光纤矢量水听器

光纤矢量水听器的设计与研究
XX
（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
易受到光源强度稳定性的影响，且传感器探头设计复杂，加工难度大。

下面简要介绍四种强度型光纤水听器
图1是基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器。

先用直径0.127mm金属细丝线以2mm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，并与锥形外套相匹配。

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，改变了光功率的大小，实现水声检测]3[。

图1：基于螺旋变形器的光纤矢量水听器
图2是引入位移型光纤水听器。

它将2根相互平行，同轴放置的光纤彼此相隔一段距离，其中1根固定，另一根可随外界声压引起机械位移发生移动，2根光纤彼此相错导致其耦合效率变化，当两根光纤正对时，耦合效率会达100%。

图2：引入位移型光纤矢量水听器
2）干涉型光纤矢量水听器
原理：光学干涉，通过水中声波对光纤的压力而改变的光纤纤芯折射率或长度所引起的光纤中传播光束光程变化通过检测其相位得到水声信息。

声波───→光纤折射率发生变化或光纤长度变化───→检测相位变化下面用图解的方法细讲一下干涉型光纤矢量水听器的原理，主要是举出4个代表性的例子：
图3是基于迈克尔逊光纤干涉仪水听器的原理图。

激光光源（S）发出的光经过光纤定向耦合器DC分为2路：一路构成光纤干涉仪的传感臂，接受声波调制；另一路则构成参考臂，提供参考相位，两束波经过后端反射膜反射后返回光纤定向耦合器，发生干涉，其光信号经光电探测器（PIN）后转换为电信号，经
处理就可拾取声波信息。

图3：michelson光纤干涉
图4是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理图。

从激光光源发出的光耦合进光纤后，由光纤定向耦合器DC1分成空间分离的2路光束，分别称为信号光束和参考光束，再经光纤定向耦合器DC2重新相干混合后，分别在输出端产生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。

图4：mach-zehnder光纤干涉仪
图5是基于Fabry-Perot光纤干涉仪光纤水听器的原理图，由光纤中2个反射镜或1个光纤布拉格光栅等构成Fabry-Perot腔。

激光经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。

图5 ：Fabry-perot光纤干涉仪
对干涉型光纤矢量水听器有了简要认识后，下面定量的分析：以双光束干涉
为例，干涉后的光信号经光电转换后可写成：
)cos(2021210φφφ++++=n s I I I I I （2） 其中：0φ为干涉仪的初始相位，是个常量；n φ为相位差的低频漂移，是不确定量，随温度和外界环境影响而随机变化。

干涉仪输出光波相位差为：
c nIv /2πφ= （3）
其中：c 是真空中光速；n 是光纤纤芯的有效折射率，l 是光纤轴向长度；v 是光频。

若光源相干长度为L ，相干理论要求L ≥nl 。

由式(2)可得，各种因素引起的相位差变化为：
)///(/2v v I I n n c nIv ∆+∆+∆=∆πφ (4)
相位差变化包括：①由光弹效应产生有效折射率改变引起光相位变化；②光纤轴向长度变化导致光相位变化；③光频抖动引起光相位变化。

其中前2种变化可由声压调制因素产生，第3部分构成系统的光相位噪声。

光纤水听器探头需增敏处理。

其方法是将干涉仪传感臂缠绕在1个声压弹性体上，声压变化时，弹性体随声压受迫振动，传感光纤长度被调制，即声压对光纤水听器的调制主要表现为光纤轴向长度的调制。

则光纤轴向长度变化与声压变化成正比，即由水声引起的相位差变化与声压变化成正比：
p k I I c nIv s ⋅=∆⋅≈∆)/()/2(πφ (5) 其中k 是比例系数。

3）光纤光栅型光纤水听器
原理：水听器中，传感光栅周围的应力随着水中声压的变化
声波───→传感光栅周围应力变化───→检测应力
该型水听器基于光纤布拉格光栅反射波长随外界应力变化而移动原理，由于可在 1 根光纤上刻写多个光纤光栅，易构成准分布式传感 。

当宽带光源（BBS ）输出光波经光纤布拉格光栅（FBG ）时，波长满足该条件的光波将被反射，其余则透射：
Λ=eff B n 2λ (6) 式中：B λ为 FBG 的中心反射波长；eff n 为纤芯有效折射率，Λ 为光栅栅距。

当传感光栅周围应力随水中声压变化时，将导致eff n 或Λ 的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移，偏移量由∆Λ+∆∆=∆eff eff B n n 22λ确定，即实现水声声压对反射信号光的波长调制。

据检测中心反射波长偏移，再根据eff n ∆和
与声压间的线性关系，即可获得声压变化信息]4[。

由于外界水声作用在光栅上产生的应力应变很小，难以直接识别布拉格波长的微小位移量。

因此该光纤光栅水听器，不选宽带光源，而选可调谐窄带激光器，将其输出光波长调节在光纤光栅反射谱的 1 个边上。

即当光栅透射谱在外界水声信号作用下移动时，输出光信号沿光栅透射谱的 1 边近似线性地被调制。

光纤光栅型光纤水听器因光纤光栅的反射带宽较宽，如不对传感头增敏处理，在用干涉法解调时很难达到要求的信号分辨率]5[。

故具有窄带宽的光纤光栅激光器在提高灵敏度上优势明显，在水声信号为100Hz 时可达到0.61MHz/Pa 的灵敏度。

三、光纤矢量水听器敏感元件的结构与工作方式
按矢量水听器敏感元件与声场相互作用的形式可把矢量水听器分为三大类：偶极子型、不动外壳型和同振型。

如果按敏感元件换能机理的不同，矢量水听器又可分为压电式、动圈式、压阻式和光纤式等等。

3.1偶极子型
偶极子型矢量水听器是矢量水听器的最原始形式，它可以直接由性能一致的一对点状(所谓“点状”是指其物理尺寸远小于声波波长)声压水听器构成，两个声压水听器之间距r小于波长。

它们的电输出作串联连接，使得总输出电信号比例于两者所在点之间的声压差，因此这种形式的矢量水听器又称双水听器型或压差型。

实际上它是用“有限差分”方法近似求出待测点处的声压梯度。

经过积分运算后可得到水质点振速。

在直角坐标的三个正交轴上，分别放置一对点状声压水听器便构成了三维偶极子型矢量水听器。

将一对水听器输出电信号相加并除以2便得到测点的声压值。

这种三维结构的偶极子型矢量水听器可同时共点地测量三个正交矢量和一个标量(声压)。

它是将压电陶瓷环的电极(通常作法是内电极)分割成两等份或四等份(环的外表面涂满电极)，经过适当的电极化，使得相对的两个扇形部分的输出电信号作相减处理，便构成了偶极子结构型式的矢量水听器。

如果把压电陶瓷环的内电极分割成四等份，通过适当的电极化和适当的电连接方式，,又构成可同时测量同平面上的两个正交轴上的声压梯度或振速]6[。

本文后面将要介绍的多模式矢量水听器又是上面那种类型结构型式的新发展。

3.2不动外壳型(强迫型)
它是由压电陶瓷圆片(或矩形片)通过一定方式固定于高密度金属壳体上而构成。

在声场作用下，外壳对声波呈高机械阻抗，可看作静止不动，而压电片直接受到声场的动态压力(声压)作用，被“强迫”发生形变从而完成声—电转换。

实际上，“不动外壳型”仍是一种压差式矢量水听器，水听器的输出电信号幅度依然与压电片两侧的声压之差成比例。

为了提高这种矢量水听器的灵敏度，有意
在外壳尺寸设计中，增加压电片两侧之间的声路径长度。

这种压差式矢量水听器的结构及实物照片如下图6所示，.以上两种结构型式的矢量水听器在其工作时可以刚性地固定于测量支架上，这也是它们要比下面讨论的“同振型”略胜一筹之处.
图6：不动外壳型矢量水听器
3.3同振型
同振型矢量水听器是将惯性式敏感元件(振动加速度计、速度计等)封装于球形或圆柱形壳内而成。

其工作原理是基于刚性球或圆柱体在声场作用下作振荡运动的特性。

声学理论早已证明，当刚性球体或圆柱体的波尺寸d/λ(d 为球或圆柱的线度尺寸,λ为声波波长)很小时，它们在声场中的振荡运动速度分别可以写成如下表达式：
),2/(3/0ρρρ+=V V s （7） ),/(2/0ρρρ+=V V e （8）
式中Vs,Vc 分别为刚性性球体和柱体的振荡速度幅度，0V 为声媒质(例如水)质点振动速度，为球体或柱体的平均密度，ρ为声媒质(例如水)的密度。

从(2)式可以看出，如果使球体或圆柱体的平均密度等于声媒质(例如水)的密度，即ρ=ρ,则刚性球体或圆柱体的振动速度就等于声媒质质点振动速度。

亦可以证明，这时Vs 或Vc 与V0之间的相位差为零。

换句话说，刚性球或柱体在声场中是与媒质质点同幅度同相位地运动。

根据这种原理构成的矢量水听器因此而得名为“同振型”(co-oscillating type)。

借助安置于球体或圆柱体内的加速度计或速度计测出球或圆柱体的运动加速度或速度，也就获得了声媒质质点的振动加速度或速度的信息。

因为同振型矢量水听器必须采用惯性式振动传感元件，因此，英文文献中都把“同振型”矢量水听器称作惯性型矢量水听器。

同振型矢量水听器在其工作时必须用弹性悬置元件(如橡胶绳或金属弹簧等)将其悬挂在刚性框架上。

弹性悬置元件是这种矢量水听器的重要组成部分。

因此，悬置元件的设计和使用
状况直接会影响到矢量水听器的电声性能。

四、光纤矢量水听器在拖曳阵中的应用
冷战结束后，美国海军把反潜战态势由美国海岸的深海安全重新定位于浅海区域。

在浅海区域，安静型柴电潜艇频繁出没。

因此美国海军为缓解这个问题,把“浅水到深水水域快速地进行潜艇提示、检测和定位”以及“防水下攻击(包括舰船防多重齐射鱼雷攻击)的自卫平台”作为技术突破口。

在这些研究项目中，追求使用先进的多模式水听器和单晶矢量水听器技术。

这些技术已经应用于线列阵(拖曳阵、固定阵)、空投声呐浮标以及声拦截系统中。

把矢量水听器应用于潜艇拖曳阵，解决了在对威胁潜艇定向时常规声压水听器线阵存在的“左右舷模糊”的问题，不必对线阵作费时的机动控制。

从而使艇员在战时的响应时间大大缩短]7[。

将矢量水听器应用于水面舰拖曳阵。

不仅解决了上述的“左右舷模糊”的难题,而且还使水面舰有更多的逃脱机会。

把矢量水听器应用于固定阵中，使阵的物理孔径大大缩减而不损失声阵的增益。

把矢量水听器应用于声呐浮标中，可以发展适用于多基地声呐系统中的小型高指向性声接收器。

多模式水听器应用于声呐浮标和声拦截系统，能在不增加换能器尺寸的条件下使检测距离增大。

四、结语
光纤矢量水听器按原理可分为强度型，干涉型和光纤光栅型三种矢量水听器。

按探头设计又可分为偶极子型，不动外壳性和同振型。

光纤矢量水听器因为信号探测和传输均以光为载体，更适于水下信号的检测，有许多压电水听器不可比拟的优点。

光纤水听器经过 20 多年的发展，其技术已逐渐成熟，一些领域已获得应用，前景广阔。

主要参考文献：
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