声波探测是工程领域的一项基本技术,在军事国防、资源勘探、医学成像、海洋渔业等领域具有重要应用。光纤水听器以光纤为敏感元件,将声波转化为光学特征参量以实现微弱声波的检测。目前光纤水听器对低频声波(<20 kHz)和高频超声(>1 MHz)的探测技术相对成熟,但是对于20 kHz-1 MHz这一“中频”频段来说,由于光纤自身及换能器工作原理上的限制,探测能力非常有限,“中频”频段一向都是光纤水听器的短板。光纤激光传感器是用线性腔光纤激光器当作敏感基元,采取拍频或者波长解调的方法来探测外界的微弱信号,拥有灵敏度高、体积小巧、容易组网复用、本征电磁绝缘等优点[1-4]。本文以正交双频光纤激光器为敏感单元,通过对其进行功能性封装,实现了在20 kHz-1 MHz频段的高灵敏度检测,并基于其宽带响应实现了水下超声成像。本文围绕高灵敏度光纤激光超声水听器的设计、研制及应用展开研究,工作具体如下:(1)通过用环氧树脂对正交双频光纤激光器进行圆柱形封装,封装之后其探测灵敏度比裸光纤提升了100倍左右。实现增敏的原因是在封装之后增大了光纤直径,根据光纤直径和声波长匹配原则,使得光纤激光器的谐振频率下降到了1MHz以下,从而实现了增敏机理。我们用封装后直径为5mm的光纤激光超声水听器对1MHz以下频率超声研究,在典型频率200kHz处声压灵敏度达到了1.1kHz/Pa,最小可探测声压为2m Pa/Hz1/2。随后我们又封装了3根直径分别为3.4,4.1和7.5mm的光纤激光超声水听器,研究了它们对中心频率为1MHz宽带超声的频响情况。通过对数据进行分析能够发现光纤激光超声水听器共振频率和其半径的倒数/1r为线性关系。这一发现为光纤激光超声水听器提供了设计指导,我们可以针对特定频率封装不同直径的水听器,从而使超声灵敏度最大。接着我们研究了光纤激光超声水听器的方向性和频率噪声,实验结果与理论推理非常符合。(2)根据脉冲回波式成像中的B型成像原理,我们用5mm直径光纤激光超声水听器边扫描边采集物体的反射回波,经过时域变为空间的作图方式实现了对水下物体成像,实验结果表明能够呈现清晰高质量的图像,其轴向和横向空间分辨率分别为4.3cm和4mm。这表明我们研究的20kHz-1MHz频段超声能够实现对水下目标搜寻、定位和追踪,同时也能够对变压器中弧放电进行监测。