《光纤水听器原理探究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤水听器原理探究（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光纤水听器原理及应用探究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.随着现 代战争环境的日趋复杂化，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，光纤水听器作为一种重要的光纤压力传感器，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.光 纤水听器的信号的传感与传输皆基于光纤技术，具有体积小、重量轻、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。光纤水听器是利用声波信号凋制光束来进行声/光转换.实现水下声信号
2、检 测的一种器件。主要有两大类型：一类是调制型光纤水听器，主要包括强度调制 型和相位调制型.利用光纤作为感应元件，通过调制光纤中的光束实现水下信号 的检测；另一类是混合型光纤水听器，感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。 目前，强度调制型光纤水听器主要有微弯型、受抑全内反射型和网络型三种。相 位调制型光纤水听器是根据Mach-Zehnder干涉仪原理制成的，因而不仅灵敏度 高，而且动态范围大目前普遍认为，相位调制型光纤水听器是最有发展前途的水 听器。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(a)是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器原理图。激光光源(S)发 出
3、的光经光纤定向耦合器(DC)分为2路：一路构成光纤干涉仪的传感臂，接 受声波调制；另路则构成参考臂，提供参考相位，2束波经后端反射膜反射后返 回光纤定向耦合器，发生干涉，其光信号经光电探测器(PIN)后转换为电信号， 经处理就可拾取声波信息。图(b)是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理图。从激光光源 发出的光耦合进光纤后，由光纤定向耦合器DC1分成空间分离的2路光束，分 别称为信号和参考光束，再经光纤定向耦合器DC2重新相干混合，分别在输出 端产生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。林毒光电探头信号胃图(c)是基于Fabry-Perot光纤干涉仪光纤水听器的原理图，由光纤中
4、2个 反射镜或1个光纤布拉格光栅等构成Fabry-Perot腔。激光经该干涉仪时在腔 内来回多次反射，形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。由于光在 腔内多次反射，该水听器灵敏度非常高，其缺点是动态范围小。图（d）是基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理图。该型光纤水听器由 1个3X3光纤定向耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播激光经 信号臂时对称性被破坏，形成相位差，返回光纤定向耦合器时干涉，转化为光强 信号，经光电转换及信号处理得到声信号。光电探王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
5、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.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：XB = 2 凡
6、effA的光波将被反射回来，其余波长的光波则透射.式中人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，人 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E = 2AeffA + 2 neffA A确定，这样就实现了水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、人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光学斓高器光电探头 光纤布M格光栅目前光纤水听器的应用十分广泛，由光纤水听器构成的声纳系统是现代海 军反潜作战及
7、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.特别是在军事上的应用不断得到拓展，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.光纤水听器及 有关元件尽管工作在恶劣的条件下，仍能满足和超过港艇水听器系统所要求的性 能指标。由于光纤水听器几何形状的适应性.不仅可制成很长的线性传感器.而 且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器。由于水下声场的复杂性，光纤水听器在 军事中主要是以阵列的形式应用，低成本实现分布式阵列是光纤水听器在实战中
8、得以应用的关键.利用光纤传输损耗低、传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进 展，实现对光源、光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成分布式光 纤水听器阵列。这样既降低了系统成本，又降低了维护的复杂程度。而且通过对 阵列信号的处理可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水 下目标的信息。参考文献：1 张仁和，倪明，光纤水听器的原理与应用J,前沿进展,2004, 33 (7): 5 03-507.2 王金玉，张玲，隋青美，常军，光纤水听器浅析J,自动测量与制,2007,26(1):76-78.3 商海英，光纤水听器的军事应用J,光纤光缆传输技术,2001,3:7-10.4 黎敏,廖延彪,2008,光纤传感器及其应用技术M,武汉:武汉大学出版社.5 刘伯胜，雷家煜,2010,水声学原理M,哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.6 杨德森，洪连进,2009,矢量水听器原理及应用引论M,北京:科学出版社
