《Sensors and Actuators A: Physical》：Research on fiber optic vector hydrophone with wide bandwidth and high sensitivity
编辑推荐：
•FOVH 实现了 6.3 Hz-5 kHz 的带宽和 32 dB re rad/g 的加速度灵敏度。•FOVH 表现出大于?44.6 dB 的零陷深度和良好的一致性。•FOVH 具有 62 mm 的紧凑直径。•BBD-BP-GA 方法将模拟次数减少了 77%，同时保持了高精
- •
FOVH 实现了 6.3 Hz-5 kHz 的带宽和 32 dB re rad/g 的加速度灵敏度。
- •
FOVH 表现出大于?44.6 dB 的零陷深度和良好的一致性。
- •
FOVH 具有 62 mm 的紧凑直径。
- •
BBD-BP-GA 方法将模拟次数减少了 77%，同时保持了高精度 (R2 ≥ 0.93)。
引言
与传统的标量水听器相比，光纤矢量水听器 (FOVH) 通过同时测量声压和粒子振动速度，提供了更丰富的声场信息。因此，可以通过单点检测实现各向同性噪声抑制和方位歧义消除，从而扩展探测范围。值得注意的是，FOVH 的方向性不随频率变化，且在等效技术规格下阵列孔径大幅减小。凭借这些优势，FOVH 在水下应用中发挥着关键作用，特别是在潜浮系统和尺寸受限平台上 [1]。然而，随着水下作业频率的增加，水下通信网络、无人水下载具集群和海底观测站正被广泛部署。水下声学通信信号已成为海洋环境中的主要信息载体 [2], [3]。这些信号在水下平台之间传输指挥控制以及数据传输信息 [4], [5], [6]。因此，迫切需要体积小、灵敏度高且工作带宽宽的水下声学检测系统，以有效地侦察和识别这些信号，这对于水下态势感知和通信对抗至关重要 [7]。
受限于带宽扩展与灵敏度之间的固有权衡 [8]，目前 FOVH 的工作带宽主要集中在 1 kHz 以下 [1], [9], [10]，部分设计达到 2 kHz [11], [12], [13], [14], [15]。例如，国防科技大学研制的三轴干涉式 FOVH 采用顺应性圆柱结构，实现了 56.4 dB re rad/g 的加速度灵敏度，但其上限工作频率限制在 500 Hz [1]。此外，同一团队研制的深海 FOVH 在 10–1000 Hz 频率范围内实现了约 49 dB re rad/g 的加速度灵敏度 [1]。Wang 等人采用数值计算方法设计了一种全保偏 FOVH，在 20 Hz-2 kHz 频率范围内实现了 32.6 dB re rad/g 的加速度灵敏度 [13]。Hu 等人结合数值计算和有限元仿真方法优化了一维和三维 FOVH。优化后的一维 FOVH 在 0 Hz-1 kHz 范围内实现了约 30 dB 的加速度灵敏度，而三维 FOVH 实现了超过 4 kHz 的谐振频率 [15]。这些研究表明，FOVH 的带宽扩展往往以灵敏度为代价，同时实现宽带宽和高灵敏度仍是一项重大挑战。
传统设计方法主要依赖分析建模和参数化有限元分析，无法高效识别全局最优解。近期关于光学加速器的报道展示了低噪声和低串扰高性能传感的潜力 [16], [17]。同时，结合智能优化算法与代理模型的方法已证明对传感器结构优化有效 [18], [19]。我们展示了一种基于 Box-Behnken 设计 (BBD)、反向传播 BP 神经网络和遗传算法 (GA) 的多参数优化模型实现的宽带高灵敏度 FOVH。与之前报道的 FOVH 相比，优化后的 FOVH 表现出三个显著优势：宽带宽、高灵敏度和小尺寸。这些特性共同赋予了所提出的 FOVH 在水下声学通信信号侦察、微弱信号检测和微型化平台检测方面的广阔应用前景，特别是在水下声学通信信号侦察方面显示出巨大潜力。这些属性的协同集成不仅克服了光纤矢量水听器中带宽扩展与灵敏度之间的固有权衡，还为宽带高灵敏度 FOVH 的开发提供了新途径。
章节摘要
工作原理
FOVH 的光学配置基于路径不平衡的迈克尔逊干涉仪，如图 1 所示。传感头由中心质量块和沿 x、y 和 z 轴分别排列的三对正交弹性圆柱组成。三对光纤紧密缠绕在三对相对的圆柱上形成三个干涉仪，每个干涉仪的两个传感臂缠绕在一对圆柱上。激光光通过
宽带高灵敏度 FOVH 的优化设计方法
基于数学模型分析和参数化有限元扫描的传统优化设计方法计算成本高且效率低下。为解决此问题，本节提出了一种集成 BBD、BP 神经网络和 GA 的多参数优化模型。首先，构建有限元模型以计算不同设计参数组合下的灵敏度和谐振频率，为后续优化提供训练数据。BBD
实验验证
为进一步验证所提出优化方法的准确性和有效性，基于最优参数组合制造了原型。三轴光纤矢量水听器如图 6 所示。内部结构如图 6(a) 所示，由中心质量块、六个弹性圆柱、固定组件、球形外壳和干涉仪组成。三轴正交排列。光纤紧密缠绕在弹性
结论
本文介绍了一种具有宽带宽和高灵敏度特性的 FOVH。优化后的 FOVH 在 6.3–5000 Hz 带宽内实现了约 32 dB 的加速度灵敏度和 5000 Hz 下?141.3 dB re rad/μPa 的相位灵敏度。方向性图呈余弦形状，零陷深度优于?44.6 dB，最大不对称指数低于 0.5 dB，显示出三个传感轴之间良好的一致性。此外，所提出的 FOVH 实现了总直径
CRediT 作者贡献声明
Jingjing Feng：撰写 – 初稿，软件，方法学，研究。Jianfei Wang：指导，资源，概念化。Rui Liang：正式分析，数据整理。Haikun Zeng：验证，研究。Yatao Li：软件，正式分析。Jiaze Zhao：研究，数据整理。Mo Chen：可视化，方法学。Yang Lu：撰写 – 审阅与编辑，正式分析。Xiaoyang Hu：可视化，研究。Qiang Bian：软件，资源。Zhou Meng：撰写 – 审阅与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢长沙气象海洋学院提供的实验室设施。通讯作者 (Jianfei Wang) 感谢为研究团队提供的支持和指导。本工作得到了国家自然科学基金 (批准号 42476189) 的支持。
Jingjing Feng 于 2024 年获得广东海洋大学海洋科学学士学位。她目前正在国防科技大学攻读海洋科学硕士学位。她的当前研究兴趣包括光纤水声探测和光纤传感器。
Jingjing Feng|Jianfei Wang|Rui Liang|Haikun Zeng|Yatao Li|Jiaze Zhao|Mo Chen|Yang Lu|Xiaoyang Hu|Qiang Bian|Zhou Meng
