1、孫慧慧2光纖水聽器的分類及基本原理光纖水聽器的分類及基本原理光纖水聽器的歷史發展現狀光纖水聽器的歷史發展現狀 1光纖水聽器的基本特點光纖水聽器的基本特點3光纖水聽器的探頭設計光纖水聽器的探頭設計4光纖水聽器的發展前景光纖水聽器的發展前景5一、光纖水聽器的歷史發展現狀一、光纖水聽器的歷史發展現狀 光纖水聽器是建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲光纖水聽器是建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲信號傳感器，信號的傳感與傳輸皆基于光纖技術信號傳感器，信號的傳感與傳輸皆基于光纖技術。 光纖光柵是一種新型光纖器件。從最初的無源器件到近光纖光柵是一種新型光纖器件。從最初的無源器件到近年來的有源器件，發展極為

2、迅速。光纖光柵是利用摻雜光纖年來的有源器件，發展極為迅速。光纖光柵是利用摻雜光纖的光敏性，用紫外波段的激光或干涉條紋分布的激光束福照的光敏性，用紫外波段的激光或干涉條紋分布的激光束福照光纖，使光纖內部產生縱向永久性折射率周期性變化而制成光纖，使光纖內部產生縱向永久性折射率周期性變化而制成的。由于光纖光柵是在光纖內部形成的，具有全光纖化、插的。由于光纖光柵是在光纖內部形成的，具有全光纖化、插入損耗低、成本低的優點，并且通過對光柵結構的設計可以入損耗低、成本低的優點，并且通過對光柵結構的設計可以得到滿足特定需要的各種光譜特性，因而在光纖通信、光纖得到滿足特定需要的各種光譜特性，因而在光纖通信、光纖

3、傳感、光信息處理等領域展現出廣闊的應用前景。光纖光柵傳感、光信息處理等領域展現出廣闊的應用前景。光纖光柵的出現導致了光纖技術及其相關領域的一系列革命，被認為的出現導致了光纖技術及其相關領域的一系列革命，被認為是繼摻鉺光纖放大器之后出現的又一關鍵器件。是繼摻鉺光纖放大器之后出現的又一關鍵器件。 隨著核潛艇技術及潛射導彈技術的迅速發展隨著核潛艇技術及潛射導彈技術的迅速發展，潛艇的噪聲潛艇的噪聲日益降低日益降低。常規探測潛艇壓電聲納的靈敏度已接近極限值常規探測潛艇壓電聲納的靈敏度已接近極限值，使電纜連接的海底聲納警戒系統的探潛能力大大降低。使電纜連接的海底聲納警戒系統的探潛能力大大降低。鑒于光纖技術

4、為信息傳輸和信息傳感帶來了革命性的變革鑒于光纖技術為信息傳輸和信息傳感帶來了革命性的變革，美國和歐共體各國都對水聽器進行了深入研究美國和歐共體各國都對水聽器進行了深入研究, , 獲得了獲得了很多有價值的研究成果。很多有價值的研究成果。 上世紀上世紀7070年代中期年代中期，美國的美國的J.A.BucaroJ.A.Bucaro首先提出在反潛戰首先提出在反潛戰中利用光纖作為換能器中利用光纖作為換能器, , 研制光纖水聽器研制光纖水聽器, , 近年來近年來, , 美國美國、 日本等軍事大國均在光纖光柵水聽器技術中投入了大日本等軍事大國均在光纖光柵水聽器技術中投入了大量的人力財力從事研究量的人力財力從

5、事研究, ,取得了較好的效果取得了較好的效果。 19851985年，年，W. TietjenW. Tietjen提出了光柵水聽器提出了光柵水聽器一、光纖水聽器的歷史發展現狀一、光纖水聽器的歷史發展現狀光纖水聽器及其陣列的研究和發展始于光纖水聽器及其陣列的研究和發展始于2020世紀世紀7070年代末。目前至少有年代末。目前至少有英、美、法、意、韓、日等多個國家致力于這方面的研究。近年來它英、美、法、意、韓、日等多個國家致力于這方面的研究。近年來它已受到各國軍方的高度重視。已受到各國軍方的高度重視。 光纖水聽器及其陣列已成為被動聲納水下部分的發展方向，是光纖水聽器及其陣列已成為被動聲納水下部分的發

6、展方向，是未來海洋探測、監聽微弱聲場信號最有生命力的反潛戰武器，其中最未來海洋探測、監聽微弱聲場信號最有生命力的反潛戰武器，其中最有代表性的是美國的工作。有代表性的是美國的工作。 我國的光纖水聽器研究也已取得較大進展，我國的光纖水聽器研究也已取得較大進展， 在若干技術指標在若干技術指標上已達到目前國際水平，上已達到目前國際水平， 但是主要處于理論和實驗室的層面但是主要處于理論和實驗室的層面一、光纖水聽器的歷史發展及現狀一、光纖水聽器的歷史發展及現狀按其原理分類按其原理分類調幅型光纖水聽器調幅型光纖水聽器調相型光纖水聽器調相型光纖水聽器偏振型光纖水聽器偏振型光纖水聽器強度型光纖水聽器，強度型光纖

7、水聽器，不適合成陣不適合成陣即干涉型光纖水聽即干涉型光纖水聽器，已經由實驗器，已經由實驗轉向應用轉向應用光纖光柵水聽器，光纖光柵水聽器，國內外研究熱點，國內外研究熱點，不適合成陣不適合成陣二、分類及基本原理二、分類及基本原理1、強度型（調幅型）光纖水聽器、強度型（調幅型）光纖水聽器基于強度調制原理的光纖傳感器在工程實際應用和科學研究中扮演基于強度調制原理的光纖傳感器在工程實際應用和科學研究中扮演著極其重要的角色，于其成本低，信號處理簡便等優點受到開發者著極其重要的角色，于其成本低，信號處理簡便等優點受到開發者和使用者的青睞。隨著研究的深入和半導體光電技術的進一步發展，和使用者的青睞。隨著研究的

8、深入和半導體光電技術的進一步發展，強度調制型光纖水聽器正在逐步走向實用化和商品化，目前已經實強度調制型光纖水聽器正在逐步走向實用化和商品化，目前已經實現了包括位移及表面形狀、壓力、鹽度與溫度、產品質量在線監測現了包括位移及表面形狀、壓力、鹽度與溫度、產品質量在線監測等多種物理和化學量的監測問題，強度調制型光纖水聽器在軍事反等多種物理和化學量的監測問題，強度調制型光纖水聽器在軍事反潛、地震波檢測、石油勘探以及在傳感技術領域發揮著重要的作用。潛、地震波檢測、石油勘探以及在傳感技術領域發揮著重要的作用。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.11.1、基于微彎損耗原理的光纖水聽器、基于微彎損耗原理的

9、光纖水聽器“微彎微彎”指的是在擾模器的作用下，導致光纖中的指的是在擾模器的作用下，導致光纖中的傳輸模以輻射模的形式而損耗。基于這種基本原理，傳輸模以輻射模的形式而損耗。基于這種基本原理，提出了多種光纖水聽器的結構。此方法的主要缺點提出了多種光纖水聽器的結構。此方法的主要缺點是水聽器的性能極大地受到廣元強度穩定性的影響。是水聽器的性能極大地受到廣元強度穩定性的影響。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.1.11.1.1、柱狀結構的微彎型光纖水聽器、柱狀結構的微彎型光纖水聽器 首先由首先由LagakosLagakos等人提出，后由等人提出，后由VengsarkarVengsarkar等人改進。等

10、人改進。 圖圖a a的結構是將一根光纖以固定的結構是將一根光纖以固定的擾模周期纏繞在柱體外表面上，的擾模周期纏繞在柱體外表面上，并在圓周的九十度范圍內嚴柱體的并在圓周的九十度范圍內嚴柱體的軸向刻槽，這樣就在外界聲波的環軸向刻槽，這樣就在外界聲波的環境下給光纖提供了微彎空間。境下給光纖提供了微彎空間。 圖圖b b的結構是將三根光纖分別纏的結構是將三根光纖分別纏繞在柱體的三段位置上，繞在柱體的三段位置上，并相隔沿并相隔沿軸向刻槽。軸向刻槽。這樣這樣, ,不同光纖的輸出就不同光纖的輸出就會代表三個方向上聲波的特性會代表三個方向上聲波的特性, ,從而從而實現了方向辨別。實現了方向辨別。 b b結構與結

11、構與a a相比相比, ,增加了結構的復增加了結構的復雜性。雜性。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.1.21.1.2、基于螺旋變形器的微彎型光纖水聽器基于螺旋變形器的微彎型光纖水聽器 右圖是右圖是“雙螺旋雙螺旋”形式的光纖水聽形式的光纖水聽器結構器結構, ,由由 Schoenwald Schoenwald 和和 Bivins Bivins 提出。提出。首先用一種金首先用一種金屬細絲線屬細絲線（0 0. .127mm127mm）以以2 2mmmm的螺距螺旋方式纏繞在光纖上的螺距螺旋方式纏繞在光纖上，然后然后這根纏繞著螺旋狀金屬絲的光纖再以螺這根纏繞著螺旋狀金屬絲的光纖再以螺旋方式纏繞在一個倒

12、置的錐體外表面旋方式纏繞在一個倒置的錐體外表面, ,并并與相應的一個錐形外套相配合。與相應的一個錐形外套相配合。 當水聲壓力作用在倒置的錐體和外當水聲壓力作用在倒置的錐體和外套套 上的時候上的時候，中間的光纖就會產生彎曲中間的光纖就會產生彎曲損耗從而實現檢測的目的損耗從而實現檢測的目的。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.1.31.1.3、模片式微彎光纖水聽器、模片式微彎光纖水聽器 右圖為碟式光纖水聽器結構，將光右圖為碟式光纖水聽器結構，將光纖以纖以“星狀星狀”結構編織成網狀，并置結構編織成網狀，并置于一個中空圓筒的開口端，星狀光纖于一個中空圓筒的開口端，星狀光纖網的另一面中心粘接在一個膜

13、片的中網的另一面中心粘接在一個膜片的中心上。外界聲波作用在膜片上產生振心上。外界聲波作用在膜片上產生振蕩，調制了光纖的張力，使光纖在圓蕩，調制了光纖的張力，使光纖在圓筒的周邊產生微彎型變。筒的周邊產生微彎型變。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.21.2、基于反射系數調制的光纖水聽器、基于反射系數調制的光纖水聽器 這種水聽器是在聲壓信號的作用下，造成水中光纖端面處的光反射系這種水聽器是在聲壓信號的作用下，造成水中光纖端面處的光反射系數的改變而實現對水聲信號的檢測。聲壓信號的增加使得周圍液體的密度數的改變而實現對水聲信號的檢測。聲壓信號的增加使得周圍液體的密度增加，從而導致液體的折射率的改變

14、。實驗原理如下圖所示。增加，從而導致液體的折射率的改變。實驗原理如下圖所示。 光源通過一個光線光源通過一個光線禍合器與傳感探頭及信號處理系統相連，為減少光禍合器與傳感探頭及信號處理系統相連，為減少光源波動的影響，設置了反饋控制回路。這種結構能實現水下正負聲壓信號源波動的影響，設置了反饋控制回路。這種結構能實現水下正負聲壓信號檢測，結構和原理簡單，成本較低。檢測，結構和原理簡單，成本較低。二、分類及基本原理二、分類及基本原理1.31.3、位移型光纖水聽器、位移型光纖水聽器 將兩根互相平行、同軸放置的光纖彼此相隔一段距離，其中一根固定，將兩根互相平行、同軸放置的光纖彼此相隔一段距離，其中一根固定，

15、另一根可隨外界聲壓引起的機械位移的作用而發生移動，使得兩根光線彼另一根可隨外界聲壓引起的機械位移的作用而發生移動，使得兩根光線彼此交錯，從而導致兩根光纖之間耦合效率的變化。此交錯，從而導致兩根光纖之間耦合效率的變化。 主要缺陷是需要一對彼此平行且同軸的光纖，提高了對機械系統的設主要缺陷是需要一對彼此平行且同軸的光纖，提高了對機械系統的設計和加工的難度。在光傳輸過程中，有一段裸露在外的光纖，影響系計和加工的難度。在光傳輸過程中，有一段裸露在外的光纖，影響系 統的統的長期可靠性。長期可靠性。二、分類及基本原理二、分類及基本原理2 2、干涉型（調相型）光纖水聽器、干涉型（調相型）光纖水聽器 干涉型光

16、纖水聽器是基于光學干涉儀基本原理構造而成。干涉型光纖水聽器是基于光學干涉儀基本原理構造而成。其基本原理是其基本原理是: :在一段單模光纖中傳輸的相干光在一段單模光纖中傳輸的相干光 ，因外界聲場，因外界聲場的作用，而產生相位調制。的作用，而產生相位調制。 目前光纖傳感器中采用四種不同的干涉測量結構：目前光纖傳感器中采用四種不同的干涉測量結構： MichelsonMichelson干涉儀型光纖水聽器干涉儀型光纖水聽器 Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器 Fabry-PerotFabry-Perot干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器 SagnacSagna

17、c干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理2.12.1、基于、基于MichelsonMichelson干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器 二、分類及基本原理二、分類及基本原理Michelson 干涉儀干涉儀 由激光器發出的激光經由激光器發出的激光經3dB3dB光纖耦合器分為兩路光纖耦合器分為兩路：一路構成光纖干一路構成光纖干涉儀的傳感臂涉儀的傳感臂，接受聲波的調制接受聲波的調制，另一路則構成參考臂另一路則構成參考臂，提供參考相位提供參考相位。兩束波經后端反射膜反射后返回光纖耦合器兩束波經后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發生干涉發生干涉，干涉的光信號干涉的光信號經光電探

18、測器轉換為電信號經光電探測器轉換為電信號，經過信號處理就可以拾取聲波的信息經過信號處理就可以拾取聲波的信息。2.22.2、基于、基于Mach-ZehnderMach-Zehnder干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理Mach-Zehnder干涉儀干涉儀 從激光光源發出的光耦合進光纖后，由光纖定向耦合器分從激光光源發出的光耦合進光纖后，由光纖定向耦合器分成空間分離的成空間分離的兩兩路光束，路光束，分別經過傳感臂與參考臂分別經過傳感臂與參考臂，分別稱為分別稱為信號和參考光束，再經光纖定向耦合器重新相干混合，分別在信號和參考光束，再經光纖定向耦合器重新相干混合，分別在

19、輸出端產生干涉，經光電探測器轉換后拾取聲信號輸出端產生干涉，經光電探測器轉換后拾取聲信號。2.32.3、基于、基于Fabry-Perot Fabry-Perot 干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理Fabry-Perot 干涉儀干涉儀 由由光纖中光纖中兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構成兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構成一個一個Fabry-Perot Fabry-Perot 干涉儀，激光經過該干涉儀時干涉儀，激光經過該干涉儀時在腔內來回在腔內來回多次反射多次反射形成多光束干涉，通過形成多光束干涉，通過解調解調干涉的信號得到聲信號。干涉的信號得到聲信號。由于光在腔內多次反射，該水聽器靈敏度非常高，其缺點是由于光在腔內多次反射，該水聽器靈敏度非常高，其缺點是動態范圍小。動態范圍小。2.42.4、基于、基于SagnacSagnac干涉儀光纖水聽器干涉儀光纖水聽器二、分類及基本原理二、分類及基本原理Sagnac 干涉儀干涉儀基于基于SagnacSagnac光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。該型光纖該型光纖水聽器的核心是由一個水聽器的核心是由一個3 33 3光纖耦合器構成的光纖耦合器構成的SagnacSagnac光纖環光纖環， 順時針或逆時針傳播的激光經信號臂時對稱性被破壞順時針或逆時針傳播的激光經信號臂時對稱性被