类型a：学术研究报告

作者及机构
本文作者Graham F. McDearmon来自Goodyear Aerospace Corporation（美国俄亥俄州阿克伦市），研究发表于1987年5月的*Journal of Lightwave Technology*（卷LT-5，第5期）。

学术背景
该研究属于光纤传感技术领域，聚焦于水下声学探测的核心问题。传统Mach-Zehnder干涉仪型光纤水听器仅调制单臂光相位，灵敏度受限。作者提出一种新型“推挽式（push-pull）光纤水听器”，通过同轴双管结构实现双光纤臂的180°反相声压调制，理论上可将灵敏度提升一倍。研究背景包括：
1. 技术瓶颈：早期光纤水听器（如Bucaro、Giallorenzi等提出的设计）受限于环境噪声干扰和灵敏度不足；
2. 创新目标：通过机械结构优化增强声压响应，并利用共模抑制（common-mode rejection）降低热噪声等干扰；
3. 理论基础：结合弹性力学（平面应变假设）、光纤热力学模型及光弹性效应（photoelastic effect）建立理论框架。

研究流程与方法
1. 结构设计
- 核心组件：采用同轴双管结构，内管（tube 1）和外管（tube 2）分别缠绕单模光纤（single-mode optical fiber），声压作用于两管异侧（内管内壁/外管外壁），使两臂光纤相位调制幅度相等、相位相反。
- 热管理：将干涉臂热沉（heat sinked）于高导热材料管体，外部填充声阻抗匹配材料以隔离介质热波动。

1. 理论建模

   • 力学分析：基于线性弹性理论，推导管体在声压下的径向位移公式（式1-6），引入平面应变（plane strain）假设简化计算。
     
   • 光纤响应：假设光纤完美粘结于管体，其轴向应变等于管体周向应变（式26），并通过光弹性系数（Pockels coefficients, p₁₁, p₁₂）计算相位变化（式24）。
     
   • 灵敏度优化：通过约束条件（式35-38）确定最大增益系数g(max)，进而优化管体半径比（式40-41）。
     

2. 性能验证

   • 灵敏度计算：推挽结构使相位变化Δφ/φ=4pqg(max)/E（式42），理论灵敏度达0.382×10⁻⁶ cm²/dyne。
     
   • 最小可检测压力：p(min)=29.6 dB re 1 μPa/√Hz（1 kHz频段），优于海况零噪声水平（图3）。
     
   • 应力验证：通过有限元法校验光纤层（如硅包层cladding）的轴向应力极限（式54-57），确认设计安全性。
     

主要结果
1. 机械响应：同轴双管结构实现双光纤臂的180°反相调制，灵敏度较单管设计提升2倍（式29-30）。
2. 噪声抑制：双臂对称布局与共模抑制机制显著降低热噪声（式32），温度依赖性部分（h(Δθ₁-Δθ₂)）可通过材料选择进一步优化。
3. 深度适应性：通过管体半径约束（式45）确保动态范围，示例中管体尺寸（a₁=2.323 cm, b₂=2.769 cm）支持6.9×10⁶ dyne/cm²静水压（约700米水深）。

结论与价值
1. 科学价值：提出首个基于推挽原理的光纤水听器理论模型，为高灵敏度干涉式声学传感器设计提供新范式。
2. 应用价值：轻量化（总质量<25 g）、低噪声特性使其适用于深海探测和军事声呐系统，性能媲美传统压电陶瓷水听器（如U.S. Navy H56）。
3. 方法论创新：将弹性力学与光纤光学耦合分析，建立可扩展的闭环近似（closed-form approximation）设计框架。

研究亮点
1. 结构创新：同轴双管推挽设计首次实现双光纤臂的反相声压调制；
2. 多物理场建模：综合力学、热学与光学效应，量化灵敏度与噪声极限；
3. 工程可行性：通过铝合金管体（2024-T3）与单模光纤（ITT T-1601）的实测参数验证理论（表1），具备可制造性。

其他要点
- 局限性：低频假设（波长>>管尺寸）限制高频应用，后续需研究声散射效应；
- 扩展方向：偏振保持光纤（polarization-preserving fibers）可进一步抑制偏振衰落（polarization fading）。