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深海高性能光纤水听器的创新设计与性能研究
一、作者与发表信息
本研究由Dong Guang、Xiaoyuan Sun、Jinhui Shi、Xuqiang Wu（IEEE高级会员）、Cheng Zuo、Pengcheng Zhu及Benli Yu合作完成，作者均来自Anhui University（中国安徽大学）的Key Laboratory of Opto-Electronic Information Acquisition and Manipulation, Ministry of Education。研究成果发表于IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement（2025年，卷74，文章编号7010509）。
二、学术背景
科学领域：本研究属于光纤传感技术（fiber optic sensing）与水下声学探测领域，聚焦于干涉式光纤水听器（interferometric fiber optic hydrophone, FOH）在深海环境中的应用。
研究动机：深海环境中，可靠的声学路径（reliable acoustic path）具有低传输损耗和背景噪声的特性，是远程探测水下目标的理想通道。然而，现有FOH在高压（40 MPa）下的灵敏度稳定性与光程差（optical path difference, OPD）匹配问题尚未解决。
研究目标：设计一种基于芯轴结构（mandrel structure）的高性能FOH，通过弹性层与刚性层的结合提升灵敏度与抗静水压能力，并开发OPD校正方法以优化相位分辨率。
三、研究流程与方法
传感器设计与理论建模
- 芯轴结构：刚性层（铝合金7075）与弹性层（聚氨酯空心管）组合，光纤缠绕于两层表面。
- 理论模型：基于弹性力学（elastic mechanics）推导径向位移与应变公式，分析材料参数（杨氏模量、泊松比）对灵敏度的影响（图3-5）。
- 仿真验证：通过有限元分析预测径向位移与OPD变化，优化半径比（r1/r2=8⁄18 mm）与材料参数（表I）。
实验系统搭建
- 干涉系统：采用3×3耦合器的Michelson干涉仪（MI），窄线宽激光调制（频率1 kHz），法拉第旋转镜（FRM）消除偏振衰落。
- 信号解调：结合椭圆拟合算法（EFA）和反正切算法（atan）提取相位信号（图1）。
性能测试
- 灵敏度测试：在0–40 MPa静水压下，使用封闭腔比较法（GB/T 4130–2017）校准，参考标准水听器（灵敏度−196 dB re 1 V/μPa）对比。
- OPD校正：通过调制信号幅度与静水压的线性关系（图12），校正内外光纤长度不匹配问题（公式21）。
噪声与最小可检测压力（MDP）分析
- 相位噪声：测试不同OPD下的系统噪声（图13），优化光纤长度匹配（l1=29.14 m，l2=29.58–29.94 m）。
- MDP计算：在40 MPa下，1 kHz频率处MDP达7.08 μPa/√Hz（图14）。
四、主要结果
- 灵敏度性能：在10 Hz–2 kHz频段内，平均灵敏度稳定在−140 dB re 1 rad/μPa（图8），与理论值（−139.935 dB）高度吻合。
- OPD线性变化：静水压每增加1 MPa，OPD变化0.0151 m（R²=0.9996），总变化量达0.604 m（图11-12）。
- 噪声优化：校正后相位分辨率提升11 dB，低频（100 Hz）MDP降至31.62 μPa/√Hz。
五、结论与价值
- 科学价值：
- 提出芯轴结构的弹性-刚性层耦合机制，解决了高压环境下灵敏度与稳定性矛盾。
- 首次建立OPD与静水压的线性关系模型，为深海压力探测提供新方法。
- 应用价值：
- 适用于深海目标探测、油气勘探及地震监测，支持大规模阵列部署（基于3×3耦合器的PMDI-TDM技术）。
六、研究亮点
- 创新结构：弹性层（聚氨酯）与刚性层（铝合金）组合设计，兼顾高灵敏度和40 MPa抗压能力。
- OPD校正方法：通过调制信号实时评估OPD不匹配，显著降低系统噪声。
- 性能优势：MDP优于同类报道（如文献[18]的13.68 μPa/√Hz），低频探测能力突出。
七、其他价值
- 长期稳定性与低频振动屏蔽能力的后续优化方向被提出，为深海复杂环境应用提供改进路径。
此研究为深海光纤传感技术提供了重要的理论与实验基础，其高灵敏度与抗压性能的平衡设计具有广泛的工程应用潜力。