准光纤水听器相移灵敏度未见报道.

　　本文建立了光纤水听器探头相移灵敏度校准方法和基于反正切计算的PGC解调技术，采用驻波管比较法和自由场脉冲比较法实现了20Hz～10kHz频率范围光纤水听器探头相移灵敏度的准确校准.驻波管比较法校准的扩展不确定度(k=2)为0.8dB，自由场脉冲比较法校准的扩展不确定度(k=2)为0.9dB.

　　1　校准方法

　　光纤水听器工作频率基本都在10kHz频率以下.低于1.25kHz频率光纤水听器的校准通常在声压场中进行.常用的方法有振动液柱法[17]和驻波管比较法.

　　由于振动液柱法利用液柱的振动进行测量，对被测水听器的形状和结构设计有一定要求.相比之下，驻波管比较法更适合光纤水听器低频灵敏度的校准.1.25kHz以上频率光纤水听器的校准一般在自由场中进行.

　　常用的相移灵敏度校准方法，是先校得干涉型光纤水听器的声压灵敏度，再扣除声压-相移灵敏度转换系数，到光纤水听器探头的相移灵敏度;或者是发射正弦连续波信号，利用标准水听器比较法得到光纤水听器探头的相移灵敏度.前者不是一种直接测量方法，后者容易受边界反射声的影响.

　　因此，为了营造更好的自由场测量条件，确保校准的测量准确度，本文采用正弦脉冲声技术校准光纤水听器探头的相移灵敏度，该技术也更接近光纤水听器的工程实际应用要求.