光纖水聽器的概述

孫慧慧光纖水聽器概述主要內(nèi)容2光纖水聽器的分類及基本原理光纖水聽器的歷史發(fā)展現(xiàn)狀1光纖水聽器的基本特點(diǎn)3光纖水聽器的探頭設(shè)計(jì)4光纖水聽器的發(fā)展前景5一、光纖水聽器的歷史發(fā)展現(xiàn)狀

光纖水聽器是建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器，信號(hào)的傳感與傳輸皆基于光纖技術(shù)。光纖光柵是一種新型光纖器件。從最初的無源器件到近年來的有源器件，發(fā)展極為迅速。光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏性，用紫外波段的激光或干涉條紋分布的激光束福照光纖，使光纖內(nèi)部產(chǎn)生縱向永久性折射率周期性變化而制成的。由于光纖光柵是在光纖內(nèi)部形成的，具有全光纖化、插入損耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且通過對(duì)光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以得到滿足特定需要的各種光譜特性，因而在光纖通信、光纖傳感、光信息處理等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。光纖光柵的出現(xiàn)導(dǎo)致了光纖技術(shù)及其相關(guān)領(lǐng)域的一系列革命，被認(rèn)為是繼摻鉺光纖放大器之后出現(xiàn)的又一關(guān)鍵器件。隨著核潛艇技術(shù)及潛射導(dǎo)彈技術(shù)的迅速發(fā)展，潛艇的噪聲日益降低。常規(guī)探測(cè)潛艇壓電聲納的靈敏度已接近極限值，使電纜連接的海底聲納警戒系統(tǒng)的探潛能力大大降低。鑒于光纖技術(shù)為信息傳輸和信息傳感帶來了革命性的變革，美國和歐共體各國都對(duì)水聽器進(jìn)行了深入研究,獲得了很多有價(jià)值的研究成果。上世紀(jì)70年代中期，美國的J.A.Bucaro首先提出在反潛戰(zhàn)中利用光纖作為換能器,研制光纖水聽器,近年來,美國、日本等軍事大國均在光纖光柵水聽器技術(shù)中投入了大量的人力財(cái)力從事研究,取得了較好的效果。1985年，W.Tietjen提出了光柵水聽器一、光纖水聽器的歷史發(fā)展現(xiàn)狀光纖水聽器及其陣列的研究和發(fā)展始于20世紀(jì)70年代末。目前至少有英、美、法、意、韓、日等多個(gè)國家致力于這方面的研究。近年來它已受到各國軍方的高度重視。

光纖水聽器及其陣列已成為被動(dòng)聲納水下部分的發(fā)展方向，是未來海洋探測(cè)、監(jiān)聽微弱聲場信號(hào)最有生命力的反潛戰(zhàn)武器，其中最有代表性的是美國的工作。我國的光纖水聽器研究也已取得較大進(jìn)展，在若干技術(shù)指標(biāo)上已達(dá)到目前國際水平，但是主要處于理論和實(shí)驗(yàn)室的層面一、光纖水聽器的歷史發(fā)展及現(xiàn)狀按其原理分類調(diào)幅型光纖水聽器調(diào)相型光纖水聽器偏振型光纖水聽器強(qiáng)度型光纖水聽器，不適合成陣即干涉型光纖水聽器，已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用光纖光柵水聽器，國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，不適合成陣二、分類及基本原理1、強(qiáng)度型（調(diào)幅型）光纖水聽器基于強(qiáng)度調(diào)制原理的光纖傳感器在工程實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研究中扮演著極其重要的角色，于其成本低，信號(hào)處理簡便等優(yōu)點(diǎn)受到開發(fā)者和使用者的青睞。隨著研究的深入和半導(dǎo)體光電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，強(qiáng)度調(diào)制型光纖水聽器正在逐步走向?qū)嵱没蜕唐坊?，目前已?jīng)實(shí)現(xiàn)了包括位移及表面形狀、壓力、鹽度與溫度、產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)等多種物理和化學(xué)量的監(jiān)測(cè)問題，強(qiáng)度調(diào)制型光纖水聽器在軍事反潛、地震波檢測(cè)、石油勘探以及在傳感技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。二、分類及基本原理1.1、基于微彎損耗原理的光纖水聽器“微彎”指的是在擾模器的作用下，導(dǎo)致光纖中的傳輸模以輻射模的形式而損耗?；谶@種基本原理，提出了多種光纖水聽器的結(jié)構(gòu)。此方法的主要缺點(diǎn)是水聽器的性能極大地受到廣元強(qiáng)度穩(wěn)定性的影響。二、分類及基本原理1.1.1、柱狀結(jié)構(gòu)的微彎型光纖水聽器首先由Lagakos等人提出，后由Vengsarkar等人改進(jìn)。圖a的結(jié)構(gòu)是將一根光纖以固定的擾模周期纏繞在柱體外表面上，并在圓周的九十度范圍內(nèi)嚴(yán)柱體的軸向刻槽，這樣就在外界聲波的環(huán)境下給光纖提供了微彎空間。圖b的結(jié)構(gòu)是將三根光纖分別纏繞在柱體的三段位置上，并相隔沿軸向刻槽。這樣,不同光纖的輸出就會(huì)代表三個(gè)方向上聲波的特性,從而實(shí)現(xiàn)了方向辨別。b結(jié)構(gòu)與a相比,增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。二、分類及基本原理1.1.2、基于螺旋變形器的微彎型光纖水聽器右圖是“雙螺旋”形式的光纖水聽器結(jié)構(gòu),由Schoenwald和Bivins提出。首先用一種金屬細(xì)絲線（0.127mm）以2mm的螺距螺旋方式纏繞在光纖上，然后這根纏繞著螺旋狀金屬絲的光纖再以螺旋方式纏繞在一個(gè)倒置的錐體外表面,并與相應(yīng)的一個(gè)錐形外套相配合。

當(dāng)水聲壓力作用在倒置的錐體和外套上的時(shí)候，中間的光纖就會(huì)產(chǎn)生彎曲損耗從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。二、分類及基本原理1.1.3、模片式微彎光纖水聽器右圖為碟式光纖水聽器結(jié)構(gòu)，將光纖以“星狀”結(jié)構(gòu)編織成網(wǎng)狀，并置于一個(gè)中空?qǐng)A筒的開口端，星狀光纖網(wǎng)的另一面中心粘接在一個(gè)膜片的中心上。外界聲波作用在膜片上產(chǎn)生振蕩，調(diào)制了光纖的張力，使光纖在圓筒的周邊產(chǎn)生微彎型變。二、分類及基本原理1.2、基于反射系數(shù)調(diào)制的光纖水聽器這種水聽器是在聲壓信號(hào)的作用下，造成水中光纖端面處的光反射系數(shù)的改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)的檢測(cè)。聲壓信號(hào)的增加使得周圍液體的密度增加，從而導(dǎo)致液體的折射率的改變。實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示。光源通過一個(gè)光線禍合器與傳感探頭及信號(hào)處理系統(tǒng)相連，為減少光源波動(dòng)的影響，設(shè)置了反饋控制回路。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)水下正負(fù)聲壓信號(hào)檢測(cè)，結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本較低。二、分類及基本原理1.3、位移型光纖水聽器將兩根互相平行、同軸放置的光纖彼此相隔一段距離，其中一根固定，另一根可隨外界聲壓引起的機(jī)械位移的作用而發(fā)生移動(dòng)，使得兩根光線彼此交錯(cuò)，從而導(dǎo)致兩根光纖之間耦合效率的變化。主要缺陷是需要一對(duì)彼此平行且同軸的光纖，提高了對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工的難度。在光傳輸過程中，有一段裸露在外的光纖，影響系統(tǒng)的長期可靠性。二、分類及基本原理2、干涉型（調(diào)相型）光纖水聽器干涉型光纖水聽器是基于光學(xué)干涉儀基本原理構(gòu)造而成。其基本原理是:在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒?，因外界聲場的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。目前光纖傳感器中采用四種不同的干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)：●Michelson干涉儀型光纖水聽器●Mach-Zehnder干涉型光纖水聽器●Fabry-Perot干涉型光纖水聽器●Sagnac干涉型光纖水聽器二、分類及基本原理2.1、基于Michelson干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理Michelson干涉儀

由激光器發(fā)出的激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路：一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調(diào)制，另一路則構(gòu)成參考臂，提供參考相位。兩束波經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發(fā)生干涉，干涉的光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理就可以拾取聲波的信息。2.2、基于Mach-Zehnder干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理Mach-Zehnder干涉儀

從激光光源發(fā)出的光耦合進(jìn)光纖后，由光纖定向耦合器分成空間分離的兩路光束，分別經(jīng)過傳感臂與參考臂，分別稱為信號(hào)和參考光束，再經(jīng)光纖定向耦合器重新相干混合，分別在輸出端產(chǎn)生干涉，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號(hào)。2.3、基于Fabry-Perot干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理Fabry-Perot干涉儀由光纖中兩個(gè)反射鏡或一個(gè)光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個(gè)Fabry-Perot干涉儀，激光經(jīng)過該干涉儀時(shí)在腔內(nèi)來回多次反射形成多光束干涉，通過解調(diào)干涉的信號(hào)得到聲信號(hào)。由于光在腔內(nèi)多次反射，該水聽器靈敏度非常高，其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小。2.4、基于Sagnac干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理Sagnac干涉儀基于Sagnac光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。該型光纖水聽器的核心是由一個(gè)3×3光纖耦合器構(gòu)成的Sagnac光纖環(huán)，順時(shí)針或逆時(shí)針傳播的激光經(jīng)信號(hào)臂時(shí)對(duì)稱性被破壞，形成相位差，返回耦合器時(shí)干涉，解調(diào)干涉信號(hào)得到聲信號(hào)。3、光纖光柵水聽器二、分類及基本原理

光纖光柵的布拉格中心波長是由纖芯折射率和柵格周期所決定的。當(dāng)外界聲壓作用于光纖光柵時(shí)，會(huì)使光纖光柵發(fā)生微小形變。這種形變會(huì)引起光纖光柵的柵格周期或折射率分布發(fā)生變化，從而使其反射譜或透射譜的中心波長發(fā)生移動(dòng)。因而經(jīng)過光纖光柵或發(fā)射的光就攜帶了外界壓力的變化信息，也就是被外界壓力所調(diào)制。光纖光柵水聽器實(shí)驗(yàn)原理圖特點(diǎn)：探測(cè)靈敏度高頻帶響應(yīng)寬抗電磁干擾能力強(qiáng)耐惡劣環(huán)境、