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1、光纤光栅水听器的研究1 引言光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用1。在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等2，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光
2、效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息3，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对基于光纤光栅的水听器进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在水声检测中，一
3、般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析无源光纤光栅水听器的原理，对无源光纤光栅水听器进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。2 光纤光栅水听器概述由于光和电磁场在水中的传播损耗较大，不能在水中进行远距离传播，当前水下探测技术中使用的多为声波。水听器作为将水下的声信号转换为电信号的一种换能器，也称为水下传声器。水听器主要应用在现代海军反潜作战及水下兵器试验中，还可以应用在海洋石油，天然气勘探、水声物理研究以及海洋渔业等领域。光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。因其具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰
4、、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模整列等特点Error! Reference source not found.，因而得到的迅速的发展，现在各国对其展开了广泛的研究，其技术也逐渐变得成熟。本文中讨论的是光纤光栅水听器是光纤水听器的一种。按照光纤水听器的原理可分为强度型、干涉型和光纤光栅型。这里简要的介绍下前两种光纤水听器。强度型水听器是指通过调制光纤中传输光的强度从而达到测量水下声波信号的目的。这种类型的光纤水听嚣在很久以前便受到关注，研究开发较早，主要调制形式有光纤微弯式，光纤绞合式、受抑全内反射式及光纤光栅式等5。干涉型光纤水听器是目前应用比较成熟的一种光纤水听器，干涉型光纤水听
5、器是基于光学干涉仪的原理构造的4。常见的干涉型光纤水听器可以分为：Michelson光纤干涉仪、Mach-Zahnder光纤干涉仪型、Fabry-Perot光纤干涉仪型和Sagnac光纤干涉仪型6。光纤光栅水听器是一种近年来的研究热点，由于其具有稳定性高、复用性高等特点而受到广泛的关注，它是利用光栅对外界干扰所导致的反射中心波长的移动来进行传感7。目前国内外所研究的光纤光栅水听器多以掺杂铒离子的有源光纤光栅为主，其灵敏度较高，但成本较之无源型光纤光栅高出数倍，并且在大规模波分复用上具有很大难度缺陷，因此无源型光纤光栅水听器在具备一定灵敏度之后其大规模应用将具备一定的优势8。本文讨论的光纤光栅水
6、听器指的无源光纤光栅水听器，下面将对其原理进行介绍，并对其关键的增敏技术进行一定的探讨。3 光纤光栅水听器原理根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长B与有效折射率neff和光栅周期满足如下的关系 (3-1)光纤光栅的反射波长取决于光栅周期和有效折射率neff，当光栅外部产生应力变化时，会导致光栅周期和有效折射率neff的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长偏移量的检测可以获得应力的变化情况。在光纤光栅作为水听器传感时，应力的变化事实是由声音信号的声压对光纤光栅作用产生的。这是光纤光栅水听器的基本原理，参考文献9对光纤光栅水听器的原理进行了比较详细的讨论，并且简单明了，本文中主要参考
7、该文献9，对光纤光栅水听器的详细原理进行总结。图3.1 光纤光栅水听器传感原理如图3.1所示，当光纤光栅用作水听器传感时,设光纤光栅的反射函数为R(), 则光通过光纤光栅反射后的光强为Pr= PinR()。Pin 是入射进传感光纤光栅的光强 .如果声压作用在光纤光栅上,光纤会因为本身的弹性而产生物理性的伸长或压缩,从而反射率也由于光纤弹光效应而产生变化。这两个物理效应使得光纤光栅反射布喇格波长移动。由于声压作用造成的布喇格反射波长移动通常很小,因此,可认为其与施加的声压成比例。设声压的表达式为 （3-2）式中和和分别是声压的幅度和角频率。此声压作用于光纤光栅上，将影响光纤光栅的反射光中心波长产
8、生相应的变化,如下式 （3-3）对于波长解调系统来说, 其输出光强应当是光纤光栅反射光中心波长的函数。即当光纤光栅反射中心波长发生移动时，其输出光强也应发生相应的变化。由于水听器传感光纤光栅反射中心波长移动很小, 因此, 我们认为波长解调系统的输出光强的变化与光纤光栅反射中心波长的移动是呈线性关系的。则有 （3-4）式中, Pin是入射进传感光纤光栅的光强值，为常数。将式(3-3) 代入式(3-4) 可得 (3-5)从式(3-5)最终可知,波长解调系统的输出光强的交流部分和作用在传感光纤光栅上的声压成比例。光纤光栅水听器的结构有很多，典型的光纤光栅水听器示意图如图3.2所示。主要分为光源、传感
9、头和探测器以及信号解调系统。传感头接收声压信号的原理在上面已经介绍，另一块比较重要的内容就是信号解调。信号解调主要是利用特殊的手段获得光纤光栅波长的变化量，这主要是光频域问题，即分辨由光纤光栅所发射或反射的激光中心波长变化量。但现有的光电转换器件只能完成对光强的光电转换无法对波长进行测量，因此需要将光频域的变化量通过一定的方法转换为空间中不同位置光强或时域中不同时刻光强测量的问题，利用光电转换器件分析电信号从而准确的得到光波长变化10。图3.2 光纤光栅水听器示意图下面通过文献10对信号解调做一个简单的介绍。由于不同的光纤光栅水听器的结构不同，对应的解调方式也会有差别，一般常采用的是精度较高的
10、非平衡干涉仪波长解调法。非平衡干涉仪一般采用的是光纤式的Michelson型干涉仪和Mach-Zehnder型干涉仪。Michelson型非平衡式干涉仪解调方法的示意图如如3.3所示。光纤光栅反射(或光接收)回来的窄带光信号经非平衡干涉仪后的干涉信号可以写成： （3-6）其中、分别是干涉仪两个臂的光强，是干涉输出后的总光强，表示信号引起的相位变化，表示外界环境干扰和噪声造成的相位变化。干涉仪经过光电探测器的光电转换后变为电压信号： （3-7）其中V1、V2为常数，可将式3-7简化为： （3-8）通常外界的干扰吮为随机变化的低频大信号，而是水声声压引起的高频小信号，当信号存在微小变化量时，对(3
11、-8)式进行微分可得： （3-9）上式（3-9）可知，电压的变化能反应水声声压引起的高频小信号，同时也发现噪声信号的涨落会导致输出信号的相位衰落。对该问题的解决，可通过有源零差法、闭环工作点控制法、锁相检测法、33耦合器多相检测法和相位生成载波法(PGC)等。具体的解调算法涉及到信号处理的知识，对此不再多做探讨，具体可参考文献10。图3.3 Michelson非平衡干涉仪相位调制方式4 光纤光栅水听器的综述在对文献查阅过程中发现，关于光纤光栅水听器近期的外文报道很少，并且很多外文是中国学者写的，翻译成外文的，可能是由于光纤水听器涉及到军事敏感性，因此在本综述中大部分还是对国内光纤光栅水听器研究
12、的报道。光纤水听器的研究是开始于美国海军研究实验室于1976年发表了第一篇有关光纤水听器的论文，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究11，时至今日美国仍然在水听器领域处于领先地位。对光纤光栅水听器的研究是从Nobuaki Takahashi12等人开始的，该研究小组首先将光纤光栅用于水下声场的检测，利用激光的强度调制，实现了较好的线性效果，动态范围为70dB，测量频率从1KHz到3MHz。上述的光纤光栅水听器采用的是裸光纤，由于裸光纤的灵敏度较低，很难获得较高的灵敏度。后面很多人都对光纤光栅水听器的增敏进行了深入的研究。在2006年，意大利 A Cusano 等采用低杨氏模量的聚合物对无源光纤
13、光栅进行增敏封装13，根据聚合物材料的参数，包括杨氏模量、声阻抗以及阻尼系数等，研制出的水听器声压灵敏度至少提高了三个数量级，并且在20 kHz声信号内最小可探测声压约为10 Pa14。2007年，谭波等又提出了一种采用薄壳弹簧增敏的光纤光栅水听器，该方法通过增大声压作用面积, 并将径向压力转化为FBG的轴向应变, 使FBG对声压信号的敏感度增加了2900倍，最终实验得到的结果为比裸光纤灵敏度高出约67.1dB，放大倍数约2264.6倍15。其结构示意图如图4.1所示。图4.1 薄壳弹簧怎么结构2008年，李东明等人采用金属弹性片进行增敏，实验测得的结果比裸光纤的灵敏度高80dB，增敏倍数为1
14、0000倍，通过对试样的灵敏度测试，得到 1001000 Hz信号频带内-171.5-163 dB 的相移灵敏度实验结果17。其结构示意图如图4.2所示。图4.2 端面金属弹性片增敏结构同年，李智忠等人报道了一种聚合物边孔封装的光纤光栅水听器，其静态压力灵敏度提高了17120倍，在500Hz频率处的声压灵敏度为-153.3dB(0dB=1pm/uPa),且具有非常好的各向同性指向性，其最小可测声压为61dB(0dB=1uPa/)17。2012年，谭波等人又分析研究了一种增敏罐封装光纤光栅水听器，通过分析得出当聚合物与筒壁不粘连时，探头可获得约527dB的灵敏度增益，聚合物内部应变较均匀，探头在3kHz以下可获得起伏不高于1dB 的较平坦的声压灵敏度频响曲线18。其结构示意图如图4.3所示。图4.3 金属罐封装结构杨健等人提出了一种比较巧妙的增敏方式，没有从光纤光栅水听器探头的结构出发，而是采用一对匹配的光纤光栅形成推挽式结构。该方法与上述方法有较大差别，并且有一定的创新性，故单独列出来。该方法水听器探头结构图如图4.4和图4.5所示，采用双光纤布拉格光栅测量、差分输出,进一步提高了灵敏度, 并使得温度对探头的影响
