Волоконный векторный акселерометр гидрофона с подвесной сердцевиной на основе специального волокна

Zhao W., Kang Yujie, Ge Wenlong, Gong Min, Huang Jie, Kang Yuhao, Xiang Yuanyuan, Yang Xinghua, Tian Fengjun

Ссылка для цитирования:

Ссылка на англоязычную версию:

Zhao W., Kang Yu., Ge W., Gong M., Huang J., Kang Yu., Xiang Yu., Yang X., Tian F. Proposal of suspended-core fiber vector hydrophone accelerometer based on specialty fiber (Волоконный векторный акселерометр гидрофона с подвесной сердцевиной на основе специального волокна) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 11. С. 18–29. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-18-29

Zhao W., Kang Yu., Ge W., Gong M., Huang J., Kang Yu., Xiang Yu., Yang X., Tian F. Proposal of suspended-core fiber vector hydrophone accelerometer based on specialty fiber [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 11. P. 18–29. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-11-18-29

Аннотация:

Предмет исследования. Конструкция и структура акселерометра на основе специального волокна с подвесной сердцевиной для использования в конструкции волоконно-оптического векторного гидрофона. Цель работы. Разработка новой структуры векторного акселерометра фазового типа — векторный акселерометр с сенсорными компонентами, встроенными в оптическое волокно, что позволит устройству достичь высокой чувствительности при низкочастотном подводном обнаружении при одновременной дальнейшей миниатюризации его размеров. Метод. Проектирование специализированных оптических волокон с подвесным сердечником и волоконно-оптических векторных гидрофонных акселерометров проводилось на основе теоретического анализа и моделирования методом конечных элементов. Конструкция волоконно-оптического векторного гидрофонного акселерометра разработана с помощью параметрического анализа. Основные результаты. Определены оптимальные параметры структуры волоконно-оптического векторного гидрофонного акселерометра. Полученные результаты показывают, что общая чувствительность остается относительно стабильной в диапазоне частот 1–121 Гц, при этом средняя чувствительность составляет 37,1 дБ (около 1 рад/(м с^–2)). Максимальная чувствительность структуры достигается при частоте 178 Гц, в целом конструкция демонстрирует хорошую перспективу. Практическая значимость. Доказана перспективность применения специальных оптических волокон в векторных гидрофонных акселерометрических системах. Подтверждена возможность создания векторного гидрофонного акселерометра для низкочастотного подводного гидролокационного обнаружения с возможностью применения в малогабаритных устройствах типа беспилотных подводных аппаратов. Установлена возможность расширения области применения специальных оптических волокон для создания датчиков подводных устройств.

Ключевые слова:

оптическое волокно с подвешенной сердцевиной, гидрофонный акселерометр, вибрационный блок, чувствительность, микроустройства

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Национального фонда естественных наук Китая (NSFC, 62575084).

Коды OCIS: 060.2370, 060.2430 280.3050, 120.3180, 120.7280

Список источников:

1. Ramakrishnan M., Rajan G., Semenova Y., et al. Overview of fiber optic sensor technologies for strain/temperature sensing applications in composite materials // Sensors. 2016. V. 16. № 1. P. 99. doi: org/10.3390/s16010099.

2. Leung C.K.Y., Wan K.T., Inaudi D., et al. Review: Optical fiber sensors for civil engineering applications // Mater. Struct. 2015. V. 48. № 4. P. 871–906. doi: 10.1617/s11527-013-0201-7.

3. Motsi N., Stamou G., Angelopoulos S., et al. Development of a high sensitivity hydrophone at a spectrum range from 0.1 Hz to 100 kHz // Sens. Actuator A Phys. 2024. V. 372. P. 115338. doi: 10.1016/j.sna.2024.115338.

4. Li Z., Wang C., Gui X., et al. A high-performance fiber-optic hydrophone for large scale arrays // J. Lightwave Technol. 2023. V. 41. № 13. P. 4201–4210. doi: 10.1109/JLT.2022.3228602.

5. Chen J., Li H., Xiao X., et al. Fully distributed hydroacoustic sensing based on ultra-highly sensitive and lightweight fiber-optic hydrophone cable // Opt. Lasers Eng. 2023. V. 169. P. 107734. doi: 10.1016/j.optlaseng.2023.107734.

6. Plotnikov M.Y., Lavrov V.S., Dmitraschenko P.Y., et al. Thin cable fiber-optic hydrophone array for passive acoustic surveillance applications // IEEE Sens. J. 2019. V. 19. № 9. P. 3376–3382. doi: 10.1109/JSEN.2019.2894323.

7. Meng Z., Chen W., Wang J., et al. Recent progress in fiber-optic hydrophones // Photonic Sens. 2021. V. 11. № 1. P. 109–122. doi: 10.1007/s13320-021-0618-5.

8. Ying D. Intensity-modulation fiber cantilever accelerometer based on vibration modulation and multiple harmonic demodulation // Opt. Commun. 2026. V. 603. P. 132822. doi: 10.1016/j.optcom.2025.132822.

9. Cao X., Liu C., Liu Z., et al. Elastic plate-coupled dual FBG configuration enabling high-sensitivity fiber-optic accelerometer with wide frequency range // IEEE Sens. J. 2025. V. 25. № 10. P. 17085–17093. doi: 10.1109/JSEN.2025.3554663.

10. Zhang Y., Qiao X., Liu Q., et al. Study on a fiber Bragg grating accelerometer based on compliant cylinder // Opt. Fiber Technol. 2015. V. 26. P. 229–233. doi: 10.1016/j.yofte.2015.09.011.

11. Jin M., Ge H., Zhang Z. The optimal design of a 3D column type fiber-optic vector hydrophone // Proc. 2016 IEEE/OES China Ocean Acoustics (COA). Harbin, China. 2016. P. 1–5. doi: 10.1109/COA.2016.7535714.

12. Zhang X., Zhang F., Jiang S., et al. Short cavity DFB fiber laser based vector hydrophone for low frequency signal detection // Photonic Sens. 2017. V. 7. № 4. P. 325–328. doi: 10.1007/s13320-017-0453-x.

13. Liu F., Yi D., Chen Y., et al. Common-mode noise self-suppressed 3-component fiber optic accelerometer based on low-reflectivity Bragg gratings // Opt. Lett. 2021. V. 46. № 7. P. 1596. doi: 10.1364/OL.417034.

14. Chen Y., Liu F., Tong H., et al. A three-dimensional optical fiber vector hydrophone based on optical fiber accelerometers with integrated structural design // Acta Acust. 2025. V. 50. № 1. P. 157–164. doi: 10.12395/0371-0025.2023161.

15. Amaral L.M.N., Frazão O., Santos J.L., et al. Fiber-optic inclinometer based on taper Michelson interfe-rometer // IEEE Sens. J. 2011. V. 11. № 9. P. 1811–1814. doi: 10.1109/JSEN.2011.2105264.

16. Liu L., Lu P., Liao H., et al. Fiber-optic Michelson interferometric acoustic sensor based on a PP/PET diaphragm // IEEE Sens. J. 2016. V. 16. № 9. P. 3054–3058. doi: 10.1109/JSEN.2016.2526644.

17. Liu Y., Qi B., Winder D.E. Faraday Michelson interferometers for signal demodulation of fiber-optic sensors // J. Lightwave Technol. 2021. V. 39. № 8. P. 2552–2558. doi: 10.1109/JLT.2021.3053370.

18. Wang C., Hu P., Lv P., et al. Design and simulation of piezoelectric acoustic emission sensor // IEEE Sens. J. 2025. V. 25. № 17. P. 32117–32126. doi: 10.1109/JSEN.2025.3592934.

19. Liu Q., Gross S., Dekker P., et al. Competition of Faraday rotation and birefringence in femtosecond laser direct written waveguides in magneto-optical glass // Opt. Exp. 2014. V. 22. № 23. P. 28037–28048. doi: 10.1364/OE.22.028037.

20. Li H., Chen H., Ullah S., et al. High-order LP modes based Sagnac interference for temperature sensing with an enhanced optical Vernier effect // Opt. Exp. 2024. V. 32. № 9. P. 16140. doi: 10.1364/OE.521527.