光纤水听器的分类及其基本原理ppt课件
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
基于耦合效率调制的光纤水听器
7
1.1、基于微弯损耗原理的光纤水听器
“微弯”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 出了多种光纤水听器的结构。
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 模片式微弯光纤水听器
16
2.3、基于Fabry-Perot 干涉仪光纤水听器
由光纤中两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成 一个Fabry-Perot 干涉仪，激光经过该干涉仪时在腔内来回 多次反射形成多光束干涉，通过解调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 动态范围小。
Fabry-Perot 干涉仪
3
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。
4
1 强度型光纤水听器
2 干涉型光纤水听器
14
2.1、基于Michelson干涉仪光纤水听器
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，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，发生干涉，干涉的光信号 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。
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 增加，从而导致液体的折射率的改变。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 检测，结构和原理简单，成本较低。
9
1.1.2、基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器
右图是“双螺旋”形式的光纤水听器结构, 首先用一种金属细丝线（0.127mm）以2mm的螺 距螺旋方式缠绕在光纤上，然后这根缠绕着螺 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,并与相应的一个锥形外套相 配合。
当水声压力作用在倒置的锥体和外套上的 时候，中间的光纤就会产生弯曲损耗从而实现 检测的目的。
3
光纤光栅水听器
5
按其原理分类
调幅型光纤水听器
调相型光纤水听器
强度型光纤水听器， 不适合成阵
即干涉型光纤水听 器，已经由实验 转向应用
偏振型光纤水听器
光纤光栅水听器， 国内外研究热点，
适合成阵
6
1、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 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。
13
2、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。 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。
目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构： ●Michelson干涉仪型光纤水听器 ●Mach-Zehnder干涉型光纤水听器 ●Fabry-Perot干涉型光纤水听器 ●Sagnac干涉型光纤水听器
光纤水听器的分类及基本原理
1
• 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。
2
• 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。
Michelson 干涉仪
15
2.2、基于Mach-Zehnder干涉仪光纤水听器
从激光光源发出的光耦合进光纤后，由光纤定向耦合器分 成空间分离的两路光束，分别经过传感臂与参考臂，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 输出端产生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。
Mach-Zehnder干涉仪
10
1.1.3、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 以“星状”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 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 光纤的张力，使光纤在圆筒的周边产生 微弯型变。
11
1.2、基于反射系数调制的光纤水听器
光纤光栅的布拉格中心波长是由纤芯折射率和栅格周期 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 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。因而经过光纤光栅源自文库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。
12
1.3、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， 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。
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 长期可靠性。
17
2.4、基于Sagnac干涉仪光纤水听器
基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。该型光纤 水听器的核心是由一个3×3光纤耦合器构成的Sagnac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，形成 相位差，返回耦合器时干涉，解调干涉信号得到声信号。
Sagnac 干涉仪
18
3、光纤光栅水听器
8
1.1.1、柱状结构的微弯型光纤水听器
图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 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。 图b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 刻槽。这样,不同光纤的输出就会代表三个方向上声波的特性,从而实 现了方向辨别。
基于耦合效率调制的光纤水听器
7
1.1、基于微弯损耗原理的光纤水听器
“微弯”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 出了多种光纤水听器的结构。
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 模片式微弯光纤水听器
16
2.3、基于Fabry-Perot 干涉仪光纤水听器
由光纤中两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成 一个Fabry-Perot 干涉仪，激光经过该干涉仪时在腔内来回 多次反射形成多光束干涉，通过解调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 动态范围小。
Fabry-Perot 干涉仪
3
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。
4
1 强度型光纤水听器
2 干涉型光纤水听器
14
2.1、基于Michelson干涉仪光纤水听器
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，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，发生干涉，干涉的光信号 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。
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 增加，从而导致液体的折射率的改变。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 检测，结构和原理简单，成本较低。
9
1.1.2、基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器
右图是“双螺旋”形式的光纤水听器结构, 首先用一种金属细丝线（0.127mm）以2mm的螺 距螺旋方式缠绕在光纤上，然后这根缠绕着螺 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,并与相应的一个锥形外套相 配合。
当水声压力作用在倒置的锥体和外套上的 时候，中间的光纤就会产生弯曲损耗从而实现 检测的目的。
3
光纤光栅水听器
5
按其原理分类
调幅型光纤水听器
调相型光纤水听器
强度型光纤水听器， 不适合成阵
即干涉型光纤水听 器，已经由实验 转向应用
偏振型光纤水听器
光纤光栅水听器， 国内外研究热点，
适合成阵
6
1、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 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。
13
2、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。 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。
目前光纤传感器中采用四种不同的干涉测量结构： ●Michelson干涉仪型光纤水听器 ●Mach-Zehnder干涉型光纤水听器 ●Fabry-Perot干涉型光纤水听器 ●Sagnac干涉型光纤水听器
光纤水听器的分类及基本原理
1
• 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。
2
• 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。
Michelson 干涉仪
15
2.2、基于Mach-Zehnder干涉仪光纤水听器
从激光光源发出的光耦合进光纤后，由光纤定向耦合器分 成空间分离的两路光束，分别经过传感臂与参考臂，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 输出端产生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。
Mach-Zehnder干涉仪
10
1.1.3、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 以“星状”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 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 光纤的张力，使光纤在圆筒的周边产生 微弯型变。
11
1.2、基于反射系数调制的光纤水听器
光纤光栅的布拉格中心波长是由纤芯折射率和栅格周期 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 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。因而经过光纤光栅源自文库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。
12
1.3、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， 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。
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 长期可靠性。
17
2.4、基于Sagnac干涉仪光纤水听器
基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。该型光纤 水听器的核心是由一个3×3光纤耦合器构成的Sagnac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，形成 相位差，返回耦合器时干涉，解调干涉信号得到声信号。
Sagnac 干涉仪
18
3、光纤光栅水听器
8
1.1.1、柱状结构的微弯型光纤水听器
图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 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。 图b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 刻槽。这样,不同光纤的输出就会代表三个方向上声波的特性,从而实 现了方向辨别。