光纤水听器原理与应用综述

光纤水听器原理与发展现状

袁虎邓华秋

（华南理工大学物理系广州510640）

摘要光纤水听器由于其特有的抗电磁干扰、体积小等特点，在军事、民用方面有着广泛应用。本文简介了光纤水听器的基本原理，并分别对强度调制型、干涉型和光栅型光纤水听器进行了简单的介绍。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满足现在的大规模集成化要求，因此分布式光纤水听器也是近期的研究热点。文中介绍了两种分布式光纤水听器的技术方案，分别是OTDR和FMCW技术。与此同时由于光纤激光器的发展，其良好的单色性和稳定性可以用于优良的光源，把它用到干涉型光纤水听器中可以极大程度的提高光纤水听器的性能。

关键词：光纤水听器；FMCW；光纤激光器

1.光纤水听器简介

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[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，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。

早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入，基于压电陶瓷传感元件的水听器出现了许多不足之处。如对电磁场的敏感性，电缆负载、连接电缆的共振效应，同时利用压电陶瓷进行点传感的技术难度和成本也十分困难。正是由于传统压电式水听器存在这些问题，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。它的研究始于冷战时期，由于反潜战的需要，美国海军开始了光纤水听器的研究。[2,3]1977年布卡诺等人发表首篇关于光纤技术的水声传感系统的论文[4]。

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]。

2.光纤水听器原理

光纤水听器是复杂的光、机、电一体化传感器，现在已经开发出多种不同的光纤水听器，主要分为：强度调制型、干涉型和光栅型三种。下面分别介绍它们的简单原理。

2.1 强度调制型光纤水听器

强度调制型光纤水听器，就是指外界信号对光纤中传输的光进行强度调制，这样我们就可以通过监测光强的变化来解调出外界信号。基于这个原理，可以用不同的形式予以实现。主要包括三种：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。

2.1.1 基于微弯损耗原理的光纤水听器

当光纤发生弯曲时，由于其全反射条件被破坏，纤芯中传播的某些模式的光进入包层，造成纤芯中的光能损耗。

图1 基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器

图1是基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器[6]。先用金属丝线以一定的螺距螺旋方式缠绕在光纤上，然后光纤再以螺旋方式缠绕在倒置的锥体外表面，并与相应锥形外套相配合。当水声压力作用在倒置的锥体和外套上时，中间的光纤产生弯曲损耗，实现水声检测[4,5]。

2.1.2 基于耦合效率调制的光纤水听器

这种水听器是将两根相互平行、同轴放置的光纤彼此相隔一段距离，其中一根光纤是固定的，另一根可以随外界声压引起的机械位移的作用而发生移动。使得两根光纤彼

此相错，而导致两根光纤之间耦合效率的变化[7]，如图2。

输出光纤

图2 基于耦合效率调制的光纤水听器[7]

2.1.3 基于反射系数调制的光纤水听器

这种水听器是在声压的作用下，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。图3中所给出的是Wurster 等人研制的基于反射系数调制的光纤水听器实验系统[8]

。声压的上升会使得端面周围的液体压缩，而石英玻璃的可压缩性很低，可以被忽略，从而导致端面的折射率上升。由菲涅尔方程

图3 基于反射系数调制的光纤水听器[8]

可以得到端面折射系数的改变量为[8] 2

0,20,22)()()]([)]([)(ωωωωρn n n n p n n p n n R c c c c +--+-=∆ (1)

其中，c n 为光纤纤芯的折射率，)(p n ω为在声压为p 下的液体折射率。0,ωn 为无声压作用下的液体折射率[8]。

相比于其他类型的光纤水听器，强度调制型光纤水听器的结构简单，系统中元件少，并且不需要对信号进行解调就可以直接得到有用的信息，信号处理十分简单。但同时正是由于强度调制型光纤水听器是基于强度的变化来进行传感，因此外界的干扰，如光源的波动等，很容易引起强度的干扰，从而造成该类光纤水听器抗干扰性差，精度也较低，并且也对这类传感器探头的加工与制作提出了更高的要求。

2.2 干涉型光纤水听器

干涉型光纤水听器顾名思义就是基于光纤干涉仪原理而制作而成的光纤水听器。光纤水听器所探测的信号为水下目标发出或反射的声波，而水下声场的变化引起水压的变化，光纤水听器通过感应水压的变化来拾取水声信号。水声压对水听器的调制主要表现在两方面，一个是声波压力引起光纤轴向长度的变化导致的光相位变化；另一方面是光纤纤芯受声波压力作用时，由光弹效应产生应力双折射引起受力部分的折射率变化，同时纤芯受力时直径发生变化导致波导归一化频率发生变化，这两个因素都会引起光纤传播常数变化，最终导致光相位发生变化。常见的干涉型光纤水听器可以分为：Michelson 光纤干涉仪、Mach-Zahnder 光纤干涉仪型、Fabry-Perot 光纤干涉仪型和Sagnac 光纤干涉仪型[9]。

电声换能器

反射镜

(1) Michelson

(2) Mach-Zehnder (4) Fabry-Perot 传感器高反射率反射镜

图4 干涉型光纤水听器[9]

图4(1)为Michelson 型光纤干涉仪。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，两束波经两臂末端的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。这种结构的优点是参考臂和传感臂处于同一环境中，因此受到的环境干扰较小，同时属于单端操作，但必须保证进入两臂的光强相等。

图4(2)是基于Mach-Zehender 型光纤干涉仪。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，经光电探测器转换后拾取声信号。这种结构的特点是灵敏度较高，并且激光光源和光探测器不在同一侧，避免了返回光对光源的影响。它的缺点是结构相对复杂，安装复杂 。并且需要一参考臂，而一般情况下它不和测量光纤安装在同一位置[10]，这就使得输入输出臂不对称，从而导致测量的不稳定。

图4(3)是基于Sagnac 干涉仪的光纤水听器。激光器发出的光经耦合器分为两束，当光纤环中的信号臂受外界场的扰动时对称性被破坏，两束光在耦合器重新合路时发生干涉，解调该信号即可恢复出声信号。两束光在光电转换器处的干涉信号为[11]

(2)

其中，t m m ωsin Φ是PZT 相位调制器产生的高频相位载波信号；m Φ是高频载波引起的相位振幅；m ω是载波的角频率；ψ为干涉信号初始相位；S(t)为由于管道中流体泄漏导致干涉仪中的两束光相位被调制而产生的相位差，是时变信号[11]。

图4(4)是基于法布里-珀罗干涉原理的光纤水听器[12]。它的传感部分是由一块固定的高反镜和一块可移动的高反镜组成，两者相互平行，且这两块高返镜的反射系数一般都大于90%[13]。这种光纤水听器的原理是激光器输出的大部分光将朝着激光器反射回来，