光纤光栅水声传感器静压平衡机理及其低频响应特征研究

Hydrostatic pressure stability is the key issue for the practical applications of fiber grating underwater acoustic sensors. The current pressure compensation scheme of such sensors lack of proper theoretical model,and pressure compensation mechanism designs can not meet the needs of engineering applications..The project intends to do further research of the applicant's previous studies on frequency response characteristics of the fiber grating hydroacoustic sensors. By developing an electro-acoustical analog model with a load based on the lumped parameter moded and the electro-acoustic method, and equivalent the micro-sensor structure to the load, the response of the fiber grating hydroacoustic sensor will be quantitatively analyzed and the mathematical expression of the high-pass response wil be aquired. This work aims to clarify the effects of the sensor structural parameters on the the acoustic response, and the theory will be walidated by a finite element simulation with multi-physical model. This work will propose a methods to optimize the low frequency response of the sensors and broaden the operating bandwidth by introducing a flexible compensation structure, which is used to reduce the cut-off frequency..This work will make sensor samples and test the responses. Through the implementation of this project, a new multiphysical model will be created, a clear correspondence between the the fiber grating hydroacoustic sensor's structure parameters and its acoustic response characteristics, as well as a methods to optimize the low frequency response will be aquired, which is significant for advancing the applications of such sensors in underwater target detection, navigation, measurement, communications and underwater resources exploration where there is a high hydrostatic pressure environment.

静水压下的稳定性问题是光纤光栅水声传感器实用化的关键问题。目前该类传感器的平衡静压机理缺乏完善的理论模型，平衡静压设计不能满足工程应用需要。本项目首先在申请人前期关于光纤光栅水声传感器频率响应特性研究的基础上，通过集中参数模型和声电类比方法，建立一种带负载的声电类比模型，将传感器中的微结构等效为负载进行分析，量化分析传感器的动态响应特征，给出低频近似情况下响应特性的数学表达，明确各结构参数在模型中的作用；然后建立包含声场和结构应变的多物理场有限元模型，进行模拟验证；最后进一步提出通过引入弹性补偿体结构降低截止频率增加工作带宽，以满足工程应用，并制作传感器样品进行测试。通过本项目的实施，建立新的多物理量模型，明确传感器结构参数与其声学响应特征的对应关系，得到优化低频响应的方法和新型传感器设计，对推进该类传感器在水下目标探测、导航、测量、通信和水下资源勘探等高静压环境下的应用具有重要的意义。

光纤光栅水声传感器在水下国防、海洋石油勘探、地震检波以及海洋环境监测等领域具有广泛的应用前景，但是，其特殊的传感机理带来静水压下新的应用问题，成为阻碍其实用化的关键。该类传感器的平衡静压机理缺乏完善的理论模型，无论从基本理论还是结构设计，都缺乏深入的研究，平衡静压设计不能满足工程应用需要。本项目针对上述问题，开展了光纤光栅类水声传感器静压平衡机理及其低频响应特征的研究。.主要研究内容包括：（1）研究建立了涵盖流体和固体多物理量的平衡静压的光纤光栅水声传感器的声学模型，解决流体和固体模型的耦合问题。（2）对平衡静压光纤光栅水听器的响应特征进行理论分析，并进行了仿真优化。（3）制作了带静压补偿的有源光纤光栅水听器样品，建立了低频测试系统，对低频响应特性进行了实验研究。.获得的结果及数据包括：.（1）针对平衡静压的光纤光栅水声传感器，建立了声固耦合的多物理量物理模型，解决了现有物理模型单一、物理过程不够完善的问题，获得了低频响应的表达式，为光纤光栅水声传感器的设计提供理论基础。.（2）提出一种高灵敏度的具有静压平衡功能的光纤光栅空气声传感器，并进行了理论和实验研究，获得了-10 dB re 1 pm/Pa的极高动态声压灵敏度和在10 Hz到2.5 kHz范围内较平坦的响应特性；通过静压平衡，获得-0.27 pm/atm的静压灵敏度，比动态声压灵敏度在幅度上降低了100 dB。研究结果发表在《Chinese optics letters》上。.（3）提出一种在声学腔中加入弹性补偿结构，结合毛细平衡静压管，获得极高动态灵敏度和低截止频率高通滤波响应特性的光纤光栅水声传感器的方法，并采用分布反馈式光纤激光器进行了实验，获得了120 dB re Hz/Pa的动态灵敏度，在40 Hz到4 kHz的水声频段获得平坦的响应特性，同时静压灵敏度只有-11E-6 pm/Pa，在0-3 MPa的测试压强范围内激光波长具有良好的稳定性。研究结果发表在《IEEE Photonics Technology Letters》上。.本项目深入研究了光纤光栅水声传感器的静压平衡机理和低频响应特征，提出了解决静压平衡和优化低频响应的方案，得到优化动态灵敏度、低频响应的方法和新型传感器设计，对完善该类传感器的设计理论，推进该种传感技术在相关领域的应用，具有重要意义。