干涉型光纤光栅水听器实验研究

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1、2009年第1期声学与电子工程总第93期干涉型光纤光栅水听器实验研究李东明张自丽桑卫兵周苏萍（第七一五研究所声纳技术国防科技重点实验室，杭州，310012）摘要介绍了干涉型光纤光栅水听器的传感原理，阐述了光纤光栅水听器的干涉仪解调实验系统构成方式。利用金属弹性片增敏结构构成的光纤光栅水听器试样，测得其增敏结果为9000倍，试样测试得到100~1000Hz内−172~−164dB的相移灵敏度实验结果。关键词光纤光栅；水听器；干涉仪；灵敏度；增敏光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型可表示为：光纤器件。光纤光栅是在裸光纤内部形成折射率周λ=2nΛ(1)Beff期

2、性分布的光栅，具有全光纤化、插入损耗低、成[3]本低、体积小的优点，并且通过对光栅结构的设计光纤光栅反射光的带宽为:可以得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在光22Δλ=λs(Δn/2n)+(1/N)(2)纤通信、光纤传感、光信息处理等领域展现出广阔B的应用前景。在光纤传感领域，光纤光栅可以用作式中N=l/Λ是光栅层数。对强耦合光栅（反射率接测量诸如温度、应变、振动、压力、声场、电磁场近100%）来说，s近似为1，对弱耦合光栅来说，s等物理量和某些化学量的传感元件。近似为0.5。从(3)式可看出，光栅的带宽与折射率变光纤光栅在水声传感领域具有非常广泛的应用化

3、的大小Δn成正比，与光栅长度成反比。经过计算前景，光纤光栅水听器具有抗电磁干扰、宽动态范围、可以得到光栅的带宽随着光栅长度的增加而降低的体积小、全光传输、便于多路复用等优点。美国海军示例，例如1cm长的光栅的带宽约为0.15nm，2cm[2]和英国GECMarcon都有这方面的开发项目。美国长的光栅的带宽约为0.074nm，4cm长的光栅的带国防部目前正在进行利用光纤光栅探测水下舰艇的宽约为0.057nm。运行方向、速度以及发动机的振动频率等研究。日本国家防卫研究院也对光纤光栅探测水下声信号的能2光纤光栅传感系统及原理力进行了研究，在80dB~140dBre

4、μPa范围内检测光纤光栅水声传感实验系统如图1所示，宽带[1]信号与声压具有良好的线性关系。光源通过隔离器和环形器进入光纤光栅水听器探近来，我们对干涉型光纤光栅水听器进行了一头，探头的另一输出端涂少量匹配液以保证剩余光定的理论和试验研究，并对增敏结构进行了必要的不会产生反射。环形器的返回光信号为携带声信息设计和实验，获得了初步的试验结果。所谓干涉型的变光频信号，光频变化的光信号进入外调制即采用解调干涉仪作为解调光系统，干涉仪臂长差Michelson干涉仪后产生干涉条纹，该干涉信号经经过设计与光纤光栅线宽进行匹配，干涉仪输出的探测器转换为电信号输入到数据采集卡

5、进行软件干涉光束经过光电转换和数字解调可以得到相应PGC解调。的声信号。光纤光栅增敏是通过优化设计水听器封环形器装结构提高裸光纤光栅接收声波能力的技术，通过隔离宽带光源器良好的增敏可以使光纤光栅的传感灵敏度大幅增水听器探头加。下面就我们研究的干涉型光纤光栅水听器传感振动液柱数据采集探测非平衡系统的关键技术进行阐述，并给出光纤光栅水听器器Michelson调制信号实验研究结果。微机解调干涉仪1光纤光栅的光谱特性图1光纤光栅水声传感实验系统示意图2.1光纤光栅传感原理假设在纤芯中写入的光栅长度为l、周期为Λ、光纤特性（例如应变温度或偏振）的任何变化，有效折射率为

6、neff，那么光纤Bragg光栅的中心波长都会改变光纤折射率和光栅周期，导致光栅Bragg1李东明等：干涉型光纤光栅水听器实验研究波长的变化。光纤光栅水声传感的基本原理是在应衡干涉仪的OPD成正比，通过选择合适的OPD，变的作用下，一方面由于弹性形变效应使光栅的周干涉法可以做到对动态和准静态应变十分敏感。但期伸长或缩短，另一方面由于光弹效应使光纤的折OPD的选择应小于光纤光栅线宽所决定的相干长射率发生变化。两者的效应使光栅的Bragg波长随度，以便干涉仪两臂回光相干叠加，我们采用的光应变（温度变化是缓慢变化，可以不作考虑）而改栅线宽为0.1nm左右，其相干长

7、度为：[4]变，波长的变化与应变的关系可以表示为：22Ln=λλ/Δ=1.461550/0.135i=mmBBBΔλ=(1−P)λε(3)BeB考虑到光栅边模因素的影响，将干涉仪的臂长这里首先假设光纤的应变是均匀和各向同性差设计为10mm。2的，式中Pe=n[p12−(p11−p12)ν]/2，称之为有效光弹2.3光纤光栅水听器增敏系数，其中p11和p12为Pockel系数，ν为Poisson目前光纤光栅水听器的研究主要集中在增敏比。光栅波长变化与应变响应具有线性关系，波长技术及信号解调技术，增敏技术尤为关键。-31550nm时为1.2×10nm/µε。由弹

8、性力学知，外根据公式（7）以及光纤、干涉仪的参数Pe