光纤水听器的概述..

二、分类及基本原理
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,由 Schoenwald 和 Bivins 提出。 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。
Fabry-Perot 干涉仪
二、分类及基本原理
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。
二、分类及基本原理
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。
二、分类及基本原理
按其原理分类
调幅型光纤水听器
强度型光纤水听器， 不适合成阵
调相型光纤水听器
即干涉型光纤水听 器，已经由实验 转向应用
Байду номын сангаас
偏振型光纤水听器
光纤光栅水听器， 国内外研究热点， 不适合成阵
二、分类及基本原理
1、强度型（调幅型）光纤水听器
基于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。随着研究的深入和半导体光电技术的进一步发展， 强度调制型光纤水听器正在逐步走向实用化和商品化，目前已经实 现了包括位移及表面形状、压力、盐度与温度、产品质量在线监测 等多种物理和化学量的监测问题，强度调制型光纤水听器在军事反 潜、地震波检测、石油勘探以及在传感技术领域发挥着重要的作用。
Sagnac 干涉仪
二、分类及基本原理
3、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 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。
光纤光栅水听器实验原理图
三、光纤水听器的特点及应用
特点：探测灵敏度高 频带响应宽 抗电磁干扰能力强 耐恶劣环境、 结构轻巧、 易于遥测 构成大规模阵列 全天候实时探测的能力
Diagram 四、光纤水听器的探头设计
芯轴型 平面型
Fabry-Perot 干涉仪型
探头 设计
复耦合比 型
微弯型 全面型
椭球形
• 孙慧慧
1
光纤水听器的历史发展现状
2
主 要 内 容
5
光纤水听器的分类及基本原理
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光纤水听器的基本特点
光纤水听器的探头设计 光纤水听器的发展前景
一、光纤水听器的历史发展现状
光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的水下声 信号传感器，信号的传感与传输皆基于光纤技术。 光纤光栅是一种新型光纤器件。从最初的无源器件到近 年来的有源器件，发展极为迅速。光纤光栅是利用掺杂光纤 的光敏性，用紫外波段的激光或干涉条纹分布的激光束福照 光纤，使光纤内部产生纵向永久性折射率周期性变化而制成 的。由于光纤光栅是在光纤内部形成的，具有全光纤化、插 入损耗低、成本低的优点，并且通过对光栅结构的设计可以 得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在光纤通信、光纤 传感、光信息处理等领域展现出广阔的应用前景。光纤光栅 的出现导致了光纤技术及其相关领域的一系列革命，被认为 是继掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。
首先由Lagakos等人提出，后 由Vengsarkar等人改进。 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严柱体的 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。 b结构与a相比,增加了结构的 复杂性。
一、光纤水听器的历史发展现状
• 随着核潜艇技术及潜射导弹技术的迅速发展，潜艇的噪声 日益降低。常规探测潜艇压电声纳的灵敏度已接近极限值 ，使电缆连接的海底声纳警戒系统的探潜能力大大降低。 鉴于光纤技术为信息传输和信息传感带来了革命性的变革 ，美国和欧共体各国都对水听器进行了深入研究, 获得了 很多有价值的研究成果。 • 上世纪70年代中期，美国的J.A.Bucaro首先提出在反潜战 中利用光纤作为换能器, 研制光纤水听器, 近年来, 美国 、 日本等军事大国均在光纤光栅水听器技术中投入了大 量的人力财力从事研究,取得了较好的效果。 • 1985年，W. Tietjen提出了光栅水听器
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 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。 光源通过一个光线祸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。
五、光纤水听器的发展前景
一、光纤水听器的历史发展及现状
• 光纤水听器及其阵列的研究和发展始于20世纪70年代末。目前至少有 英、美、法、意、韩、日等多个国家致力于这方面的研究。近年来它 已受到各国军方的高度重视。 • 光纤水听器及其阵列已成为被动声纳水下部分的发展方向，是 未来海洋探测、监听微弱声场信号最有生命力的反潜战武器，其中最 有代表性的是美国的工作。 • 我国的光纤水听器研究也已取得较大进展， 在若干技术指标 上已达到目前国际水平， 但是主要处于理论和实验室的层面
二、分类及基本原理
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。此方法的主要缺点 是水听器的性能极大地受到广元强度稳定性的影响。
二、分类及基本原理
1.1.1、柱状结构的微弯型光纤水听器
二、分类及基本原理
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。
二、分类及基本原理
1.2、基于反射系数调制的光纤水听器
Mach-Zehnder干涉仪
二、分类及基本原理
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。
二、分类及基本原理
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
Michelson 干涉仪
二、分类及基本原理
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。
二、分类及基本原理
1.3、位移型光纤水听器
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。