本发明涉及一种光纤激光水听器，包括含有源光纤光栅的光纤、两个弹性膜片、筒体、端头和护套；其中弹性膜片包括上膜片、下膜片和支撑柱，弹性膜片上开设过纤孔，过纤孔为贯穿上膜片、下膜片与支撑柱的贯通孔，两个弹性膜片分别连接在筒体的两端，该水听器通过在结构中增加两个弹性膜片，并对弹性膜片的结构形状进行了专门设计，使得水听器能够更好的拾取低频声信号，对加速度产生的能量的吸收能力更强，可以更有效的消耗加速度产生的动能，利于抑制加速度响应，并适应实际应用中对水听器细线化的需求，同时在保证低频高灵敏度的同时，减小了水听器的直径，更适合应用在超细型水听器阵列系统中，便于水下小型移动平台使用。
1.一种光纤激光水听器，包括光纤(1)、筒体和端头(6)，其特征在于：还包括两个弹性膜片(2)，所述弹性膜片(2)包括上膜片(22)、下膜片(25)和连接上膜片(22)与下膜片(25)的支撑柱(24)，弹性膜片(2)上开设过纤孔(23)，所述过纤孔(23)为贯穿上膜片(22)、下膜片(25)与支撑柱(24)的贯通孔，两个弹性膜片(2)分别连接在筒体的两端，光纤(1)从筒体一端的过纤孔(23)中穿入，从筒体另一端的过纤孔(23)中穿出，并与弹性膜片(2)固定连接，端头(6)为两个，分别固定连接在连接有弹性膜片(2)的筒体两端，光纤(1)的两端分别从端头(6)开设的过纤孔中穿过；所述上膜片(22)与下膜片(25)的高度相同均为h1，支撑柱(24)的高度为h2，满足h1:h2＝3:5～10。
2.根据权利要求1所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述上膜片(22)与下膜片(25)的表面边缘处设有环形凸台(21)，通过环形凸台(21)与筒体的两端固定连接。
3.根据权利要求2所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述环形凸台(21)与上膜片(22)或下膜片(25)一体化成型，环形凸台(21)与筒体的两端通过粘接胶固定连接。
4.根据权利要求2所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述环形凸台(21)的外径R外与内径R内之差△R满足：△R:R外＝1:4～8。
5.根据权利要求2所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述环形凸台(21)的高度h3与上膜片(22)或下膜片(25)的高度h1满足：h3:h1＝1:1～3。
6.根据权利要求1所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述上膜片(22)或下膜片(25)的高度h1为0.2～0.5mm；所述弹性膜片(2)的材料为聚氨酯弹性体。
7.根据权利要求1-6之一所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述筒体由金属框架(3)和弹性体(4)组成，所述金属框架(3)为圆柱形中空结构，表面开设若干个与内部连通的凹槽，弹性体(4)套装在金属框架(3)表面，且弹性体(4)的厚度为0.3～0.5mm。
8.根据权利要求1-6之一所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述筒体内部填充硅油(6)，光纤(1)处于筒体的轴线位置，过纤孔(23)中填充胶液实现光纤(1)与弹性膜片(2)的固定连接。
9.根据权利要求1-6之一所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述端头(5)上设有灌胶槽(51)、端头过纤孔(52)、第一阶梯槽(53)和第二阶梯槽(54)，连接有弹性膜片(2)的筒体一端与第二阶梯槽(54)的内壁面配合连接，弹性膜片(2)与第一阶梯槽(53)的底面之间形成气腔；光纤(1)的两端分别穿过端头过纤孔(52)，并在光纤(1)的两端套装护套(7)，护套(7)端面与灌胶槽(51)的底面接触，灌胶槽(51)内注入胶液进行密封。
10.根据权利要求9所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述弹性膜片(2)与第二阶梯槽(53)的底面之间形成的气腔沿筒体轴线方向的长度为0.2-0.5mm。
11.根据权利要求1-6之一所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述光纤激光水听器的直径不大于6mm，长度不大于55mm。
12.根据权利要求1-6之一所述的光纤激光水听器，其特征在于：所述金属框架(3)的外径不大于5mm，壁厚不大于0.5mm，长度不大于40mm；所述筒体外径不大于6mm，长度不大于
13.权利要求1-6之一所述的光纤激光水听器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)、将弹性膜片(2)通过粘接胶粘接固定在筒体两端，通过弹性膜片(2)的过纤孔(23)将硅油注入筒体中；
步骤(2)、将光纤(1)从筒体一端的过纤孔(23)穿入，从筒体另一端的过纤孔(23)中穿出，通过在过纤孔(23)中灌注胶液，将光纤(1)与弹性膜片(2)固定连接，并使光纤(1)处于筒体的轴线位置；
步骤(3)、将端头(6)分别安装在粘接有弹性膜片(2)的筒体两端，使得连接有弹性膜片(2)的筒体一端与端头(6)的第二阶梯槽(54)的内壁面配合连接，弹性膜片(2)与端头(6)的第一阶梯槽(53)的底面之间形成气腔，光纤(1)的两端分别穿过端头(6)的端头过纤孔(52)伸入端头(6)的灌胶槽(51)内；
步骤(4)、在光纤(1)的两端套装护套(7)，使护套(7)端面与端头(6)的灌胶槽(51)的底面接触，灌胶槽(51)内注入胶液进行密封；
步骤(5)、在端头(5)及筒体的外表面刷涂胶液形成胶膜。
14.根据权利要求13所述的光纤激光水听器的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中形成的胶膜厚度为0.2～0.3mm。
15.根据权利要求13所述的光纤激光水听器的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的粘接胶、步骤(2)、(4)、(5)中的胶液均为聚氨酯。
一种光纤激光水听器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光纤激光水听器及制备方法，尤其涉及一种超细型光纤激光水听器及制备方法，属于光纤传感领域技术领域。
背景技术
[0002] 光纤激光水听器依托“有源”光纤光栅技术，将“有源”光纤光栅作为敏感元件，在掺铒或铒镱共掺光纤上刻写具有一定相移的光纤布拉格光栅形成分布反馈式光纤激光器。通过检测外界声压作用于该激光器谐振腔后引起的相移变化获得水声信号。由于“分布反馈式光纤激光器是在光纤上直接刻蚀光栅，其直径就是光纤的直径，所以对其封装后得到的光纤激光水听器不仅具有光纤水听器低频高灵敏度、抗电磁干扰等优点，其直径、重量等也远小于普通水听器和干涉式光纤水听器，但是目前光纤激光水听器大多采用单模片结构，低频响应一致性不佳，同时单模片由于在工艺上一致性成型较难，使单模片在质量上分布不一致，在加速度抑制上并不理想，影响了光纤激光水听器的工程应用。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种光纤激光水听器，该水听器通过在结构中增加两个弹性膜片，并对弹性膜片的结构形状进行了专门设计，使得水听器能够更好的拾取低频声信号，对加速度产生的能量的吸收能力更强，可以更有效的消耗加速度产生的动能，利于抑制加速度响应，并适应实际应用中对水听器细线化的需求，同时在保证低频高灵敏度的同时，减小了水听器的直径，更适合应用在超细型水听器阵列系统中。
[0004] 本发明的另外一个目的在于提供一种光纤激光水听器的制备方法。
[0005] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
[0006] 一种光纤激光水听器，包括光纤、筒体和端头，还包括两个弹性膜片，所述弹性膜片包括上膜片、下膜片和连接上膜片与下膜片的支撑柱，弹性膜片上开设过纤孔，所述过纤孔为贯穿上膜片、下膜片与支撑柱的贯通孔，两个弹性膜片分别连接在筒体的两端，光纤从筒体一端的过纤孔中穿入，从筒体另一端的过纤孔中穿出，并与弹性膜片固定连接，端头为两个，分别固定连接在连接有弹性膜片的筒体两端，光纤的两端分别从端头开设的过纤孔中穿过；所述上膜片与下膜片的高度相同均为h1，支撑柱的高度为h2，满足h1:h2＝3:5～10。
[0007] 在上述光纤激光水听器中，所述上膜片与下膜片的表面边缘处设有环形凸台，通过环形凸台与筒体的两端固定连接。
[0008] 在上述光纤激光水听器中，所述环形凸台与上膜片或下膜片一体化成型，环形凸台与筒体的两端通过粘接胶固定连接。
[0009] 在上述光纤激光水听器中，所述环形凸台的外径R外与内径R内之差△R满足：△R:R外＝1:4～8。
[0010] 在上述光纤激光水听器中，所述环形凸台的高度h3与上膜片或下膜片的高度h1满足：h3:h1＝1:1～3。
[0011] 在上述光纤激光水听器中，所述上膜片或下膜片的高度h1为0.2～0.5mm；所述弹性膜片的材料为聚氨酯弹性体。
[0012] 在上述光纤激光水听器中，所述筒体由金属框架和弹性体组成，所述金属框架为圆柱形中空结构，表面开设若干个与内部连通的凹槽，弹性体套装在金属框架表面，且弹性体的厚度为0.3～0.5mm。
[0013] 在上述光纤激光水听器中，所述筒体内部填充硅油，光纤处于筒体的轴线位置，过纤孔中填充胶液实现光纤与弹性膜片的固定连接。
[0014] 在上述光纤激光水听器中，所述端头上设有灌胶槽、端头过纤孔、第一阶梯槽和第二阶梯槽，连接有弹性膜片的筒体一端与第二阶梯槽的内壁面配合连接，弹性膜片与第一阶梯槽的底面之间形成气腔；光纤的两端分别穿过端头过纤孔，并在光纤的两端套装护套，护套端面与灌胶槽的底面接触，灌胶槽内注入胶液进行密封。
[0015] 在上述光纤激光水听器中，所述弹性膜片与第二阶梯槽的底面之间形成的气腔沿筒体轴线方向的长度为0.2-0.5mm。
[0016] 在上述光纤激光水听器中，所述光纤激光水听器的直径不大于6mm，长度不大于55mm。
[0017] 在上述光纤激光水听器中，所述金属框架的外径不大于5mm，壁厚不大于0.5mm，长度不大于40mm；所述筒体外径不大于6mm，长度不大于40mm。
[0018] 一种光纤激光水听器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0019] 步骤(1)、将弹性膜片通过粘接胶粘接固定在筒体两端，通过弹性膜片的过纤孔将硅油注入筒体中；
[0020] 步骤(2)、将光纤从筒体一端的过纤孔穿入，从筒体另一端的过纤孔中穿出，通过在过纤孔中灌注胶液，将光纤与弹性膜片固定连接，并使光纤处于筒体的轴线位置；
[0021] 步骤(3)、将端头分别安装在粘接有弹性膜片的筒体两端，使得连接有弹性膜片的筒体一端与端头的第二阶梯槽的内壁面配合连接，弹性膜片与端头的第一阶梯槽的底面之间形成气腔，光纤的两端分别穿过端头的端头过纤孔伸入端头的灌胶槽内；
[0022] 步骤(4)、在光纤的两端套装护套，使护套端面与端头的灌胶槽的底面接触，灌胶槽内注入胶液进行密封；
[0023] 步骤(5)、在端头及筒体的外表面刷涂胶液形成胶膜。
[0024] 在上述光纤激光水听器的制备方法中，所述步骤(5)中形成的胶膜厚度为0.2～0.3mm。
[0025] 在上述光纤激光水听器的制备方法中，所述步骤(1)中的粘接胶、步骤(2)、(4)、(5)中的胶液均为聚氨酯。
[0026] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0027] (1)、本发明创新性的在水听器的筒体结构两端各增加一个弹性膜片，并且弹性膜片采用特殊的结构设计，即采用截面为“工”字型的结构，通过采用双工字型弹性膜片装夹有源光纤光栅，与单膜片相比，工字型膜片采用上膜片、下膜片与支撑柱的结构设计，同时对支撑柱与上下膜片的高度比例进行优化设计，使得双工字型膜片在压力作用下，中心位置为平动，保证了有源光纤光栅形变量的稳定伸长，同时由于双工字型膜片谐振频率比单模片频率低，更有助于水听器拾取低频声信号；
[0028] (2)、本发明水听器采用双工字型膜片的结构设计，在抑制加速度方面，工字形膜片相比单膜片为二阶阻尼单元，对加速度产生的能量的吸收能力更强，可以更有效的消耗加速度产生的动能，利于抑制加速度响应，增强了水听器的稳定性；
[0029] (3)、本发明水听器的上下膜片的表面边缘处设有环形凸台，通过环形凸台与筒体的两端固定连接，采用该边缘厚中间薄的膜片设计，同时支撑柱具有一定的质量，使得膜片中心位置连同支撑柱具有较小的机械阻抗，易于变形，进一步当有声压作用在水听器上时更易于将声压转化为膜片的变形，进而转化为有源光纤光栅的波长变化量，提高水听器对微弱信号的探测能力；
[0030] (4)、本发明通过对工字型弹性膜片的结构形状、尺寸比例关系等参数进行了进一步优化设计，并通过大量试验进行验证，给出了最佳的弹性膜片结构设计，进一步抑制了加速度响应，增强了水听器的抗加速度噪声性能；
[0031] (5)、本发明采用有源光纤光栅作为敏感元件，通过小型化结构设计以及封装实现超细型光纤激光水听器，在保证低频高灵敏度的同时，减小了水听器的直径，更适合应用在超细型水听器阵列系统中，便于水下小型移动平台使用。
[0032] (6)、本发明与现有技术相比，克服了现有技术中有源器件在使用时需要供电，易受电磁干扰的缺陷，特别是克服了输出的声波信号容易受到电磁环境和长线传输衰减严重的缺陷，在工程实际应用中，具有更好的稳定性。
附图说明
[0033] 图1为本发明超细型光纤激光水听器剖面示意图；
[0034] 图2为本发明超细型光纤激光水听器工字型膜片示意图；
[0035] 图3为本发明超细型光纤激光水听器工字型膜片尺寸示意图；
[0036] 图4为本发明声压作用时光纤激光水听器三维示意图；
[0037] 图5为本发明声压作用时光纤激光水听器膜片变形示意图；
[0038] 图6为本发明轴向加速度作用时光纤激光水听器弹性膜片变形示意图。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
[0040] 如图1所示为本发明超细型光纤激光水听器剖面示意图，由图可知，本发明超细型光纤激光水听器包括光纤1、两个弹性膜片2、筒体、端头5和护套7。如图2所示为本发明超细型光纤激光水听器工字型膜片示意图，由图可知弹性膜片2包括上膜片22、下膜片25和支撑柱24，其中支撑柱24位于上膜片22与下膜片25之间，并将上膜片22与下膜片25连接为一体。弹性膜片2上开设过纤孔23，过纤孔23为贯穿上膜片22、下膜片25与支撑柱24的贯通孔，上膜片22与下膜片25的表面边缘处设有环形凸台21，弹性膜片2通过环形凸台21与筒体的两端固定连接，可以采用粘接胶进行粘接，例如采用聚氨酯胶。本实施例中环形凸台21与上膜片22或下膜片25，以及支撑柱24一体化成型。弹性膜片2的材料为聚氨酯弹性体。
[0041] 如图3所示为本发明超细型光纤激光水听器工字型膜片尺寸示意图，上膜片22与下膜片25的高度相同均为h1，支撑柱24的高度为h2，满足h1:h2＝3:5～10，优选3:5～8。
[0042] 环形凸台21的外径R外与内径R内之差△R满足：△R:R外＝1:4～8，优选△R：R外＝1：5。环形凸台21的高度h3与上膜片22或下膜片25的高度h1满足：h3:h1＝1:1～3，优选h3：h1＝
2：3。
[0043] 本实施例中上膜片22与下膜片25的外直径为5mm，上膜片22与下膜片25的高度为0.3mm，环形凸台21的外直径为5mm，内直径为4mm，环形凸台21的高度为0.2mm，下膜片与上膜片在结构上采用相同结构设计，支撑柱25的高度为0.5mm，直径为2mm，工字型弹性膜片2的中心位置设有过纤孔24。
[0044] 如图4所示为本发明声压作用时光纤激光水听器三维示意图；筒体由金属框架3和弹性体4组成，本实施例中采用聚氨酯弹性体，金属框架3为圆柱形中空结构，表面开设若干个与内部连通的凹槽(本实施例中为4个)。筒体成型时，将两个圆柱形的模具，其中一个插入金属框架3的内部，另外一个套装在金属框架3的外表面，在两个模具之间灌注聚氨酯胶液，固化后拆除模具，得到筒体结构，筒体结构成型后，金属框架3外表面的聚氨酯弹性体厚度为0.3-0.5mm。
[0045] 筒体内部填充硅油6，含有源光纤光栅的光纤1从筒体一端的过纤孔23中穿入，从筒体另一端的过纤孔23中穿出，并与弹性膜片2固定连接，本实施例中通过在过纤孔23中填充聚氨酯胶液实现光纤1与弹性膜片2的固定连接。光纤1处于筒体的中间位置，即筒体的轴线位置。
[0046] 如图1所示，端头6为两个，分别固定连接在连接有弹性膜片2的筒体两端，端头5上设有灌胶槽51、端头过纤孔52和阶梯槽，阶梯槽包括第一阶梯槽53和第二阶梯槽54，连接有弹性膜片2的筒体一端与第二阶梯槽54的内壁面配合连接，本实施例中圆柱形筒体插入至第二阶梯槽54中与第二阶梯槽54的内壁面采用聚氨酯胶进行胶结连接。弹性膜片2与第一阶梯槽53的底面之间形成气腔；气腔沿筒体轴线方向的长度为0.2-0.5mm，本实施例中为0.5mm。
[0047] 光纤1的两端分别穿过端头过纤孔52，并在光纤1的两端套装护套7，护套7插入至灌胶槽51的槽底，护套7端面与灌胶槽51的槽底面接触，灌胶槽51内注入胶液进行密封，本实施例中通过注入聚氨酯胶液进行密封。
[0048] 本发明中可以将多个光纤激光水听器连接成阵使用，成阵使用时，利用光纤传感技术的无源的特点，实现了矢量水听器前端无源，采用光波进行信号的传输，信号衰减小。
[0049] 本发明超细型光纤激光水听器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0050] 步骤(1)、将弹性膜片2通过粘接胶粘接固定在筒体两端，通过弹性膜片2的过纤孔23将硅油注入筒体中；
[0051] 步骤(2)、将含有源光纤光栅的光纤1从筒体一端的过纤孔23穿入，从筒体另一端的过纤孔23中穿出，通过在过纤孔23中灌注胶液，将光纤1与弹性膜片2固定连接，并使光纤1处于筒体的轴线位置；
[0052] 步骤(3)、将端头6分别安装在粘接有弹性膜片2的筒体两端，使得连接有弹性膜片2的筒体一端与端头6的第二阶梯槽54的内壁面配合粘接连接，弹性膜片2与端头6的第一阶梯槽53的底面之间形成气腔，光纤1的两端分别穿过端头6的端头过纤孔52伸入端头6的灌胶槽51内；
[0053] 步骤(4)、在光纤1的两端套装护套7，使护套7端面与端头6的灌胶槽51的底面接触，灌胶槽51内注入胶液进行密封；
[0054] 步骤(5)、在端头5及筒体的外表面刷涂胶液形成胶膜，胶膜厚度为0.2-0.3mm。
[0055] 上述步骤(1)中的粘接胶、步骤(2)、(4)、(5)中的胶液均为聚氨酯。
[0056] 本实施例中金属框架3的外径不大于5mm，壁厚不大于0.5mm，长度不大于40mm；筒体外径不大于6mm，长度不大于40mm。光纤激光水听器的直径不大于6mm，长度不大于55mm。
[0057] 如图5所示为本发明声压作用时光纤激光水听器膜片变形示意图；图6所示为本发明轴向加速度作用时光纤激光水听器弹性膜片变形示意图，由图5可以看出当有声波作用时，弹性膜片2硅油的推动下向相反方向运动，拉伸有源光栅，使声信号转化为有源光纤光栅的波长变化，由图6可以看出当有加速度作用时，弹性膜片2向相同方向运动，有源光纤光栅进行平行移动，不发生变形，有效抑制了加速度响应。
[0058] 本发明激光水听器工作过程如下：
[0059] 工作时，声波作用在超细型光纤激光水听器表面，聚氨酯弹性体4与金属框架3构成的圆柱筒在声波作用下发生形变，从而使在其内部的硅油6发生流动，弹性膜片2在硅油6的推动下发生运动并带动圆柱筒内部的有源光纤光栅产生伸长或压缩变化，导致有源光纤光栅输出的光波长发生变化，通过测量光波波长的变化并经过适当转换就可以得出声信号的变化情况。
[0060] 本发明采用双工字型弹性膜片2装夹有源光纤光栅，当双工字型膜片在压力作用下，中心位置为平动，保证了有源光纤光栅形变量的稳定伸长，同时双工字型膜片谐振频率比单模片频率低，更有助于水听器拾取低频声信号；在抑制加速度方面，工字形膜片相比单膜片为二阶阻尼单元，对加速度产生的能量的吸收能力更强，可以更有效的消耗加速度产生的动能，利于抑制加速度响应。此外本发明采用有源光纤光栅作为敏感元件，通过小型化封装实现超细型光纤激光水听器，适应实际应用中对水听器细线化的需求。
[0061] 以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0062] 本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
