聽海洋的聲音 ——水聽器用特種光纖及解決方案
聲音信號(hào)是唯一能在海水中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的能量形式，利用聲波作為信息載體對(duì)水下目標(biāo)聲學(xué)特性的監(jiān)測(cè)，是海底監(jiān)測(cè)及資源勘測(cè)的先進(jìn)手段。我國(guó)擁有三萬多公里的海岸線和豐富的海洋資源，為捍衛(wèi)我國(guó)領(lǐng)海主權(quán)，同時(shí)加大海洋資源的開發(fā)，在我國(guó)重要海區(qū)建立完善的水下警戒系統(tǒng)，開發(fā)完備水聲探測(cè)系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。
光纖水聽器是水聲探測(cè)系統(tǒng)中的重要部件(見圖1)，它是先進(jìn)光纖光電子技術(shù)與水聲工程技術(shù)結(jié)合的新產(chǎn)物，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、先進(jìn)水聲裝備等方向具有廣闊的應(yīng)用前景。按照原理分類，光纖水聽器有強(qiáng)度型、偏振型、相位干涉型等。其中，相位干涉型光纖水聽器因其精度高、穩(wěn)定性好、體積小以及易于大規(guī)模組成陣列等優(yōu)勢(shì)，已成為目前研究和開發(fā)使用的主要對(duì)象。相位干涉型光纖水聽器基于Michelson和Mach-Zehnder干涉原理制成，其干涉結(jié)構(gòu)已進(jìn)入成熟的產(chǎn)品化階段。兩者基本原理相同(如圖2所示)，由激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光纖耦合器分為兩路：一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調(diào)制，另一路則構(gòu)成參考臂，提供參考相位。兩束波經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發(fā)生干涉，干涉的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理就可以拾取聲波的信息。
水聽器中的關(guān)鍵部件是光纖繞制的光纖環(huán)，這種環(huán)的尺寸一般比較小，直徑最低僅10mm，普通的光纖的宏彎損耗指標(biāo)難以滿足其要求，同時(shí)這種海底用光纖的機(jī)械可靠性比常規(guī)光纖要求更高。
一、水聽器用特種光纖
采用“匹配溝槽”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加上獨(dú)特的PCVD工藝(見圖3)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的光纖拉錐、研磨和抗彎性能，并且通過采用高可靠性涂料，保障了光纖的高強(qiáng)度與可剝離性，光纖主要優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)如下：
圖3 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)光纖細(xì)徑化
水聽器用彎曲不敏感光纖目前普遍朝著細(xì)徑化和高強(qiáng)度的方向發(fā)展，如何在減小光纖直徑的同時(shí)保障光纖的高強(qiáng)度是一大難點(diǎn)。如圖4，第二代彎曲不敏感光纖的最小抗彎直徑目前設(shè)計(jì)為10mm，其光纖尺寸從125/250μm減小到80/165μm，于此同時(shí)光纖的篩選強(qiáng)度仍可以繼續(xù)保持200kpsi。另外第三代產(chǎn)品BI1015-F和BI1015-P保持了光纖的細(xì)徑、高篩選張力外，著重于涂層的改進(jìn)與優(yōu)化，采用耐水煮材料大大提高了光纖的機(jī)械穩(wěn)定性。
圖4 彎曲不敏感光纖
2)良好的幾何一致性
在幾何上，通過精確的拉絲工藝控制，光纖涂覆層外徑公差可控制在±2μm以內(nèi)，而包層公差在±1.0μm以內(nèi)(如圖5所示)，這對(duì)精確繞制和降低熔接損耗至關(guān)重要。
圖5 光纖涂覆層和包層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
3)優(yōu)異的拉錐性能
在拉錐性能上，通過優(yōu)化光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料的配比，水聽器用彎曲不敏感光纖具有優(yōu)異的拉錐性能。以1550nm50/50型光纖耦合器為例，根據(jù)耦合光纖在熔融拉錐過程中的過程損耗衡量和驗(yàn)證光纖的拉錐性能(見圖6所示)。
圖6 光纖拉錐性能驗(yàn)證
4)可靠的機(jī)械穩(wěn)定性
在強(qiáng)度上，除了滿足200kpsi篩選，在抗拉和抗老化方面也表現(xiàn)良好(如圖7所示)。對(duì)客戶所關(guān)心的彎曲半徑下的使用壽命，我們也進(jìn)行了比較驗(yàn)證(如圖8所示)，所得驗(yàn)證數(shù)據(jù)根據(jù)行業(yè)內(nèi)默認(rèn)公式推導(dǎo)得出的使用壽命結(jié)果遠(yuǎn)超過了客戶要求。
圖7 老化前后彎曲不敏感光纖的斷裂力測(cè)試數(shù)據(jù)(TC表示老化)
圖8極小彎曲半徑下，國(guó)內(nèi)外彎曲不敏感光纖斷裂時(shí)間對(duì)比
二、水下用特種光纜
基于彎曲不敏感光纖，制備出水下用特種光纜來進(jìn)行水下觀測(cè)網(wǎng)用光纜、水下探測(cè)等應(yīng)用。光纜可以應(yīng)用的最大水深至5000米，光纜的拉力可以根據(jù)客戶所要求指標(biāo)定制，光纜具備6.75Mpa縱向耐水壓性能。主要產(chǎn)品有拖曳纜、水密光纜、水聽光纜等。
1)拖曳光纜
拖曳光纜采用耐水解聚氨酯材料作為護(hù)套保護(hù)材料，阻水芳綸作為加強(qiáng)原件，采用特種抗彎高強(qiáng)度光纖作為光傳輸介質(zhì)，可以根據(jù)客戶要求進(jìn)行光單元和電單元進(jìn)行設(shè)計(jì)(見圖9)。該光纜可以用于水下航行器、ROV水下航行器的遠(yuǎn)程遙控、航行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)用光纜及視頻數(shù)據(jù)等大容量信息的短距離傳輸。
圖9 拖曳光纜結(jié)構(gòu)示意圖
2)水密光纜
水密光纜用于水下短距離傳輸用，能夠滿足徑向耐水壓試驗(yàn)要求。緊套層采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為高模量抗壓材料，外層為高密度材料(見圖10)。光纜具備一定的機(jī)械性能，水壓下傳輸穩(wěn)定。所采用的護(hù)套材料具備水密性能，能夠長(zhǎng)時(shí)間水下通信，并且具備良好耐油性能，機(jī)械性能。
圖10 水密光纜結(jié)構(gòu)示意圖
3)水聽光纜
水聽光纜應(yīng)用于水下觀測(cè)網(wǎng)陣列鋪設(shè)，光纜具備輕量化，高柔韌性的優(yōu)點(diǎn)。光纜采用高強(qiáng)度抗彎光纖，硬度較低的聚氨酯彈性體成纜(見圖11)，確保光纜能夠滿足更小的彎曲半徑，以適應(yīng)更為復(fù)雜的布線。光纜可適用于不同情況下開天窗的同時(shí)，具備耐油、耐水解、耐硅油特性，可運(yùn)用于水聽光纜陣列布線。
圖11 水聽光纜結(jié)構(gòu)示意圖
三、展望
正是彎曲不敏感光纖的優(yōu)異性能，保證了光纖水聽器的正常運(yùn)行，從而可以讓我們傾聽海洋的聲音。目前，彎曲不敏感光纖已經(jīng)在國(guó)內(nèi)水聽器行業(yè)的投入應(yīng)用，隨著世界新技術(shù)的飛速發(fā)展和新產(chǎn)品迭代，通過不斷的技術(shù)努力，為光纖水聽器系統(tǒng)的整體可靠性提供了有力保障，為中國(guó)海洋事業(yè)做出新的貢獻(xiàn)。