光纖水聽器的概述

1、孫慧慧2光纖水聽器的分類及基本原理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)光纖水聽器的基本特點(diǎn)3光纖水聽器的探頭設(shè)計(jì)光纖水聽器的探頭設(shè)計(jì)4光纖水聽器的發(fā)展前景光纖水聽器的發(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)上的水下聲信號傳感器，信號的傳感與傳輸皆基于光纖技術(shù)信號傳感器，信號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

2、迅速。光纖光柵是利用摻雜光纖年來的有源器件，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)，并且通過對光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以入損耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，并且通過對光柵結(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、光纖得到滿足特定需要的各種光譜特性，因而在光纖通信、光纖

3、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。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，潛艇的噪聲潛艇的噪聲日益降低日益降低。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。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)

4、為信息傳輸和信息傳感帶來了革命性的變革鑒于光纖技術(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水聽器進(jìn)行了深入研究美國和歐共體各國都對水聽器進(jìn)行了深入研究, , 獲得了獲得了很多有價值的研究成果。很多有價值的研究成果。 上世紀(jì)上世紀(jì)7070年代中期年代中期，美國的美國的J.A.BucaroJ.A.Bucaro首先提出在反潛戰(zhàn)首先提出在反潛戰(zhàn)中利用光纖作為換能器中利用光纖作為換能器, , 研制光纖水聽器研制光纖水聽器, , 近年來近年來, , 美國美國、 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力從事研究量的人力財力從

5、事研究, ,取得了較好的效果取得了較好的效果。 19851985年，年，W. TietjenW. Tietjen提出了光柵水聽器提出了光柵水聽器一、光纖水聽器的歷史發(fā)展現(xiàn)狀一、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)展始于光纖水聽器及其陣列的研究和發(fā)展始于2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代末。目前至少有年代末。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。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，是光纖水聽器及其陣列已成為被動聲納水下部分的發(fā)

6、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。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，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)在若干技術(shù)指標(biāo)上已達(dá)到目前國際水平，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)狀一、光纖水聽器的歷史發(fā)展及現(xiàn)狀按其原理分類按其原理分類調(diào)幅型光纖水聽器調(diào)幅型光纖水聽器調(diào)相型光纖水聽器調(diào)相型光纖水聽器偏振型光纖水聽器偏振型光纖水聽器強(qiáng)度型光纖水聽器，強(qiáng)度型光纖

7、水聽器，不適合成陣不適合成陣即干涉型光纖水聽即干涉型光纖水聽器，已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)器，已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用轉(zhuǎn)向應(yīng)用光纖光柵水聽器，光纖光柵水聽器，國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，不適合成陣不適合成陣二、分類及基本原理二、分類及基本原理1、強(qiáng)度型（調(diào)幅型）光纖水聽器、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，信號處理簡便等優(yōu)點(diǎn)受到開發(fā)者著極其重要的角色，于其成本低，信號處理簡便等優(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，和使用者的青睞。隨著研究的

8、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)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)測等多種物理和化學(xué)量的監(jiān)測問題，強(qiáng)度調(diào)制型光纖水聽器在軍事反等多種物理和化學(xué)量的監(jiān)測問題，強(qiáng)度調(diào)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(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。潛、地震波檢測、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、分類及基本原理二、分類及基本原理1.11.1、基于微彎損耗原理的光纖水聽器、基于微彎損耗原理的

9、光纖水聽器“微彎微彎”指的是在擾模器的作用下，導(dǎo)致光纖中的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，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)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。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、分類及基本原理二、分類及基本原理1.1.11.1.1、柱狀結(jié)構(gòu)的微彎型光纖水聽器、柱狀結(jié)構(gòu)的微彎型光纖水聽器 首先由首先由LagakosLagakos等人提出，后由等人提出，后由VengsarkarVengsarkar等人改進(jìn)。等

10、人改進(jìn)。 圖圖a a的結(jié)構(gòu)是將一根光纖以固定的結(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，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)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。境下給光纖提供了微彎空間。 圖圖b b的結(jié)構(gòu)是將三根光纖分別纏的結(jié)構(gòu)是將三根光纖分別纏繞在柱體的三段位置上，繞在柱體的三段位置上，并相隔沿并相隔沿軸向刻槽。軸向刻槽。這樣這樣, ,不同光纖的輸出就不同光纖的輸出就會代表三個方向上聲波的特性會代表三個方向上聲波的特性, ,從而從而實(shí)現(xiàn)了方向辨別。實(shí)現(xiàn)了方向辨別。 b b結(jié)構(gòu)與結(jié)

11、構(gòu)與a a相比相比, ,增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。雜性。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.1.21.1.2、基于螺旋變形器的微彎型光纖水聽器基于螺旋變形器的微彎型光纖水聽器 右圖是右圖是“雙螺旋雙螺旋”形式的光纖水聽形式的光纖水聽器結(jié)構(gòu)器結(jié)構(gòu), ,由由 Schoenwald Schoenwald 和和 Bivins Bivins 提出。提出。首先用一種金首先用一種金屬細(xì)絲線屬細(xì)絲線（0 0. .127mm127mm）以以2 2mmmm的螺距螺旋方式纏繞在光纖上的螺距螺旋方式纏繞在光纖上，然后然后這根纏繞著螺旋狀金屬絲的光纖再以螺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

12、置的錐體外表面旋方式纏繞在一個倒置的錐體外表面, ,并并與相應(yīng)的一個錐形外套相配合。與相應(yīng)的一個錐形外套相配合。 當(dāng)水聲壓力作用在倒置的錐體和外當(dāng)水聲壓力作用在倒置的錐體和外套套 上的時候上的時候，中間的光纖就會產(chǎn)生彎曲中間的光纖就會產(chǎn)生彎曲損耗從而實(shí)現(xiàn)檢測的目的損耗從而實(shí)現(xiàn)檢測的目的。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.1.31.1.3、模片式微彎光纖水聽器、模片式微彎光纖水聽器 右圖為碟式光纖水聽器結(jié)構(gòu)，將光右圖為碟式光纖水聽器結(jié)構(gòu)，將光纖以纖以“星狀星狀”結(jié)構(gòu)編織成網(wǎng)狀，并置結(jié)構(gòu)編織成網(wǎng)狀，并置于一個中空圓筒的開口端，星狀光纖于一個中空圓筒的開口端，星狀光纖網(wǎng)的另一面中心粘接在一個膜

13、片的中網(wǎng)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(chǎn)生振心上。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。筒的周邊產(chǎn)生微彎型變。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.21.2、基于反射系數(shù)調(diào)制的光纖水聽器、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的作用下，造成水中光纖端面處的光反射系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(shí)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數(shù)的改變而實(shí)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(dǎo)致液體的折射率的改變

14、。實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示。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。 光源通過一個光線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(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)聲壓信號源波動的影響，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)聲壓信號檢測，結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本較低。檢測，結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本較低。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.31.3、位移型光纖水聽器、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，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，

15、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，使得兩根光線彼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，使得兩根光線彼此交錯，從而導(dǎo)致兩根光纖之間耦合效率的變化。此交錯，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彼此平行且同軸的光纖，提高了對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)主要缺陷是需要一對彼此平行且同軸的光纖，提高了對機(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)的統(tǒng)的長期可靠性。長期可靠性。二、分類及基本原理二、分類及基本原理2 2、干涉型（調(diào)相型）光纖水聽器、干涉型（調(diào)相型）光纖水聽器 干涉型光

16、纖水聽器是基于光學(xué)干涉儀基本原理構(gòu)造而成。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。其基本原理是其基本原理是: :在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒庠谝欢螁文９饫w中傳輸?shù)南喔晒?，因外界聲場，因外界聲場的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。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量結(jié)構(gòu)：目前光纖傳感器中采用四種不同的干涉測量結(jié)構(gòu)： MichelsonMichelson干涉儀型光纖水聽器干涉儀型光纖水聽器 Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器 Fabry-PerotFabry-Perot干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器 SagnacSagna

17、c干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理2.12.1、基于、基于MichelsonMichelson干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器 二、分類及基本原理二、分類及基本原理Michelson 干涉儀干涉儀 由激光器發(fā)出的激光經(jīng)由激光器發(fā)出的激光經(jīng)3dB3dB光纖耦合器分為兩路光纖耦合器分為兩路：一路構(gòu)成光纖干一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂涉儀的傳感臂，接受聲波的調(diào)制接受聲波的調(diào)制，另一路則構(gòu)成參考臂另一路則構(gòu)成參考臂，提供參考相位提供參考相位。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)生干涉發(fā)生干涉，干涉的光信號干涉的光信號經(jīng)光電探

18、測器轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理就可以拾取聲波的信息經(jīng)過信號處理就可以拾取聲波的信息。2.22.2、基于、基于Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理Mach-Zehnder干涉儀干涉儀 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成空間分離的兩兩路光束，路光束，分別經(jīng)過傳感臂與參考臂分別經(jīng)過傳感臂與參考臂，分別稱為分別稱為信號和參考光束，再經(jīng)光纖定向耦合器重新相干混合，分別在信號和參考光束，再經(jīng)光纖定向耦合器重新相干混合，分別在

19、輸出端產(chǎn)生干涉，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號輸出端產(chǎn)生干涉，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號。2.32.3、基于、基于Fabry-Perot Fabry-Perot 干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理Fabry-Perot 干涉儀干涉儀 由由光纖中光纖中兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個一個Fabry-Perot Fabry-Perot 干涉儀，激光經(jīng)過該干涉儀時干涉儀，激光經(jīng)過該干涉儀時在腔內(nèi)來回在腔內(nèi)來回多次反射多次反射形成多光束干涉，通過形成多光束干涉，通過解調(diào)解調(diào)干涉的信號得到聲信號。干涉的信號得到聲信號。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)是動態(tài)范圍小。動態(tài)范圍小。2.42.4、基于、基于SagnacSagnac干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理Sagnac 干涉儀干涉儀基于基于SagnacSagnac光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。該型光纖該型光纖水聽器的核心是由一個水聽器的核心是由一個3 33 3光纖耦合器構(gòu)成的光纖耦合器構(gòu)成的SagnacSagnac光纖環(huán)光纖環(huán)， 順時針或逆時針傳播的激光經(jīng)信號臂時對稱性被破壞順時針或逆時針傳播的激光經(jīng)信號臂時對稱性被