光纤水听器的分类及其基本原理

1、xuehao:13S011034 水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在工业生产和民用领域，也有着广泛的用途。 早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。 对电磁场的敏感 连接电缆的共振效应 随着光纤和激光技术的发展，人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。 光纤水听器由于传感头部分不用使用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、灵敏度不受水流静压力和频率的影响、可以进行远距离测量、探头体积小、方便构成大规模阵列等众多优点。所以，光纤水听器的研究越来越受到各国的重视

2、。强度型光纤水听器强度型光纤水听器1干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器 2光纤光栅水听器光纤光栅水听器3按其原理分类按其原理分类调相型光纤水听器调相型光纤水听器强度型光纤水听器，强度型光纤水听器，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，适合成阵适合成阵调幅型光纤水听器调幅型光纤水听器偏振型光纤水听器偏振型光纤水听器1、强度型（调幅型）光纤水听器、强度型（调幅型）光纤水听器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

3、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和使其重要的角色，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。用者的青睐。基于耦合效率调制的光纤水听器基于耦合效率调制的光纤水听器基于微弯损耗原理的光纤水听器基于微弯损耗原理的光纤水听器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，导致光纤中的传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，提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。出了多

4、种光纤水听器的结构。 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 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 模片式微弯光纤水听器模片式微弯光纤水听器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图图a a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，并在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，并在圆周的九十度范围内沿柱体的轴向刻槽，这样就在外界声波的环境下圆周的九十度范围内沿柱体的轴向刻槽，这样就在外界声波的环境下给光纤提供了微弯空间。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绕在柱体的三段位置

5、上，的结构是将三根光纤分别缠绕在柱体的三段位置上，并相隔沿轴向并相隔沿轴向刻槽。刻槽。这样这样, ,不同光纤的输出就会代表三个方向上声波的特性不同光纤的输出就会代表三个方向上声波的特性, ,从而实从而实现了方向辨别。现了方向辨别。 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”形式的光纤水听器结构形式的光纤水听器结构, ,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的螺的螺距螺旋方式缠绕在光纤上距螺旋方式缠绕在光纤上，然后这根缠绕着螺然后这根缠绕着螺旋状金属丝的光纤再以螺旋方

6、式缠绕在一个倒旋状金属丝的光纤再以螺旋方式缠绕在一个倒置的锥体外表面置的锥体外表面, ,并与相应的一个锥形外套相并与相应的一个锥形外套相配合。配合。 当水声压力作用在倒置的锥体和外套上的当水声压力作用在倒置的锥体和外套上的时候时候，中间的光纤就会产生弯曲损耗从而实现中间的光纤就会产生弯曲损耗从而实现检测的目的检测的目的。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，将光纤右图为碟式光纤水听器结构，将光纤以以“星状星状”结构编织成网状，并置于一结构编织成网状，并置于一个中空圆筒的开口端，星状光纤网的另个中空圆筒的开口端，星状光纤网的另一面中心粘接在一

7、个膜片的中心上。外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荡，调制了界声波作用在膜片上产生振荡，调制了光纤的张力，使光纤在圆筒的周边产生光纤的张力，使光纤在圆筒的周边产生微弯型变。微弯型变。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。实验原理如下图所示。增加，从而导致液

8、体的折射率的改变。实验原理如下图所示。 光源通过一个光纤耦光源通过一个光纤耦合器与传感探头及信号处理系统相连，为减少光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。1.31.3、基于耦合效率调制的光纤水听器、基于耦合效率调制的光纤水听器 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，另一根可随外界声压引起的机械位移的作用而发生移动，

9、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，影响系统的计和加工的难度。在光传输过程中，有一段裸露在外的光纤，影响系统的长期可靠性。长期可靠性。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

10、成。其基本原理是：在一段单模光纤中传输的相干光，因外界声其基本原理是：在一段单模光纤中传输的相干光，因外界声场的作用，而产生相位调制。场的作用，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 SagnacSagnac干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器2.12.1、基于、基于MichelsonMichelso

11、n干涉仪光纤水听器干涉仪光纤水听器 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

12、-Zehnder干涉仪光纤水听器干涉仪光纤水听器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Fab

13、ry-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Sagnac 干涉仪干涉仪基

14、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破坏，形成形成相位差相位差，返回耦合器时干涉返回耦合器时干涉，解调干涉信号得到声信号解调干涉信号得到声信号。3 3、光纤光栅水听器、光纤光栅水听器 光纤光栅的布拉格中心波长是由纤芯折射率和栅格周期光纤光栅的布拉格中心波长是由纤芯折射率和栅格周期所决定的。当外界声压作用于光纤光栅时，会使光纤光栅所决定的。当外界声压作用于光纤光栅时，会使光纤光栅发生微小形变。这种形变会引起光纤光栅的栅格周期或折发生微小形变。这种形变会引起光纤光栅的栅格周期或折射率分布发生变化，从而使其反射谱或透射谱的中心波长射率分布发生变化，从而使其反射谱或透射谱的中心波长发生移动。因而经过光纤光栅或发射的光就携带了外界压发生移动。因而经过光纤光栅或发射的光就携带了外界压力的变化信息，也就是被外界压力所调制。力的变化信息，也就是被外界压力所调制。军事应用 由于光纤水听器的上述优点和特点 ,使得由光纤水听器构成的声纳系统可以应用于岸基警戒