光纤传感技术在物理海洋观测领域的应用研究

Ultrasonic sensing directivity of π-phase-shifted fiber Bragg grating hydrophone

“…grating, FBG)因有着体积小、灵敏度高、易复用等优点在结构健康检测、生物 医学传感、物理海洋观测和地球物理勘探等 [1,2,3,4,5] 多个声传感领域得到了广泛应 用。在声传感时，存在着光栅长度小于声波波长一半的限制 [6,7] ， π 相移光纤光 栅(Pi-Phase-Shifted Fiber Bragg Grating, PS-FBG)因将光局限在相移处附 近 ， 有 效 光 栅 传 感 长 度 短 ， 更 适 合 对 波 长 小 的 超 声 波 进 行 传 感 [8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,21,22,28] 。 在进行 PS-FBG 水听器的封装结构设计或应用于超声场测量时，都需对其 指向性有较清晰的认知，因此开展 PS-FBG 水听器的超声波传感指向特性研究十 分必要。Fomitchov 等人 [20] 用 1.7mm 的 FBG 进行了水中超声传感实验，测量了与 法向成角 60  时的指向性，指明当光纤中导波和水中直达声波干涉叠加时光纤 光栅的响应出现极大值，在垂直入射时出现极小值。由于光栅结构与长度的不 同，存在相移的 PS-FBG 与 FBG 的传感特性有所差异。Liu 等人 [21] 通过数值模拟 进行了理论分析，并探究了超声波波长与光栅长度比值的影响，表明在超声波 垂直光纤入射时 PS-FBG 的响应最大，且随光栅长度与声波长的比值增加，其响 应由全方向性变为在垂直轴向的方向性，但缺乏仿真或实验的验证，及对垂直 轴向以外角度入射的分析。Wu 等人 [22] 就垂直轴向、沿轴向和与法向成 45 三个 角度在 1、2 和 4MHz 时进行了实验，结果也表明 PS-FBG 在垂直光纤入射时响应 最大，但未进行其它角度和频率的实验。因此，对 PS-FBG 的水中指向性及频率 响应的研究仍存在着空白。此外，上述研究通常认为纤芯的应变与声波幅度之 间是由纤芯或涂覆层材料特性决定的简单线性关系，关于声波在光纤内传播过 程的考虑较少。 光纤由纤芯、包层及涂覆层组成，其每一层可看作是横向各向同性的圆柱 结构，在流体加载时需考虑轴向导波和弯曲波 [23,24,25] 。在考虑多层圆柱结构，尤 其是在只关注某一层特性时，解析解的求解是复杂且不稳定的，此时可使用传 递矩阵法。Rokhlin 等人 [26] 指明在分层介质声传播理论的传递矩阵中，以位移和 应力为连续条件的方式在计算上更具稳定性。Huang 等人 [27] 借助势函数将多层圆 柱结构的每一层用位移和应力联系起来，分析了不同角度声波入射时多层圆柱 的应变。Veres 等人 [28] 将此方法用于光纤传感中，分析了光纤对球面声波的响应， 并用 PS-FBG 进行了实验验证，但其在计算声响应时仅通过积分计算了光纤本身 的双折射效应，而未考虑到 PS-FBG 是波长调制型传感器及 π 相移的影响，而基 于光学耦合模方程的传递矩阵方法 [29,30] 则可以通过计算反射光谱得到光纤光栅光…”