光纖水聽器原理探究

光纖水聽器原理及應用探究水聽器是通過接收聲波對水下目標進行探測、定位與識別的傳感器.隨著現代戰(zhàn)爭環(huán)境的日趨復雜化，為適應水聲學應用特別是水下反潛戰(zhàn)的需要,在光纖技術不斷發(fā)展的基礎上,光纖水聽器作為一種重要的光纖壓力傳感器，應運而生.光纖水聽器是一種基于光纖、光電子技術上的新型水聲傳感器,因其在軍事、民用各領域應用廣泛,目前光纖水聽器在國內外發(fā)展迅速,已經到達實用狀態(tài).光纖水聽器的信號的傳感與傳輸皆基于光纖技術，具有體積小、重量輕、靈敏度高、頻帶響應寬、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、結構輕巧、易于遙測和構成大規(guī)模陣列等特點。光纖水聽器是利用聲波信號凋制光束來進行聲／光轉換．實現水下聲信號檢測的一種器件。主要有兩大類型：一類是調制型光纖水聽器,主要包括強度調制型和相位調制型.利用光纖作為感應元件，通過調制光纖中的光束實現水下信號的檢測；另一類是混合型光纖水聽器，感應元件采用反射鏡、光柵、光纖等器件。目前，強度調制型光纖水聽器主要有微彎型、受抑全內反射型和網絡型三種。相位調制型光纖水聽器是根據Mach—Zehnder干涉儀原理制成的，因而不僅靈敏度高，而且動態(tài)范圍大目前普遍認為，相位調制型光纖水聽器是最有發(fā)展前途的水聽器。干涉型光纖水聽器原理干涉型光纖水聽器是基于光學干涉儀的原理構造的.圖（a）是基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽器原理圖。激光光源（S）發(fā)出的光經光纖定向耦合器（DC）分為2路：一路構成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波調制；另路則構成參考臂，提供參考相位，2束波經后端反射膜反射后返回光纖定向耦合器，發(fā)生干涉，其光信號經光電探測器（PIN）后轉換為電信號，經處理就可拾取聲波信息。圖(b)是基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理圖。從激光光源發(fā)出的光耦合進光纖后，由光纖定向耦合器DC1分成空間分離的2路光束，分別稱為信號和參考光束，再經光纖定向耦合器DC2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。光電探蟲橫光電探蟲橫M［頭圖(C)是基于Fabry-Perot光纖干涉儀光纖水聽器的原理圖，由光纖中2個反射鏡或1個光纖布拉格光柵等構成Fabry-Perot腔。激光經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。

圖(d)是基于Sagnac光纖干涉儀光纖水聽器的原理圖。該型光纖水聽器由1個3X3光纖定向耦合器構成的Sagnac光纖環(huán)，順時針或逆時針傳播激光經信號臂時對稱性被破壞，形成相位差，返回光纖定向耦合器時干涉，轉化為光強信號，經光電轉換及信號處理得到聲信號。光電探決光電探去持磚頭啟遲充野3匯光電探決光電探去持磚頭啟遲充野3匯9fflD J強度型光纖水聽器原理強度型光纖水聽器基于光纖中傳輸光強被聲波調制的原理,該型光纖水聽器研究開發(fā)較早,主要調制形式有光纖微彎式、光纖絞合式、受抑全內反射式及光柵式等[2].微彎光纖水聽器是根據光纖微彎損耗導致光功率變化的原理而制成的光纖水聽器.其原理如圖2所示:兩個活塞式構件受聲壓調制,它們的頂端是一帶凹凸條紋的圓盤,受活塞推動而壓迫光纖,光纖由于彎曲而損耗變化,這樣輸出光纖的光強受到調制,轉換為電信號即可得到聲場的聲壓信號.光纖光柵水聽器原理光纖光柵水聽器是以光柵的諧振耦合波長隨外界參量變化而移動為原理.目前光纖光柵水聽器一般基于光纖布拉格(Bragg)光柵構造，如圖3所示，當帶光源(BBS)的輸出光波經過一個光纖布拉格光柵(FBG)時,根據模式耦合理論可知，波長滿足布拉格條件:入B=2neffA的光波將被反射回來，其余波長的光波則透射.式中人B為FBG的諧振耦合波長,也即中心反射波長，neff為纖芯有效折射率，人為光柵柵距.當傳感光柵周圍的應力隨水中聲壓變化時,將導致neff或人的變化，從而產生傳感光柵相應的中心反射波長偏移，偏移量由△入B=2△neffA+2neff△A確定，這樣就實現了水聲聲壓對反射信號光的波長調制.所以，通過實時檢測中心反射波長偏移情況，再根據厶neff、△人與聲壓之間的線性關系，即可獲得聲壓變化的信息.目前光纖水聽器的應用十分廣泛,由光纖水聽器構成的聲納系統(tǒng)是現代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試驗的先進探測手段,光纖水聽器也可以應用于海洋石油天然氣勘探,還可以應用于水聲物理研究以及海洋漁業(yè)等領域,高頻光纖水聽器則可以用來測量水中超聲場,用于醫(yī)學測量.特別是在軍事上的應用不斷得到拓展,由光纖水聽器構成的聲納系統(tǒng)可以應用于岸基警戒系統(tǒng),也可以應用于潛艇或水面艦艇的拖曳系統(tǒng).光纖水聽器及有關元件盡管工作在惡劣的條件下，仍能滿足和超過港艇水聽器系統(tǒng)所要求的性能指標。。由于光纖水聽器幾何形狀的適應性．不僅可制成很長的線性傳感器．而且還可制成均勻緊貼艦體的共形傳感器。由于水下聲場的復雜性，光纖水聽器在軍事中主要是以陣列的形式應用，低成本實現分布式陣列是光纖水聽器在實戰(zhàn)中得以應用的關鍵.利用光纖傳輸損耗低、傳輸帶寬大的特點，并結合集成光電子器件的最新進展，實現對光源、光纖以及光電探測器的多路復用，用較少的組件形成分布式光纖水聽器陣列。這樣既降低了系統(tǒng)成本，又降低了維護的復雜程度。而且通過對陣列信號的處理可以極大地提高整個多路復用系統(tǒng)的探測性能，獲取更多有關水下目標的信息。參考文獻:張仁和，倪明，光纖水聽器的原理與應用[J],前沿進展,2004,33(7):503-507.王金玉，張玲，隋青美，常軍，光纖水聽器淺析[J],自動測量與制,2007,26(1):76-78.商海英，光纖水聽器的軍事應用[J],光纖光