光纖水聽器的概述

孫慧慧光纖水聽器概述主要內容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3光纖水聽器的探頭設計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、光電子技術基礎上的水下聲信號傳感器，信號的傳感與傳輸皆基于光纖技術。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，使光纖內部產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部形成的，具有全光纖化、插入損耗低、成本低的優(yōu)點，并且通過對光柵結構的設計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、光信息處理等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。光纖光柵的出現(xiàn)導致了光纖技術及其相關領域的一系列革命，被認為是繼摻鉺光纖放大器之后出現(xiàn)的又一關鍵器件。隨著核潛艇技術及潛射導彈技術的迅速發(fā)展，潛艇的噪聲日益降低。常規(guī)探測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水聽器進行了深入研究,獲得了很多有價值的研究成果。上世紀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中投入了大量的人力財力從事研究,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70年代末。目前至少有英、美、法、意、韓、日等多個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聲納水下部分的發(fā)展方向，是未來海洋探測、監(jiān)聽微弱聲場信號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展，在若干技術指標上已達到目前國際水平，但是主要處于理論和實驗室的層面一、光纖水聽器的歷史發(fā)展及現(xiàn)狀按其原理分類調幅型光纖水聽器調相型光纖水聽器偏振型光纖水聽器強度型光纖水聽器，不適合成陣即干涉型光纖水聽器，已經由實驗轉向應用光纖光柵水聽器，國內外研究熱點，不適合成陣二、分類及基本原理1、強度型（調幅型）光纖水聽器基于強度調制原理的光纖傳感器在工程實際應用和科學研究中扮演著極其重要的角色，于其成本低，信號處理簡便等優(yōu)點受到開發(fā)者和使用者的青睞。隨著研究的深入和半導體光電技術的進一步發(fā)展，強度調制型光纖水聽器正在逐步走向實用化和商品化，目前已經實現(xiàn)了包括位移及表面形狀、壓力、鹽度與溫度、產品質量在線監(jiān)測等多種物理和化學量的監(jiān)測問題，強度調制型光纖水聽器在軍事反潛、地震波檢測、石油勘探以及在傳感技術領域發(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構。此方法的主要缺點是水聽器的性能極大地受到廣元強度穩(wěn)定性的影響。二、分類及基本原理1.1.1、柱狀結構的微彎型光纖水聽器首先由Lagakos等人提出，后由Vengsarkar等人改進。圖a的結構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嚴柱體的軸向刻槽，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的結構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代表三個方向上聲波的特性,從而實現(xiàn)了方向辨別。b結構與a相比,增加了結構的復雜性。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構,由Schoenwald和Bivins提出。首先用一種金屬細絲線（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倒置的錐體外表面,并與相應的一個錐形外套相配合。

當水聲壓力作用在倒置的錐體和外套上的時候，中間的光纖就會產生彎曲損耗從而實現(xiàn)檢測的目的。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構，將光纖以“星狀”結構編織成網狀，并置于一個中空圓筒的開口端，星狀光纖網的另一面中心粘接在一個膜片的中心上。外界聲波作用在膜片上產生振蕩，調制了光纖的張力，使光纖在圓筒的周邊產生微彎型變。二、分類及基本原理1.2、基于反射系數(shù)調制的光纖水聽器這種水聽器是在聲壓信號的作用下，造成水中光纖端面處的光反射系數(shù)的改變而實現(xiàn)對水聲信號的檢測。聲壓信號的增加使得周圍液體的密度增加，從而導致液體的折射率的改變。實驗原理如下圖所示。光源通過一個光線禍合器與傳感探頭及信號處理系統(tǒng)相連，為減少光源波動的影響，設置了反饋控制回路。這種結構能實現(xiàn)水下正負聲壓信號檢測，結構和原理簡單，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械位移的作用而發(fā)生移動，使得兩根光線彼此交錯，從而導致兩根光纖之間耦合效率的變化。主要缺陷是需要一對彼此平行且同軸的光纖，提高了對機械系統(tǒng)的設計和加工的難度。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（調相型）光纖水聽器干涉型光纖水聽器是基于光學干涉儀基本原理構造而成。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，而產生相位調制。目前光纖傳感器中采用四種不同的干涉測量結構：●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3dB光纖耦合器分為兩路：一路構成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調制，另一路則構成參考臂，提供參考相位。兩束波經后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發(fā)生干涉，干涉的光信號經光電探測器轉換為電信號，經過信號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，分別經過傳感臂與參考臂，分別稱為信號和參考光束，再經光纖定向耦合器重新相干混合，分別在輸出端產生干涉，經光電探測器轉換后拾取聲信號。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反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構成一個Fabry-Perot干涉儀，激光經過該干涉儀時在腔內來回多次反射形成多光束干涉，通過解調干涉的信號得到聲信號。由于光在腔內多次反射，該水聽器靈敏度非常高，其缺點是動態(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3×3光纖耦合器構成的Sagnac光纖環(huán)，順時針或逆時針傳播的激光經信號臂時對稱性被破壞，形成相位差，返回耦合器時干涉，解調干涉信號得到聲信號。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。當外界聲壓作用于光纖光柵時，會使光纖光柵發(fā)生微小形變。這種形變會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。因而經過光纖光柵或發(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制。光纖光柵水聽器實驗原理圖特點：探測靈敏度高頻帶響應寬抗電磁干擾能力強耐惡劣環(huán)境、