光纤水听器传感技术及应用new

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1、Technology&Application摘要：光纤水听器是在传统的水听器的基础上,从一个全新的光纤技术出发，实现传统的水声传感和声纳数据传输一体化，从而改善声纳系统的可靠性，并且降低其制造、使用和维护的总成本的新型水听器。文章简要介绍了光纤水听器的工作原理和结构，包括干涉型光纤水听器、强度型光纤水听器、光纤光栅水听器等三种。详细地对它们在国内外的发展以及应用方面进行了介绍。关键字：光纤水听器；原理；应用中图分类号：O427TP212.14文献标识码：A文章编号：1006-883X(2007)04-0027-03

2、沈洪罗辉一、前言声波作为一种机械波，可以在海水中进行远程能量传递，而其他类型的能量场在水中衰减很快，因此，声波是海洋深层信息收集、传递和处理的最重要形式。水听器作为水下声波的接收设备是水声学最重要的声学测量仪器。光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器，具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁[1]干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。根据声波调制方式的不同，光纤水听器从原理上可分三大类型：调相性光纤水听器(主要指干涉型光纤水听器)、调幅型光纤水听器、偏振型光纤水听器。二、光纤水听器原理及结构

3、光纤水听器是复杂的光、机、电一体化传感器，其在各种声纳应用中的潜能已被认识到，而且它已达到可与压电水听器相媲美的地步，其最大特点是(a)Mach-Zehnder干涉型具有足够高的声压灵敏度，通常比压电陶瓷水听器高3个数量级。现在已经开发出多种不同的光纤水[2]听器，如强度调制型、偏振调制型和相位调制型等。它们的成功和发展都依赖于水听器设计与光器件发展水平的相互结合，大多数高通道数光纤水听器阵列的研发工作都是据此开展的，因为它们能够提供(b)Fabry-Perot干涉型高声学灵敏度和强复用能力的最佳组合，是目前当图1

4、干涉型水听器结构图[3]前光纤水听器研究的重要方向之一。1、调相型光纤水听器[4]调相型光纤水听器主要指干涉型光纤水听器，它是基于光学干涉仪的原理构造的。图1是基于几种典型光学干涉仪的光纤水听器的原理示意图.图1(a)所示是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图，激光经3dB光纤耦合器分为两路，分别经过传感臂与参考臂，由另一个耦合器合束发生干涉，经光2007.4SensorWorld27www.sensorworld.com.cn电探测器转换后拾取声信号。图1(b)所示是基于Fabry-Per

5、ot光纤干涉仪光纤三、光纤水听器的应用水听器的原理示意图。由两个反射镜或1、军事上的应用一个光纤布拉格光栅等形式构成一个光纤水听器技术的研究在80年代Fabry-Perot干涉仪，激光经该干涉仪时初就引起各国的高度重视，其军事应形成多光束干涉，通过解调干涉的信号用主要为全光纤水听器拖曳阵列、全得到声信号。光纤海底声监视系统、全光纤轻型潜2、调幅型光纤水听器艇和水面舰船、共形水听器阵列、超[5]强度型光纤水听器基于光纤中传低频光纤梯度水听器、海洋环境噪声(a)柱状结构[7]输光强被声波调制的原理，该型光纤水及安静型和

6、潜艇噪声测量等。听器研究开发较早，主要调制形式有光根据光纤水听器的特点，使得由纤微弯式等。微弯光纤水听器是根据光光纤水听器构成的声纳系统可以应用纤微弯损耗导致光功率变化的原理而于岸基警戒系统，也可以应用于潜艇制成的光纤水听器。其原理如图2所示。或水面舰艇的拖曳系统。美国对光纤两个活塞式构件受声压调制，它们的顶水听器的研究始于70年代末，到1992端是一带凹凸条纹的圆盘，受活塞推动年，美国海军研究实验室(NRL)、海军而压迫光纤，光纤由于弯曲而损耗变水下装备中心(NUWC)、Gould公司海化，这样输出光纤的光强受到

7、调制，转事系统分公司和Litton制导和控制公(b)双螺旋结构换为电信号即可得到声场的声压信号。司联合开发了全光纤水听器拖曳阵列3、偏振型光纤水听器(AOTA)、潜艇和水面舰船共形水听器[6]光纤光栅水听器是典型的偏振型阵列(LWPA)等各种不同反潜应用类光纤水听器，它是利用光纤光栅作为基型的海试系统，1996年，美国在海岸本传感元件，以光栅的谐振耦合波长随敷设了64单元的全光纤海岸声阵列。外界参量变化而移动为基本原理来实目前他们正在开发大规模(几百个单现的。目前，光纤光栅水听器典型的一元)的全光纤水听器阵列系统及

8、其相种是基于光纤布拉格(Bragg)光栅构造，关技术。英国对水听器的研究主要由如图3所示。当宽带光源(BBS)的输出Plessey国防研究分公司、海军系统分(c)星状结构光波经过一个光纤布拉格光栅(FBG)公司和马可尼水下系统有限公司承图2强度型光纤水听器结构简图时，根据模式耦合理论可知，波长满足担，开发了全光纤水听器拖曳阵列、布拉格条件的光波将被反射回来，