光纤水听器的原理与应用

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1、光纤水听器的原理与应用3张仁和1 ,? 倪 明2(1中国科学院声学研究所 声场声信息国家重点实验室 北京 100080)(2国防科技大学理学院光电工程系 长沙 410073)摘 要 为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要,在光纤技术不断发展的基础上,光纤水听器应运而生.光纤水听器是一种基于光纤、 光电子技术上的新型水下声传感器,因其在军事、 民用各领域应用广泛,目前光纤水听器在国内外发展迅速,已经到达实用状态.全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术.具有抗电磁干扰、 重量轻和造价低等优点.文章简述了光纤水听器的发展历史、 现状,论述了光纤水听器的原理及其应用前景.关

2、键词 光纤水听器,原理,应用Principle and applications of the fiber optic hydrophoneZHANG Ren2He1 ,? NI Ming2(1State Key Laboratory of Acoustics , Institute of Acoustics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080, China)(2College of Science, National University of Defense Technology , Changsha 410073, China)A

3、bstract The fiber optic hydrophone was developed to satisfy the urgent demands of underwater acousticsapplications , especially for anti2submarine purposes. This new underwater acoustic sensor based on optical fiberand optoelectronics technology is now well developed and widely used in military and

4、civil applications. The op2tical fiber hydrophone system including the wet end signal sensing and transfer is all fiber based , and thus hasthe merits of light weight , low cost and immunity to electromagnetic interference. The history and develop2ment of the fiber optic hydrophone are reviewed , wi

5、th a detailed discussion of the principle and applications.Key words fiber optic hydrophone , principle , application3 国家自然科学基金(批准号:10234050)资助项目2003 - 09 - 23收到初稿,2004 - 02 - 03修回? 通讯联系人. E2mail :zrh 1 引言众所周知,电磁波和光波能在空间有效地传播, 是空中信息传递的有效载体.但它们在水中的传播 损耗比声波约大3个数量级,因而不能成为水中远 距离信息传递的有效形式.迄今为止,声波仍然是能在海洋中

6、远距离传输信息的最有效的载体.水听器 是通过接收声波对水下目标进行探测、 定位与识别 的传感器. 光纤水听器是基于光纤、 光电子技术的一种新 型水听器,具有灵敏度高、 频带响应宽、 抗电磁干扰、耐恶劣环境、 结构轻巧、 易于遥测和构成大规模阵列等特点.光纤水听器研究始于冷战时期反潜战的需 要. 20世纪70年代中期,美国海军研究室开始了光纤水听器研究. 1977年,Bucaro等人发表首篇论 文1,演示了一套基于光纤技术的水声传感系统. 光纤水听器的第一次海上试验是美国为海军流动噪 声驳船系统的噪声监测装置开发的塑料芯轴光纤水 听器,并于1983年7月部署在巴哈马群岛,从此,各军事强国纷纷投入

7、大量人力和财力进行有关光纤水 听器的研究和试验.早在20世纪90年代初,美国的 光纤水听器研究就已经到达实用阶段.目前,美国在305前沿进展33卷(2004年)7期该领域仍处于领先地位. 2000年,美国利通资源勘 探仪器公司研制成功96基元全光光纤水听器系统, 应用于海洋、 陆地石油、 天然气勘探. 2001年,美国 海军与利通公司签订基于光纤水听器的远程供电全 光固定分布式系统(RP FDS2C)开发合同.光纤水听器已经由实验室走向应用.2 光纤水听器原理光纤水听器按原理可分为干涉型、 强度型、 光栅型等.干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成 熟,在部分领域已经形成产品,而光纤光栅水听器

8、则 是当前光纤水听器研究的热点.2. 1 干涉型光纤水听器原理 干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的.图1是基于几种典型光学干涉仪的光纤水听 器的原理示意图.图1 (a)是基于Michelson光纤干 涉仪光纤水听器的原理示意图.由激光器发出的激 光经3dB光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉 仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位.两束波经后端反射膜反射后返回 光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器 转换为电信号,经过信号处理就可以拾取声波的信 息.图1 (b)是基于Mach2Zehnder光纤干涉仪光纤 水听器的原理示意图.激光经3dB光纤耦合器分为两

9、路,分别经过传感臂与参考臂,由另一个耦合器合 束发生干涉,经光电探测器转换后拾取声信号. 图1(c)是基于Fabry2Perot光纤干涉仪光纤水听器 的原理示意图.由两个反射镜或一个光纤布拉格光 栅等形式构成一个Fabry2Perot干涉仪,激光经该干涉仪时形成多光束干涉,通过解调干涉的信号得到 声信号.图1(d)是基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听 器的原理示意图.该型光纤水听器的核心是由一个33光纤耦合器构成的Sagnac光纤环,顺时针或逆 时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏,形成相位差,返回耦合器时干涉,解调干涉信号得到声信 号. 我们以双光束干涉为例,干涉后的光信号经光 电转换后可以

10、写成:V0= V 1+ kcos(s+n) + Vn,(1)其中V0是输出的电压信号,V是信号幅度,k是干 涉仪的可视度,Vn是电路附加噪声,s为水中声波引起的干涉仪两臂相位差,n为外界环境变化引起 的相位差.图1 基于光纤干涉仪的光纤水听器原理示意图(a) Michelson干涉仪;(b) Mach2Zehnder干涉仪;(c) Fabry2Perot干涉仪;(d) Sagnac干涉仪光纤干涉仪输出光波相位差为=2nl c,(2)其中c是真空中光速,n是光纤纤芯的有效折射率,l是光纤轴向长度,是光频.若光源相干长度为L,相干理论要求Lnl.由(2)式可得,各种因素引起的相位差变化为 =2nl

11、 cn n+l l+ .(3)由上式看出,相位差的变化包括三部分: (1)由光弹效应产生有效折射率改变引起的光相位变化; (2)光纤轴向长度的变化导致的光相位变化; (3)光频的抖动引起的光相位变化.其中前两种变化可以由声压调制因素产生,第三部分则构成系统的光相位噪声.一般光纤水听器探头都经过增敏处理.最简单的增敏方法是将干涉仪的传感臂缠绕在一个声压弹性体上,这样声压变化时,弹性体随声压受迫振动,传感光纤长度被调制,这样声压对光纤水听器的调405前沿进展物理制主要表现为光纤轴向长度的调制.经过理论分析, 这种光纤轴向长度的变化与声压的变化成正比,于 是有: s2nl cl l= kp ,(4)

12、其中k是比例系数. (4)式说明干涉仪由水声引起 的相位差变化与声压变化成正比,该式是干涉型光 纤水听器拾取声信号的理论基础.2. 2 强度型光纤水听器原理 强度型光纤水听器基于光纤中传输光强被声波 调制的原理,该型光纤水听器研究开发较早,主要调 制形式有光纤微弯式、 光纤绞合式、 受抑全内反射式 及光栅式等2.微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功 率变化的原理而制成的光纤水听器.其原理如图2 所示:两个活塞式构件受声压调制,它们的顶端是一 带凹凸条纹的圆盘,受活塞推动而压迫光纤,光纤由 于弯曲而损耗变化,这样输出光纤的光强受到调制, 转换为电信号即可得到声场的声压信号.图2 微弯光纤水听

13、器原理示意图2. 3 光纤光栅水听器原理 光纤光栅水听器是以光栅的谐振耦合波长随外 界参量变化而移动为原理.目前光纤光栅水听器一般基于光纤布拉格(Bragg)光栅构造,如图3所示, 当宽带光源(BBS)的输出光波经过一个光纤布拉格 光栅(FBG)时,根据模式耦合理论可知,波长满足布 拉格条件 B=2neff的光波将被反射回来,其余波长的光波则透射.式中 B为FBG的谐振耦合波长,也即中心反射波长,neff为纤芯有效折射率,为光栅栅距.当传感光栅周围的应力随水中声压变化时,将导致neff或 的变化,从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移, 偏移量由 B=2neff+2neff确定,这样就实现了水

14、声声压对反射信号光的波长 调制.所以,通过实时检测中心反射波长偏移情况, 再根据neff、与声压之间的线性关系,即可获得 声压变化的信息.图3 光纤光栅水听器原理示意图3 光纤水听器的特点及其应用由光纤水听器构成的声纳系统是现代海军反潜 作战及水下兵器试验的先进探测手段,光纤水听器 也可以应用于海洋石油、 天然气勘探,还可以应用于水声物理研究以及海洋渔业等领域,高频光纤水听 器则可以用来测量水中超声场,用于医学测量.下面 就光纤水听器的一些主要特点及其应用作一简略介 绍.3. 1 光纤水听器的特点(1)低噪声特性.光纤水听器采用光学原理构成,灵敏度高,由于其自噪声低的特性决定了其可检 测的最小

15、信号比传统压电水听器要高23个数量 级,这使弱信号探测成为可能.(2)动态范围大.压电水听器的动态范围一般在8090dB ,而光纤水听器的动态范围可以到120140dB.(3)抗电磁干扰与信号串扰能力强.全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体,几百兆赫以 下的电磁干扰影响非常小,各通道信号串扰也十分 小. (4)适于远距离传输与组阵.光纤传输损耗小,适于远距离传输.光纤水听器采用频分、 波分及时分 等技术进行多路复用,适于水下阵列的大规模组阵. (5)信号传感与传输一体化,提高系统可靠性.激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾 取声信号后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理505前沿进

16、展33卷(2004年)7期设备,水下无电子设备.另外,光纤对水密性要求低, 耐高温、 抗腐蚀,这些都将大大提高系统的可靠性.(6)工程应用条件降低.采用全光光纤水听器的声纳系统,探测缆及传输缆皆为光缆,重量轻体积 小,系统容易收放,使过去无法实现的方案成为可能,特别对拖曳阵列,由于工程应用条件的降低而使 许多问题简单化.3. 2 军事上的应用 由于光纤水听器的上述优点和特点,使得由光 纤水听器构成的声纳系统可以应用于岸基警戒系统,也可以应用于潜艇或水面舰艇的拖曳系统.3. 3 资源勘探 光纤水听器在石油、 天然气等资源勘探中的应 用前景不亚于军事应用.用光纤水听器采集地震波 信号,经过信号处理可以得到待测区域的资源分布信息.用于海洋勘探时,光纤水听器可以布放在海 底;用于陆地勘探时,光纤水听器可以吊放到高温高图4 研制的光纤水听器基元图5 光纤水听器基元在频带