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芯轴式干涉型光纤水听器深海探头的研制：学术报告

1. 研究作者及发表信息

本研究由王俊、陈开、唐靖、陈小宝（1. 中国电子科技集团公司第二十三研究所；2. 上海光传输与光传感工程技术研究中心）合作完成，发表于期刊《光纤与电缆及其应用技术》（*optical fiber & electric cable and their applications*）2019年第4期。

2. 学术背景

科学领域：本研究属于光纤传感技术与深海探测的交叉领域，核心为芯轴式干涉型光纤水听器（mandrel interferometric optical fiber hydrophone）的深海应用。
研究动机：随着国家海洋战略的推进，深海环境（静水压高、环境噪声低）对光纤水听器的性能提出了更高要求。传统浅海光纤水听器无法兼顾高静水压稳定性与高灵敏度，亟需开发适用于深海（如5000米）的新型探头。
研究目标：设计一种能在深海环境下保持约-140 dB re 1 rad/μPa声压灵敏度的光纤水听器探头，并验证其声学性能与耐压稳定性。

3. 研究流程与方法

3.1 声敏元件设计

• 敏感光纤选择：采用高强度碳密封光纤，以提升疲劳抗性。
  
• 弹性体材料优化：基于归一化声压灵敏度公式（δφ/φδp = (1-2ν)/E），通过有限元分析筛选低体积模量（k）材料，确保高灵敏度。
  
• 耐压强度仿真：使用有限元软件模拟5000米静水压（50 MPa）下的应力分布，依据第四强度理论（σ_m ≤ σ_s/m）校核结构安全性（安全系数m=1.2~2.5）。
  
• 灵敏度仿真：通过静力学分析计算敏感光纤长度变化（δl），推导声压灵敏度（S_p,e = 20lg(4πnδl/λδp)）。
  

3.2 舱体与水密封装设计

• 舱体结构：采用“小外形、大内腔”的耐压设计，材料选用高强度耐腐蚀合金。
  
• 封装材料：需满足透声性、低温固化性及耐霉菌性，通过实验优选复合聚合物材料。
  

3.3 性能测试

• 常压声压灵敏度测试：按GB/T 3223—1994标准，采用驻波场比较法，在20–800 Hz频段测得平均灵敏度为-139.6 dB。
  
• 静水压灵敏度测试：使用高静水压低频测量系统（图4），在20–50 MPa压力范围内，灵敏度波动仅1.6 dB，证实压力稳定性。
  
• 应变稳定性测试：通过光频域反射仪（OFDR）监测光程差变化，结果显示0–50 MPa压力下线性应变约0.7 m，重复加压后数据一致。
  
• 光路损耗测试：静水压下损耗变化≤1 dB，但随压力增大呈上升趋势，提示需优化光纤绕制工艺。
  

4. 主要研究结果

• 声学性能：探头在5000米水深（50 MPa）下灵敏度稳定在约-140 dB，满足深海低噪声探测需求。
  
• 耐压性能：光程差与压力呈线性关系，应变可控；光路损耗虽随压力增加，但未影响信号解调。
  
• 局限性：高频段（>200 Hz）灵敏度下降，可能与探头尺寸与测试腔不匹配有关；光路损耗的压致增长需进一步优化。
  

5. 研究结论与价值

• 科学价值：首次实现芯轴式干涉型光纤水听器在深海环境的高灵敏度（-140 dB）与高稳定性（50 MPa下光程差线性变化）结合，为深海声学传感提供了新方案。
  
• 应用价值：该探头可应用于海底固定阵列、军事侦察及海洋环境监测，支撑国家深海战略。
  

6. 研究亮点

• 技术创新：
  
  • 弹性体材料选择与有限元仿真结合的灵敏度设计方法；
    
  • 高静水压（50 MPa）下光路损耗控制技术；
    
  • 自主研发的深海探头测试系统（如OFDR在线监测）。
    
• 成果创新：首次报道5000米级深海光纤水听器探头的实测数据，填补了国内该领域空白。
  

7. 其他有价值内容

• 致谢：杭州声学应用研究所何涛高工在静水压测试中提供了关键技术支持。
  
• 未来方向：需优化高频灵敏度衰减及封装工艺以进一步提升可靠性。
  

（报告总字数：约1500字）