光纤矢量水听器研究进展

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1、光纤矢量水听器研究进展+国家863计划资助(2006AA09Z121)*通讯作者。Email:niming_1@sina.com倪明*张振宇孟洲胡永明（国防科技大学光电科学与工程学院长沙410073）摘要：阐述了光纤矢量水听器拾取声波振速信号的基本原理。介绍了国内外矢量水听器研究现状与发展趋势，国防科大研制的同振球型光纤矢量水听器探头尺寸为110mm，工作带宽20~2000Hz，加速度灵敏度大于35dB(ref1rad/g)，指向性呈现“8”字自然指向性，工作水深大于500m。海上初步实验结果表明，光纤矢量水听器可

2、有效拾取水声信号，实现对目标的定向处理。最后展望了光纤矢量水听器可应用的领域。关键词：光纤矢量水听器矢量水听器目前水声探测所用的水听器一般都是声压水听器，它只能得到声场的声压标量。光纤矢量水听器(fiberopticvectorhydrophone,FOVH)是一种新型水声探测器，它在一个点上的测量信号中就已包含了声场的标量信息和三维矢量信息，通过这些信息的互相关处理，能极大地抑制干扰，提高信噪比。传感单元具有指向性，抑制环境噪声4.8～6.0dB，这样在相同阵增益的情况下可大大减小阵列的孔径。单个传感器具有指向性

3、，可有效解决声压水听器阵列的左右弦模糊问题。光纤矢量水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下三维声场信号传感器[1]。它通过高灵敏度的光学相干检测，将声波振速信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信息。相对于传统压电矢量水听器，干涉型光纤矢量水听器灵敏度高、信号经光纤传输损耗小、免电磁干扰、无串扰、能在恶劣的环境中实现长期稳定工作，系统具有光纤网络的特点，可大规模组阵实现水下大范围声学监测。1基本原理干涉型光纤矢量水听器基于光纤干涉仪原理构造，拾取声信号的原理基于声压对干涉仪两臂的调制，全光光纤

4、矢量水听器系统则是湿端基于光纤矢量水听器探测单元，信号传输采用光缆传输，以湿端无任何电子器件为特性的先进水下声测量系统。1.1光纤干涉仪原理图1是Michelson光纤干涉仪基本结构图。由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路，一路构成光纤干涉仪的传感臂，接受声波的调制，另一路则构成参考臂，两臂的光信号经后端反射膜反射后返回光纤耦合器，发生干涉，干涉的光信号经光电探测器转换为电信号，由信号处理就可以拾取声波的信息。图1Michelson光纤干涉仪基本结构Fig.1StructureoffiberMichelso

5、ninterferometer干涉后的光信号经光电转换后可以写成：(1)其中，是输出的电压信号，是干涉仪的可视度，是电路附加噪声，为由水中声压引起的相差信号，即为要探测的水声信号，为干涉仪的初始相位，是个常量，为位相差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。1.2单元构成原理光纤矢量水听器有几种传感类型，我们采用的结构是加速度传感类型。水中声场矢量包括梯度、振速和加速度等，对于加速度型光纤矢量水听器，声压灵敏度在工作频段内应随频率变大而线性增加，同时指向性应具有余弦特性。我们研究的光纤矢量水听器主要

6、是干涉型同振矢量水听器[2]，其光学结构是一个干涉型光纤加速度传感器，结构图2所示：图2一维光纤加速度传感器结构图图3三维光纤矢量水听器结构图Fig.2StructureofonedimensionfiberaccelerometerFig.3StructureofthreedimensionFOVH其基本工作原理是：两个弹性体A、B支撑一质量块M，光纤干涉仪的两臂绕在弹性体上，在声场加速度作用下，质量块对弹性柱体施加以惯性作用力，弹性柱体的轴向形变引起径向形变，引起缠绕在弹性柱体上的光纤长度发生变化，进而在光纤干

7、涉仪上产生相位差变化。在实际应用中，一般将三个光纤加速度计做成一整体，如图3所示，以减小体积和交叉串扰。对于加速度型光纤矢量水听器，其灵敏度由加速度相位灵敏度度量。加速度相位灵敏度定义为由矢量水听器作加速运动引起干涉仪两臂的相位差与水听器运动的加速度变化量a的比值。(rad/g)(2)进一步，利用声场关系可得光纤矢量水听器的声压灵敏度为：(rad/Pa)(3)其中，是信号角频率，是海水的密度，是海水声速。2国内外研究现状与趋势声矢量传感技术是在最近十年间备受水声界关注的研究焦点之一[3]。从上世纪五十年代中期美国学

8、者发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文以来，到在上世纪七八十年代前苏联的学者利用其研制成功的声矢量传感器（复合水听器）开展海洋环境噪声研究，直至上世纪九十年代声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起。1989年俄国学者出版了世界上第一部有关声矢量传感技术的专著“声学矢量-相位方法”，较全面的论述了声矢量传感器技术的原理和应用。2003年出版的“海