光纤水听器的概述

1、孙慧慧2光纤水听器的分类及基本原理光纤水听器的分类及基本原理光纤水听器的历史发展现状光纤水听器的历史发展现状 1光纤水听器的基本特点光纤水听器的基本特点3光纤水听器的探头设计光纤水听器的探头设计4光纤水听器的发展前景光纤水听器的发展前景5一、光纤水听器的历史发展现状一、光纤水听器的历史发展现状 光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的水下声光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，信号的传感与传输皆基于光纤技术信号传感器，信号的传感与传输皆基于光纤技术。 光纤光栅是一种新型光纤器件。从最初的无源器件到近光纤光栅是一种新型光纤器件。从最初的无源器件到近年来的有源器件，发展极为

2、迅速。光纤光栅是利用掺杂光纤年来的有源器件，发展极为迅速。光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性，用紫外波段的激光或干涉条纹分布的激光束福照的光敏性，用紫外波段的激光或干涉条纹分布的激光束福照光纤，使光纤内部产生纵向永久性折射率周期性变化而制成光纤，使光纤内部产生纵向永久性折射率周期性变化而制成的。由于光纤光栅是在光纤内部形成的，具有全光纤化、插的。由于光纤光栅是在光纤内部形成的，具有全光纤化、插入损耗低、成本低的优点，并且通过对光栅结构的设计可以入损耗低、成本低的优点，并且通过对光栅结构的设计可以得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在光纤通信、光纤得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在光纤通信、光纤

3、传感、光信息处理等领域展现出广阔的应用前景。光纤光栅传感、光信息处理等领域展现出广阔的应用前景。光纤光栅的出现导致了光纤技术及其相关领域的一系列革命，被认为的出现导致了光纤技术及其相关领域的一系列革命，被认为是继掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。是继掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。 随着核潜艇技术及潜射导弹技术的迅速发展随着核潜艇技术及潜射导弹技术的迅速发展，潜艇的噪声潜艇的噪声日益降低日益降低。常规探测潜艇压电声纳的灵敏度已接近极限值常规探测潜艇压电声纳的灵敏度已接近极限值，使电缆连接的海底声纳警戒系统的探潜能力大大降低。使电缆连接的海底声纳警戒系统的探潜能力大大降低。鉴于光纤技术

4、为信息传输和信息传感带来了革命性的变革鉴于光纤技术为信息传输和信息传感带来了革命性的变革，美国和欧共体各国都对水听器进行了深入研究美国和欧共体各国都对水听器进行了深入研究, , 获得了获得了很多有价值的研究成果。很多有价值的研究成果。 上世纪上世纪7070年代中期年代中期，美国的美国的J.A.BucaroJ.A.Bucaro首先提出在反潜战首先提出在反潜战中利用光纤作为换能器中利用光纤作为换能器, , 研制光纤水听器研制光纤水听器, , 近年来近年来, , 美国美国、 日本等军事大国均在光纤光栅水听器技术中投入了大日本等军事大国均在光纤光栅水听器技术中投入了大量的人力财力从事研究量的人力财力从

5、事研究, ,取得了较好的效果取得了较好的效果。 19851985年，年，W. TietjenW. Tietjen提出了光栅水听器提出了光栅水听器一、光纤水听器的历史发展现状一、光纤水听器的历史发展现状光纤水听器及其阵列的研究和发展始于光纤水听器及其阵列的研究和发展始于2020世纪世纪7070年代末。目前至少有年代末。目前至少有英、美、法、意、韩、日等多个国家致力于这方面的研究。近年来它英、美、法、意、韩、日等多个国家致力于这方面的研究。近年来它已受到各国军方的高度重视。已受到各国军方的高度重视。 光纤水听器及其阵列已成为被动声纳水下部分的发展方向，是光纤水听器及其阵列已成为被动声纳水下部分的发

6、展方向，是未来海洋探测、监听微弱声场信号最有生命力的反潜战武器，其中最未来海洋探测、监听微弱声场信号最有生命力的反潜战武器，其中最有代表性的是美国的工作。有代表性的是美国的工作。 我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，我国的光纤水听器研究也已取得较大进展， 在若干技术指标在若干技术指标上已达到目前国际水平，上已达到目前国际水平， 但是主要处于理论和实验室的层面但是主要处于理论和实验室的层面一、光纤水听器的历史发展及现状一、光纤水听器的历史发展及现状按其原理分类按其原理分类调幅型光纤水听器调幅型光纤水听器调相型光纤水听器调相型光纤水听器偏振型光纤水听器偏振型光纤水听器强度型光纤水听器，强度型光纤

7、水听器，不适合成阵不适合成阵即干涉型光纤水听即干涉型光纤水听器，已经由实验器，已经由实验转向应用转向应用光纤光栅水听器，光纤光栅水听器，国内外研究热点，国内外研究热点，不适合成阵不适合成阵二、分类及基本原理二、分类及基本原理1、强度型（调幅型）光纤水听器、强度型（调幅型）光纤水听器基于强度调制原理的光纤传感器在工程实际应用和科学研究中扮演基于强度调制原理的光纤传感器在工程实际应用和科学研究中扮演着极其重要的角色，于其成本低，信号处理简便等优点受到开发者着极其重要的角色，于其成本低，信号处理简便等优点受到开发者和使用者的青睐。随着研究的深入和半导体光电技术的进一步发展，和使用者的青睐。随着研究的

8、深入和半导体光电技术的进一步发展，强度调制型光纤水听器正在逐步走向实用化和商品化，目前已经实强度调制型光纤水听器正在逐步走向实用化和商品化，目前已经实现了包括位移及表面形状、压力、盐度与温度、产品质量在线监测现了包括位移及表面形状、压力、盐度与温度、产品质量在线监测等多种物理和化学量的监测问题，强度调制型光纤水听器在军事反等多种物理和化学量的监测问题，强度调制型光纤水听器在军事反潜、地震波检测、石油勘探以及在传感技术领域发挥着重要的作用。潜、地震波检测、石油勘探以及在传感技术领域发挥着重要的作用。二、分类及基本原理二、分类及基本原理1.11.1、基于微弯损耗原理的光纤水听器、基于微弯损耗原理的

9、光纤水听器“微弯微弯”指的是在扰模器的作用下，导致光纤中的指的是在扰模器的作用下，导致光纤中的传输模以辐射模的形式而损耗。基于这种基本原理，传输模以辐射模的形式而损耗。基于这种基本原理，提出了多种光纤水听器的结构。此方法的主要缺点提出了多种光纤水听器的结构。此方法的主要缺点是水听器的性能极大地受到广元强度稳定性的影响。是水听器的性能极大地受到广元强度稳定性的影响。二、分类及基本原理二、分类及基本原理1.1.11.1.1、柱状结构的微弯型光纤水听器、柱状结构的微弯型光纤水听器 首先由首先由LagakosLagakos等人提出，后由等人提出，后由VengsarkarVengsarkar等人改进。等

10、人改进。 图图a a的结构是将一根光纤以固定的结构是将一根光纤以固定的扰模周期缠绕在柱体外表面上，的扰模周期缠绕在柱体外表面上，并在圆周的九十度范围内严柱体的并在圆周的九十度范围内严柱体的轴向刻槽，这样就在外界声波的环轴向刻槽，这样就在外界声波的环境下给光纤提供了微弯空间。境下给光纤提供了微弯空间。 图图b b的结构是将三根光纤分别缠的结构是将三根光纤分别缠绕在柱体的三段位置上，绕在柱体的三段位置上，并相隔沿并相隔沿轴向刻槽。轴向刻槽。这样这样, ,不同光纤的输出就不同光纤的输出就会代表三个方向上声波的特性会代表三个方向上声波的特性, ,从而从而实现了方向辨别。实现了方向辨别。 b b结构与结

11、构与a a相比相比, ,增加了结构的复增加了结构的复杂性。杂性。二、分类及基本原理二、分类及基本原理1.1.21.1.2、基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器 右图是右图是“双螺旋双螺旋”形式的光纤水听形式的光纤水听器结构器结构, ,由由 Schoenwald Schoenwald 和和 Bivins Bivins 提出。提出。首先用一种金首先用一种金属细丝线属细丝线（0 0. .127mm127mm）以以2 2mmmm的螺距螺旋方式缠绕在光纤上的螺距螺旋方式缠绕在光纤上，然后然后这根缠绕着螺旋状金属丝的光纤再以螺这根缠绕着螺旋状金属丝的光纤再以螺旋方式缠绕在一个倒

12、置的锥体外表面旋方式缠绕在一个倒置的锥体外表面, ,并并与相应的一个锥形外套相配合。与相应的一个锥形外套相配合。 当水声压力作用在倒置的锥体和外当水声压力作用在倒置的锥体和外套套 上的时候上的时候，中间的光纤就会产生弯曲中间的光纤就会产生弯曲损耗从而实现检测的目的损耗从而实现检测的目的。二、分类及基本原理二、分类及基本原理1.1.31.1.3、模片式微弯光纤水听器、模片式微弯光纤水听器 右图为碟式光纤水听器结构，将光右图为碟式光纤水听器结构，将光纤以纤以“星状星状”结构编织成网状，并置结构编织成网状，并置于一个中空圆筒的开口端，星状光纤于一个中空圆筒的开口端，星状光纤网的另一面中心粘接在一个膜

13、片的中网的另一面中心粘接在一个膜片的中心上。外界声波作用在膜片上产生振心上。外界声波作用在膜片上产生振荡，调制了光纤的张力，使光纤在圆荡，调制了光纤的张力，使光纤在圆筒的周边产生微弯型变。筒的周边产生微弯型变。二、分类及基本原理二、分类及基本原理1.21.2、基于反射系数调制的光纤水听器、基于反射系数调制的光纤水听器 这种水听器是在声压信号的作用下，造成水中光纤端面处的光反射系这种水听器是在声压信号的作用下，造成水中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。声压信号的增加使得周围液体的密度数的改变而实现对水声信号的检测。声压信号的增加使得周围液体的密度增加，从而导致液体的折射率的改变

14、。实验原理如下图所示。增加，从而导致液体的折射率的改变。实验原理如下图所示。 光源通过一个光线光源通过一个光线祸合器与传感探头及信号处理系统相连，为减少光祸合器与传感探头及信号处理系统相连，为减少光源波动的影响，设置了反馈控制回路。这种结构能实现水下正负声压信号源波动的影响，设置了反馈控制回路。这种结构能实现水下正负声压信号检测，结构和原理简单，成本较低。检测，结构和原理简单，成本较低。二、分类及基本原理二、分类及基本原理1.31.3、位移型光纤水听器、位移型光纤水听器 将两根互相平行、同轴放置的光纤彼此相隔一段距离，其中一根固定，将两根互相平行、同轴放置的光纤彼此相隔一段距离，其中一根固定，

15、另一根可随外界声压引起的机械位移的作用而发生移动，使得两根光线彼另一根可随外界声压引起的机械位移的作用而发生移动，使得两根光线彼此交错，从而导致两根光纤之间耦合效率的变化。此交错，从而导致两根光纤之间耦合效率的变化。 主要缺陷是需要一对彼此平行且同轴的光纤，提高了对机械系统的设主要缺陷是需要一对彼此平行且同轴的光纤，提高了对机械系统的设计和加工的难度。在光传输过程中，有一段裸露在外的光纤，影响系计和加工的难度。在光传输过程中，有一段裸露在外的光纤，影响系 统的统的长期可靠性。长期可靠性。二、分类及基本原理二、分类及基本原理2 2、干涉型（调相型）光纤水听器、干涉型（调相型）光纤水听器 干涉型光

16、纤水听器是基于光学干涉仪基本原理构造而成。干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪基本原理构造而成。其基本原理是其基本原理是: :在一段单模光纤中传输的相干光在一段单模光纤中传输的相干光 ，因外界声场，因外界声场的作用，而产生相位调制。的作用，而产生相位调制。 目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构：目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构： MichelsonMichelson干涉仪型光纤水听器干涉仪型光纤水听器 Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器 Fabry-PerotFabry-Perot干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器 SagnacSagna

17、c干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器二、分类及基本原理二、分类及基本原理2.12.1、基于、基于MichelsonMichelson干涉仪光纤水听器干涉仪光纤水听器 二、分类及基本原理二、分类及基本原理Michelson 干涉仪干涉仪 由激光器发出的激光经由激光器发出的激光经3dB3dB光纤耦合器分为两路光纤耦合器分为两路：一路构成光纤干一路构成光纤干涉仪的传感臂涉仪的传感臂，接受声波的调制接受声波的调制，另一路则构成参考臂另一路则构成参考臂，提供参考相位提供参考相位。两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器，发生干涉发生干涉，干涉的光信号干涉的光信号经光电探

18、测器转换为电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经过信号处理就可以拾取声波的信息。2.22.2、基于、基于Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉仪光纤水听器干涉仪光纤水听器二、分类及基本原理二、分类及基本原理Mach-Zehnder干涉仪干涉仪 从激光光源发出的光耦合进光纤后，由光纤定向耦合器分从激光光源发出的光耦合进光纤后，由光纤定向耦合器分成空间分离的成空间分离的两两路光束，路光束，分别经过传感臂与参考臂分别经过传感臂与参考臂，分别称为分别称为信号和参考光束，再经光纤定向耦合器重新相干混合，分别在信号和参考光束，再经光纤定向耦合器重新相干混合，分别在

19、输出端产生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号输出端产生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。2.32.3、基于、基于Fabry-Perot Fabry-Perot 干涉仪光纤水听器干涉仪光纤水听器二、分类及基本原理二、分类及基本原理Fabry-Perot 干涉仪干涉仪 由由光纤中光纤中两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成一个一个Fabry-Perot Fabry-Perot 干涉仪，激光经过该干涉仪时干涉仪，激光经过该干涉仪时在腔内来回在腔内来回多次反射多次反射形成多光束干涉，通过形成多光束干涉，通过解调解调干涉的信号得到声信号。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。动态范围小。2.42.4、基于、基于SagnacSagnac干涉仪光纤水听器干涉仪光纤水听器二、分类及基本原理二、分类及基本原理Sagnac 干涉仪干涉仪基于基于SagnacSagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。该型光纤该型光纤水听器的核心是由一个水听器的核心是由一个3 33 3光纤耦合器构成的光纤耦合器构成的SagnacSagnac光纤环光纤环， 顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被