Fiber bragg ızgara tabanlı hidrofonlarda mandrel çapının ve fiber sarım katman sayısının sistem hassasiyetine etkisi / Serra Uluğ; thesis advisor İbrahim Tuna Özdür.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Aralık 2025

Fiber tabanlı sualtı akustik sensörler, elektromanyetik girişimlere karşı yüksek bağışıklıkları, kompakt yapıları ve üstün hassasiyetleri sayesinde geleneksel piezoelektrik sensörlerin yerini hızla almaktadır. Bu tür hidrofonlar, "mandrel" olarak adlandırılan silindirik bir yapı üzerine optik fiberlerin sarılmasıyla oluşturulmaktadır. Bu çalışmada, mandrel çapı ile fiber sarım katman sayısının fiber optik hidrofonların hassasiyeti üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çapı 250 µm olan standart tek modlu (SM) fiberler, 31 mm çapındaki mandrellere tek ve çift katmanlı, 26 mm çapındaki mandrele ise tek katmanlı olarak sarılmıştır. Mandrel çapının hassasiyete etkisini değerlendirmek için 26 mm ve 31 mm çapındaki tek katmanlı mandreller karşılaştırılmış, fiber sarım katman sayısının hassasiyete etkisini belirlemek amacıyla ise 31 mm çapındaki tek ve çift katmanlı mandreller analiz edilmiştir. Hidrofonların hassasiyet ölçümleri, frekans çeşitlendirmeli çift darbeli sorgulama (frequency diversity dual-pulse interrogation) yöntemini kullanan bir optik sistem aracılığıyla gerçekleştirilmiş, ardından kontrollü su tankı deneyleri ile sistemin sualtı algılama performansı test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, 31 mm çaplı tek katmanlı mandrelin hassasiyetinin –139.72 dB re rad/μPa, çift katmanlı versiyonun ise –137.80 dB re rad/μPa olduğunu ve çift katmanlı versiyonun yaklaşık 2 dB'lik bir hassasiyet artışı sağladığını göstermektedir. 26 mm çaplı tek katmanlı mandrelin hassasiyeti –142.53 dB re rad/μPa olarak ölçülmüş; dolayısıyla, 31 mm tek katmanlı mandrelin yaklaşık 3 dB daha yüksek hassasiyetinin olduğu gözlemlenmiştir. Bu bulgular, mandrel çapı ile fiber sarım katman sayısındaki artışın hidrofon hassasiyetini anlamlı ölçüde iyileştirdiğini ve bunun sonucunda daha doğru akustik algılama ile derin su koşullarında daha verimli bir kullanım sağladığını ortaya koymaktadır.

Fiber-based underwater acoustic sensors are rapidly replacing traditional piezoelectric sensors due to their high immunity to electromagnetic interference, compact structure, and superior sensitivity. These hydrophones are constructed by winding optical fibers around a cylindrical structure known as a "mandrel". In this study, the effects of mandrel diameter and the number of fiber winding layers on the sensitivity of fiber-optic hydrophones were investigated. Standard single-mode (SM) fibers with a diameter of 250 µm were wound on 31 mm mandrels in single and double layers, and on a 26 mm mandrel in a single layer. The influence of mandrel diameter on sensitivity was examined by comparing the single-layer mandrels with diameters of 26 mm and 31 mm, while the effect of the number of fiber layers was evaluated by comparing single- and double-layer windings on the 31 mm mandrels. The hydrophone sensitivities were measured using an optical setup based on the frequency diversity dual-pulse interrogation method, and controlled water tank experiments were conducted to assess their underwater detection performance. The results show that the sensitivity of the 31 mm single-layer mandrel was –139.72 dB re rad/μPa, while the double-layer version exhibited a sensitivity of –137.80 dB re rad/μPa, corresponding to an improvement of approximately 2 dB. The sensitivity of the 26 mm single-layer mandrel was measured as –142.53 dB re rad/μPa; therefore, the 31 mm single-layer mandrel demonstrated an approximately 3 dB higher sensitivity. These findings reveal that increasing the mandrel diameter and the number of fiber winding layers significantly enhances the hydrophone sensitivity, thereby enabling more accurate acoustic detection and more efficient performance under deep-water conditions.