光纤矢量水听器

光纤矢量水听器的设计与研究

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（安徽大学xxxxxxxxxxxxXX学院，安徽合肥）

摘要：光纤矢量水听器是建立在光纤技术，光电子技术基础上的水下声信号传感器。本文在介绍了强度型、干涉型和光纤光栅型矢量水听器原理的基础上，比较了它们的灵敏度、测量范围和抗干扰能力等参数。干涉型光纤矢量水听器是通过水中声波对光纤的压力来改变纤芯折射率或长度,从而引起光纤中传播光束光程的变化，通过检测其相位差得到水声信息。光纤矢量水听器被广泛的用于拖曳阵、固定阵、船壳阵和声呐浮标中，是现代海洋技术不可或缺的一部分。关键词：光纤矢量水听器，强度型，干涉型，光纤光栅型，潜艇拖曳阵

Design of Optical Fiber Vector Hydrophone

Ge Xin

（Anhui University ，physics and Material science College，AnHui HeFei）Abstract：Optical fiber vector hydrophone is the underwater acoustic signal sensor,which is based on optical fiber technology and photoelectron technology.This paper compared their sensitivity, measuring range ,Anti-jamming capability and other Parameter, based on describing Strength Type,Interference type and optical fiber grating type.Interferometric fiber optic vector hydrophone obtain acoustic information by detecting the water pressure.Acoustic pressure of the water changes the length of the fiber core refractive index,which force the optical path difference changing.Optical fiber vector hydrophone is widely used for Towed Array,Fixed array ,Hull array and Sonar buoy,which is an integral part of marine technology

Key words：Optical fiber vector hydrophone,Strength Type,Interference Type, Optical fiber Grating Type,Towed Array

光纤矢量水听器是建立在光纤技术，光电子技术基础上的水下声信号传感器，其信号的探测与传输均以光作为传输媒介，更具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高等特性，被广泛的用于水下打捞作业，军事侦察，国防等重要方面。光纤水听器经过将近20多年的发展与研究，其技术已日臻成熟，一些领域内已广泛应用，前景广阔]1[。

光纤矢量水听器最基本的功能就是探测由被测物体发出的声场。被探测物体在水中移动会产生声波，声波在三维空间上发散开来形成声场。水声技术中要想准确的描述声场并探知声场信息，不仅需要声场的标量信息如声压，还需要声场

中的矢量信息，如声压梯度，质点速度和加速度等，传统的水听器只能探测声场的强度，却不能探测声场的方向，从而定位模糊，灵敏度低，而矢量水听器可以测量速度，加速度等矢量，正是实现这些物理量测量的有力工具。光纤矢量水听器可以测量水下声场，是有坚实理论依据的，本文将从光纤矢量水听器的光学原理，探头设计等几个部分展开叙述

一、光纤矢量水听器的理论依据

众所周知，声场是物理场。看一看声学这门学科的发展历史,直到上世纪下半叶,人们对声场的表述和测量几乎都是以声场的标量(声压)为基础的。事实上这是一种片面的描述,当我们把声场的声压表达式写成泰勒展开的形式并只取展开式的前三项作近似时,则有

⋅⋅⋅⋅⋅+-⋅∇-+∇⋅-+=)()(2

1)(0),,(20),,(0),,,(),,,(000000000r r P r r P r r P P z y x z y x t z y x z y x （1） 式1中右边第一项表示在测量点),,(0000z y x r 处的声压值,它可以用无指向性的声压水听器(即零阶水听器)测得;第二项是在以此点(000,,Z Y X )为中心，半径为R (要满足R <<λ,λ为声波波长)的小体积元内的声压梯度值,它是矢量,要用声压梯度水听器(即矢量水听器)来测得。

而第三项表示在上述小体积元内的二阶声压梯度值,它要用二阶声压梯度水听器(即二阶矢量水听器)测得。从上式可以看出若准确而又全面地描述声场,不仅要知道测点处的标量(声压)值,还需要知道测点处的一阶矢量和二阶矢量值。在平面波声场中,声压梯度与声媒质质点加速度或质点振速有确定的换算关系,测得其中任何一个值,即可得到另外其他二个值.标量“声压”只表征声场测点处的动态压力的大小,而矢量(声压梯度、质点振速或加速度等)表征了媒质质点在声场作用下以怎样的速度或加速度运动而又朝什么方向运动的,也就是说,声场矢量表征了声波能量流来自何方又朝哪个方向传递着的]2[。这样一来,我们不仅获取了声场的标量信息，又获取了声场的矢量信息，这对洞察声场的时空结构，充实和发展声学理论以及开拓新的声呐检测技术都具有重要的意义。近些年来,有人提出了以声场矢量概念为基本理论并与实验技术相结合的“矢量水声学”的学术观点。

二 、光纤矢量水听器的分类。

按传感原理可把光纤矢量水听器分为三类，下面分别介绍：

1） 强度型光纤矢量水听器。

原理：光纤微弯损致使光功率变化

声波───→光纤微弯损耗───→光功率变化

强度型光纤矢量水听器的特点：不需要解调装置，信号处理简单，其缺点是性能