双频干涉型光纤激光声矢量传感器基础问题和关键技术研究

A new sensing scheme for vectorial detection of acoustic signal based on dual-frequency fiber laser is proposed by this project, which transduce acoustic signals into frequency variations of the beat signal between the two orthogonal polarization lasing modes. As a fundamentally innovative technology, the proposed scheme works in a completely different mechanism from current optical fiber hydrophones. Focusing on the critical problems of acoustic vectorial signal detection, that is, high sensitive directional detection of low-frequency acoustic signals, the project will investigate the noise property of the beat signal, enhancement of acoustic pressure/vibration sensitivities, design and implementation of the sensor heads, compensation of the effect of temperature fluctuation, demodulation and reconstruction of the acoustic signal, and the localization of the acoustic signal sources. Based on the project, we expect to overcome the technical problems and difficulties that conventional technologies have encountered and make a significant contribution to the development of fiber optic hydrophones. At the same time, we attempt to break China's long-standing status of tracking and following the international level in research of optical fiber hydrophones and to develop a series of revolutionary techniques and fully hold the related proprietary intellectual property rights in optical fiber acoustic vectorial signal detections.

本项目提出的双频干涉型光纤激光声矢量传感器，将声波振速信号转换为正交偏振双频光纤光栅激光器的拍频信号的频率变化，其工作原理完全不同于现有的光纤水听器技术，是一种原理创新技术。本项目将围绕声矢量探测中重点关注的低频探测、高灵敏度探测、指向性锐化几个关键问题，在双频光纤光栅激光器拍频信号噪声特性、声压和加速度增敏、传感器单元设计、温度补偿、信号解调、指向性锐化等方面开展研究工作，解决其中关键科学和技术问题。我们希望通过本项目研究，突破现有技术难以克服的瓶颈问题，推动光纤水听器技术发展，同时改变我国在光纤水听器技术领域一直处于跟踪和追随研究的状况，形成具有完全自主知识产权的光纤声矢量探测技术。

声传感器是人类获取信息的重要工具。光纤声传感器具有灵敏度高、工作带宽大、抗电磁干扰、体积小、重量轻、传集输与传感于一体、易于组成阵列等突出优点，是声探测设备的重要发展方向。..我们原创性地提出双频干涉型光纤激光声传感器技术。该技术以正交偏振双频光纤光栅激光器作为传感基元，将声压转换为双频光纤激光器拍频信号的频率变化，在射频域进行信号解调，不仅灵敏度高，而且信号解调简单，易于复用组阵。由于两正交偏振模式来自同一激光腔，激光器固有噪声相互抵消，传感器噪声特性好，特别适于低频微弱声信号探测。..本项目围绕双频激光器噪声分析与抑制、声信号敏感机理、换能器设计、传感器复用、超声传感器应用几个方面展开研究。主要成果包括：（1）实现了高灵敏度声波(kHz)传感器，工作带宽1.2 kHz，动态范围112 dB，平均声压灵敏度185.7 kHz/Pa，在典型频率1 kHz处最小可测声压74 µPa/Hz1/2，与0级深海海况背景噪声相当。（2）实现了高灵敏度加速度传感器，在典型频率1kHz处测量精度175 ng/Hz1/2，结合标量声压传感器和三分量加速度传感器，实现了声矢量传感器。（3）实现了低频超声(20kHz-1MHz)和高频超声(1MHz-50MHz)传感器，在50MHz带宽下测量精度40Pa，基于这一超声检测能力实现了对活体的高帧速、大视野光声显微成像，成像帧速率4 Hz，视野面积大于4mm2，横向分辨率3.2微米。（4）实现了传感器射频域频分复用技术，可在单根光纤上串接16个传感器组成阵列。..共发表SCI收录论文33篇，其中影响因子3.0以上的22篇。在OFS、EWOFS、APOS等本领域重要国际会议上发表论文29篇。申请发明专利13项，已授权发明专利9项。在学术会议、高校或科研院所做本项目研究内容方面的邀请报告27次，其中国际会议7次，国内会议、高校或科研院所20次。..在项目执行期间，项目团队1人入选 “国家万人计划”科技创新领军人才，1人获国家优秀青年科学基金，2人入选“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才，1人入选广东省高等学校优秀青年教师培养计划，1人入选广州市珠江科技新星。