[0001] 本发明涉及水下声传感技术领域，特别是涉及一种耐高静水压的高灵敏光纤水听基元。

[0002] 光纤水听器基于解调光纤内光信号变化，如相位，强度或者波长，来实现声波信号的提取，主要用于海洋声学环境中的声传播特性、噪声、混响、目标声学特性等的研究，具有声压灵敏度高，抗电磁干扰、动态范围大等优势。由于光纤本身的杨氏模量较大，导致其在受到扰动时的轴向变形量很小，单纯采用光纤进行传感的灵敏度不高。为了提升光纤水听器的灵敏度，往往需要对光纤进行增敏处理。基本的方式是将光纤贴在或者绕制于某种弹性体上，形成水听器基元。当声波作用于此类基元上，会引起弹性体的形变，进而拉伸光纤，引起内部光信号的变化，起到增敏的效果。

[0003] 为了获得高灵敏度（比如‑140dB/rad/μPa），弹性体常选用较软的材料（低弹性模量）。在深海工况下由于高静水压，此类增敏材料会发生硬化，即其应力应变曲线随压力发生急剧变化，致使水听基元的灵敏度大幅降低。为了满足深海应用对于高灵敏光纤水听器的需求，就需要对水听基元进行耐压设计。目前主要方法是有两类：1）在传感器外部制作一套用于抗压的密封型外壳，以保证其内部水听器基元不受静水压力的影响。例如，专利“一种耐高压的深海水听器”（申请号202020589276.9）提出了一种耐高压的深海水听器，其特点是水听器主体的外表面分别设置有左半圆铁壳和右半圆铁壳，形成密闭腔室，将水听基元保护于其内部。上述方法中金属外壳会影响透声性能，一定程度上也会增加水听器的整体尺寸。2）利用硬质材料（高弹性模量）组成空气腔，形成承压结构，例如，专利“一种深海用光纤水听器”（申请号201711447729.3），但因其整体刚度较大，单位长度光纤增敏效果有限，因此往往需要绕制数十米至上百米的光纤，积累足够的相位变化以期提升基元灵敏度。此类设计装配较为复杂，且单个基元光纤长度长，传统的干涉型水听器还能适用，对于新型的分布式光纤水听器受解调空间分辨率限制，太长的光纤会大幅增加光缆整体光纤长度，从而影响系统的整体性能。因此如何实现类似常压下的高灵敏水听基元设计与制备，是光纤水听器在深海探测应用所面临的技术挑战。

[0020] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0021] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

[0022] 应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

[0023] 本发明的一种耐高静水压的高灵敏光纤水听基元，包括增敏弹性组件110、基元封装组件120、光纤130和柔性包覆层140；所述基元封装组件120用于覆盖增敏弹性组件110的两端；所述增敏弹性组件110的侧面环绕有光纤130并覆盖一层柔性包覆层140，实现所述增敏弹性组件110的封装。

[0024] 在一实施例中，还包括软胶125，所述增敏弹性组件110的两端紧贴有所述软胶125，再通过所述基元封装组件120覆盖增敏弹性组件110的两端。

[0025] 在一实施例中，如图1所示，所述基元封装组件120包括端盖121、中心杆122和螺帽123；所述中心杆122包括头部1221和杆部1222；所述中心杆122的杆部1222依次套有所述增敏弹性组件110和所述端盖121，再通过所述螺帽123压紧所述端盖121。

[0026] 在一实施例中，如图2所示，所述杆部1222包括第一段杆1223、第二段杆1224和第三段杆1225且三段杆的直径依次减小；所述第一段杆1223套有所述基元封装组件120；所述第二段杆1224套有所述端盖121并紧贴所述基元封装组件120；参见图1，若所述基元封装组件120的两端还设置有软胶125，则所述端盖121紧贴所述软胶125；其中，端盖121及中心杆122具有良好的轴向刚度，第一段杆1223与第二段杆1224之间的台阶对端盖121进行轴向限位，第三段杆1225上拧有所述螺帽123以压紧所述端盖121，使得增敏弹性组件110的两个端面被密封起来，确保增敏弹性组件110的两端不会受到静水压力；而静水压的径向压力可作用至增敏弹性组件110的圆柱面上，引发增敏弹性组件110的侧面产生径向应变。所述第二段杆1224处还设置有密封圈124，防止水压进入水听基元内部。

[0027] 参见图1，第一段杆1223的直径等于基元封装组件120的内径，中心杆122的头部1221第三内径大于等于基元封装组件120的外径，端盖121的第二内径大于等于基元封装组件120的外径，第二段杆1224的直径小于等于端盖121的第一内径；增敏弹性组件110的外部和中心杆122、端盖121之间的区域由柔性包覆层140填充覆盖，并且光纤130位于柔性包覆层140之内。

[0028] 在一实施例中，如图3所示，所述基元封装组件120包括两个端盖121、支撑管126、螺栓和螺帽；所述支撑管126套有两个端盖121和增敏弹性组件110，所述两个端盖121分别位于所述增敏弹性组件110两端并紧贴，若所述基元封装组件120的两端分别设置有软胶125，则所述两个端盖121分别紧贴所述软胶125；最后通过螺栓和螺帽将两端的端盖121压紧。其中，端盖121及支撑管126、螺栓具有良好的轴向刚度，在螺栓、支撑管126和螺帽的固定作用下，增敏弹性组件110的两个端面被密封起来，确保增敏弹性组件110的两端不会受到静水压力；而静水压的径向压力可作用至增敏弹性组件110的圆柱面上，引发增敏弹性组件110的侧面产生径向应变。

[0029] 端盖121的第一内径等于支撑管126的外径，端盖121的第二内径大于等于增敏弹性组件110的外径，增敏弹性组件110的内径等于支撑管126的外径，螺栓头部直径以及螺帽的直径均大于端盖121的第一内径，螺栓的螺杆直径小于等于支撑管126的内径；螺栓的螺杆穿过支撑管126，再通过螺帽拧紧将两端的端盖121压紧；支撑管126与螺杆之间的空隙可以是空气，或者填充水或其他物质，并不影响高灵敏光纤水听基元的工作。

[0030] 在一实施例中，增敏弹性组件110的制备方法如下：1.通过建模软件设计构建类晶体结构的胞元，将该胞元构造成点阵式结构，其轮廓的包络体为圆柱形，如图5所示，该点阵式结构称为骨架材料模型111；2.将所需增敏弹性材料的圆柱形轮廓模型与上述点阵结构的骨架材料模型111做布尔减法运算后得到的模型称为填充材料模型112，如图6所示，该填充材料模型112与骨架材料模型111同为连续多孔模型，其轮廓的包络体也是圆柱形；3.将骨架材料模型111与填充材料模型112做布尔加法运算，得到增敏弹性材料的结构模型，即增敏弹性组件110，如图4所示；其中骨架材料模型111和填充材料模型112均为连续模型，二者互补构成了增敏弹性材料的结构模型。该两种材料模型相互分离却又相互嵌插成为两个相区，两个相区均为连续相，并在空间各个方向均处于连通状态。

[0031] 其次，利用多材料增材制造技术将增敏弹性材料的结构模型打印出来。其中，骨架材料模型111采用具有较大杨氏模量1‑5GPa的材料制作，例如PLA、ABS、PETG等，作为复材中的增强相，主要起到支撑结构，能够承受高静水压应力的作用；填充材料模型111采用具有较小杨氏模量10‑100MPa的软材料制作，例如有机硅橡胶材料，作为复材中的基体相，提供宽幅线性形变能力，同时起到填充和粘结作用，并辅助均衡和分散载荷。

[0032] 具体的，当静水压作用在高灵敏光纤水听基元的外部，增敏弹性组件110径向受压，但是由于增敏弹性组件110的点阵式双连续复合材料结构，其应力‑应变曲线保持为线性关系，其等效杨氏模量不随静水压力的增大而变化，即增敏弹性组件110的增敏性能不受静水压力的影响。此时，当声波作用于增敏弹性组件110上，会引起增敏弹性组件110的形变，进而拉伸光纤130，引起光纤130内部光信号的变化，起到增敏的效果。

[0033] 在一实施例中，将光纤130以一定的长度L密布缠绕在增敏弹性组件110的外表面，绕制成光纤环，所述光纤130使用抗弯光纤，可以采用裸纤或者紧包光纤的形式，单层紧密螺旋绕制在增敏弹性组件110外表面上，螺距范围：大于光纤的直径且小于增敏弹性组件110直径的2倍,以保证单位长度基元的灵敏度。

[0034] 在一实施例中，水听基元的两端设置有夹持组件150，用于夹持固定水听基元，还用于基元成阵装配，根据不同的水听阵列类型，可设计不同的夹持结构形态。优选的，采用拉伸弹簧或者橡皮筋等柔性连接的夹持组件，结构简单且能够降低低频振动的影响。具体的，如图1所示，设置有4个夹持组件150，端盖121外侧对称固定有2个夹持组件150，中心杆122的外侧也对称固定有2个夹持组件150；如图3所示，每个端盖121外侧均对称固定有2个夹持组件150；本实施例中夹持组件的数量并不作以限制，可根据实际场景设置其他数量；
夹持组件的材料和形式也不作限制，可根据隔振和承力要求，采用不同的柔性材料和结构。

[0035] 在一实施例中，将上述光纤环的外圆柱表面做硫化处理形成柔性包覆层140，本实施例中也可以称为硫化层。硫化层采用透声硫化橡胶制作，包裹在光纤环的外部以使光纤环与外部介质隔离，在硫化层固化后能够保障光纤环与增敏弹性组件110的有效贴合性，防止因外部水压过大导致光纤环与增敏弹性组件110脱离，并且起到水密的作用，从而确保声敏基元灵敏度的准确性。在一些实施例中，也可采用TPU等柔性透声材料制作，此处不再一一赘述。

[0036] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

[0037] 应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。