光纤水听器原理与应用

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1、光纤水听器原理与发展现状108 级 11 班邓洲（西华师范大学物理与电子系 200809241108 ）摘要 光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点，在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了 光纤水听器的基本原理，并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍 关键词： 光纤水听器； FMCW ；光纤激光器1. 光纤水听器简介声波作为一种机械波，可以在海水中进行远程能量传递，而其他类型的能量场在水中衰减很快，因此， 声波是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式1。 水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在

2、工业生产和民用领域，也有着广泛的 用途.早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入，基于压电陶瓷传感元件的水听器 出现了许多不足之处。如对电磁场的敏感性，电缆负载、连接电缆的共振效应，同时利用压电陶瓷进行点传 感的技术难度和成本也十分困难。正是由于传统压电式水听器存在这些问题，随着光纤和激光技术的发展， 人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的研究始于冷战时期，由于反潜战的需要，美国海军开始了光纤水听器的研究。光纤水听器的研究越来越受到各国的重视 .2. 光纤水听器原理光纤水听器是复杂的光、机、电一体化传感器，现在已经开发出多种不同的光纤水听器，主要分

3、为：强 度调制型、干涉型和光栅型三种。下面分别介绍它们的简单原理。2.1 强度调制型光纤水听器强度调制型光纤水听器，就是指外界信号对光纤中传输的光进行强度调制，这样我们就可以通过监测光 强的变化来解调出外界信号。基于这个原理，可以用不同的形式予以实现。主要包括三种：基于微弯损耗原 理的光纤水听器，基于反射系数调制的光纤水听器，基于耦合效率调制的光纤水听器。2.1.1 基于微弯损耗原理的光纤水听器当光纤发生弯曲时，由于其全反射条件被破坏，纤芯中传播的某些模式的光进入包层，造成纤芯中的光 能损耗。输出光纤*声压输入光纤图 1 基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器图 1 是基于螺旋变形器的微弯型光纤水听

4、器6 。先用金属丝线以一定的螺距螺旋方式缠绕在光纤上然后光纤再以螺旋方式缠绕在倒置的锥体外表面，并与相应锥形外套相配合。当水声压力作用在倒置的锥 体和外套上时，中间的光纤产生弯曲损耗，实现水声检测。2.1.2 基于耦合效率调制的光纤水听器这种水听器是将两根相互平行、同轴放置的光纤彼此相隔一段距离，其中一根光纤是固定的，另一根可以随外界声压引起的机械位移的作用而发生移动。使得两根光纤彼此相错 .图 2 基于耦合效率调制的光纤水听器 72.1.3 基于反射系数调制的光纤水听器这种水听器是在声压的作用下，光纤端面处的光反射系数的改变而实现对水声信号的检测。图3 中所给出的是 Wurster 等人研制

5、的基于反射系数调制的光纤水听器实验系统。水电声换能器触发信钳多楔礙璃光纤示波器信号操测器哩声採测器肢K器图 3 基于反射系数调制的光纤水听器 8可以得到端面折射系数的改变量为2.2 干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器顾名思义就是基于光纤干涉仪原理而制作而成的光纤水听器。光纤水听器所探测的信号为水下目标发出或反射的声波，而水下声场的变化引起水压的变化，光纤水听器通过感应水压的变化来拾取水声信号。电声换能器图 4 干涉型光纤水听器 9图 4(1) 为 Michelson 型光纤干涉仪。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，

6、提供参考相位，两束波经两臂末端的反射膜反 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 4(2) 是基于 Mach-Zehender 型光纤干涉仪。激光经 3dB 光纤耦合器分为两路，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。这种结构的特点是灵敏度较高， 并且激光光源和光探测器不在同一侧，避免了返回光对光源的影响。图 4(3) 是基于 Sagnac 干涉仪的光纤水听器。 激光器发出的光经耦合器分为两束， 当光纤环中的信号臂 受外界场的扰动时对称性被破坏，两束光在耦合器重新合路时发生干涉，解调

7、该信号即可恢复出声信号。 两束光在光电转换器处的干涉信号为 11图 4(4) 是基于法布里 -珀罗干涉原理的光纤水听器 12 。它的传感部分是由一块固定的高反镜和一块可 移动的高反镜组成，两者相互平行，且这两块高返镜的反射系数一般都大于90% 。2.3 光栅型光纤水听器 在新型光纤水听器中，以光纤 FBG 或光纤光栅激光器作为传感元件水听器的研制也已开始。大量研究工作表明，采用FBG研制的水听器相对于干涉型水听器，具有如下优点 ：FBG水听器是波长检测型器件，波长在传输 过程中是基本不变的，水听器的可靠性和稳定性更容易得到保证；FBG本身或光纤光栅激光器本身尺寸小，很容易做成点式水听器来使用；

8、2.3.1 光栅型光纤水听器调制原理 当外界声压作用于光纤光栅时，会使光纤光栅发生微小的形变。这种形变，会引起光纤光栅的栅格周期或折射率分布发生变化，从而使其反射谱或透射谱的中心波长发生移动。因而经过光纤光栅透射或反射的光 就携带了外界压力的变化信息，也就是被外界压力所调制。图 5 光纤光栅水听器原理 18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 (九)，则光通过光纤光栅反射后的光强为P = P R (九)。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r in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拉格波长移动。由于声压作

9、(6)对于波长解调系统来说，其输出光强应当是光纤光栅中心波长的函数。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的移动很小，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。2.3.2 FBG 光栅型光纤水听器信号解调方案裸光纤光栅对压力的灵敏程度很低， 在 70MPa 的高压下， 裸光纤光栅的压力灵敏度系数仅为 0.007nm/MPa ，因此很难直接通过观察 FBG 波长变化来检测微弱的水下信号，必须采用灵敏度很高的解调 方法。可以通过不同方法提取出变化微弱的光信号，从而实现对水下 FBG 所处的

10、微弱声场的检测。这些解 调方法包括：光强调制法、 FBG 增敏法、光纤光栅对匹配法和光纤光栅激光器法 （DFB 或 DBR 型光纤激光 器）。2.3.2.1. 光强调制法图 6 激光光强调制法 FBG 水听器系统结构激光光强调制法的系统结构如上图所示。将 FBG 悬于蒸馏水中，水池四壁采用消声材料，最大限度 吸收多余声波，减少反射声场对 FBG 的影响。水池底部放置水声换能器，将音频信号放大输出。由于声波 是纵波，这样放置可以进一步减小水池四壁反射的影响。 LD 激光光源将入射光注入到 FBG 内，透射光谱 经光电二极管转换并放大后，由频谱分析仪进行分析获得声压信号。光纤 Bragg 光栅的带

11、宽通常比较窄。 在其带宽范围内， 将入射激光波长调到 FBG 中心波长两侧光谱斜 率较大处，则光谱的微小漂移就可以引起投射光强较大的变化。由于在附近光谱随波长的变化近似为线性， 相应的也与 FBG 所受声压成正比。通过检测 FBG 的透射光谱，就可以实现对水下声压的监控。2.3.2.2 FBG 增敏法对 FBG 进行声增敏聚合物的封装，将弹性聚合物材料与 FBG 紧密结合，可以增大 FBG 的灵敏度，使 波长漂移更加明显。在厚壁刚性金属外套圆筒内壁将声敏感聚合物固化，将光纤光栅置于圆筒轴线上，并 固定于声敏感聚合物中。这样只有开口方向的声波压力才能对声敏聚合物弹性体产生轴向应力，其他方向 的压

12、力都会被金属套筒屏蔽掉。文献表明，这种增敏方法可以使 FBG 探头的压力灵敏度比裸光纤时增大除了聚合物金属圆筒封装法，还可以采用膜片法对 FBG 增敏。将 FBG 固定于金属或聚合物弹性膜片 上。当水声换能器发出声信号时，声信号在水中传播到膜片使膜片发生较明显的形变，膜片的形变产生应 力使 FBG 发生纵向形变后，导致 FBG 的反射波长发生较明显的改变。通过检测光栅反射波长的变化，同 样可以方便的获得相应的水声信号。2.3.2.3 光纤光栅对匹配法图 7 光纤光栅对匹配法水听器系统结构 在光纤光栅对匹配法水听器系统中， FBG1 和 FBG2 为匹配光纤光栅对。所谓匹配光纤光栅对， 就是指这

13、两个光纤光栅的性能参数都接近。2.3.2.4 光栅光纤激光器法光纤光栅激光器法是指采用 FBG 构成 DBR( distributed Bragg reflector) 或 DFB(distributed feedback) 两 种光纤光栅激光器，通过检测在声压作用下。3 分布传感式光纤水听器目前大多数光纤传感都是 “点式传感 ”，测量范围均局限在一些离散的区域，一般都要增加很多传感单元 来扩展它的测量范围。成本、复杂性及其脆弱性均限制了这种传感技术的广泛应用，而能够覆盖整个光纤长 度的可连续传感的 “分布式传感技术 ”自然受到了更大的重视和青睐。4.1 国内研究进展我国的光纤水听器研究已取得

14、较大的进展，在若干技术指标上已达到目前国际水平，但是主要处于理 论和实验室的层次，实用化、工程化的水听器还未见报道。代表性的工作有：浙江大学 1997 年申请了国家 自然科学基金研制了马赫 -泽德干涉仪型的 PGC 单元光纤水声传感器，在国家一级测量站取得了较好的测 试结果，其灵敏度在 630Hz 时达到了 -134dB 。1998 年上海交通大学研制的干涉型单元水听器，其水声灵敏 度为-160dB，加速度灵敏度为-40dB。还有中国船舶总公司进行的单位光纤水听器的“八五”国防预研项目研究，中科院及信息产业部的一些研究所和哈尔滨工程大学、国防科技大学等单位也都正在开展相关研究工 作。4.2 国

15、外研究进展正是由于光纤水听器在军事领域的广泛领域美国海军19861990年财政年度用于反潜战光纤技术的预算达 8000 万美元，其中大部分用在光纤水听器的研究开发上。二十世纪 80 年代末到 90 年代初，美国国防部 把光纤海底监视系统作为 22 项关键技术之一。 1988 年 6 月，美国海军研究实验室制定了潜艇用“光纤水听器系统标准 ”。1990 年 6 月美国海军研制了两个基于心轴型的迈克尔逊干涉仪结构的水听器，一个光纤船体穿 透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，水听器的工作带宽在 64Hz50kHz范围内。5 结论光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点，在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了光 纤水听器的基本原理，并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍。强度型光纤水 听器的结构和原理相对简单，但是强度调制型光纤水听器容易受到外界的干扰，特别是光源波动的干扰。干 涉型光纤水听器是基于光纤干涉仪原理的一种水听器，拥有较高的测量精度。干涉型光纤水听器主要有四种 结构： M-Z 型、 Michelson 型、 F-P 型和 Sagnac 型。其中 Michelson 和 M-Z 型光纤水听器的使用较为广泛。 光栅型光纤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