光纤水听器的分类及其基本原理ppt课件

光纤水听器原理及应用探究水听器是通过接收声波对水下目标进行探测、定位与识别的传感器.随着现代战争环境的日趋复杂化，为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要,在光纤技术不断发展的基础上,光纤水听器作为一种重要的光纤压力传感器，应运而生. 光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水声传感器,因其在军事、民用各领域应用广泛,目前光纤水听器在国内外发展迅速,已经到达实用状态.光纤水听器的信号的传感与传输皆基于光纤技术，具有体积小、重量轻、灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。

光纤水听器是利用声波信号凋制光束来进行声／光转换．实现水下声信号检测的一种器件。

主要有两大类型：一类是调制型光纤水听器,主要包括强度调制型和相位调制型.利用光纤作为感应元件，通过调制光纤中的光束实现水下信号的检测；另一类是混合型光纤水听器，感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。

目前，强度调制型光纤水听器主要有微弯型、受抑全内反射型和网络型三种。

相位调制型光纤水听器是根据Mach—Zehnder干涉仪原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大目前普遍认为，相位调制型光纤水听器是最有发展前途的水听器。

干涉型光纤水听器原理干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的.图 (a) 是基于Michelson 光纤干涉仪光纤水听器原理图。

激光光源（S）发出的光经光纤定向耦合器（DC）分为 2 路：一路构成光纤干涉仪的传感臂，接受声波调制；另路则构成参考臂，提供参考相位，2 束波经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(b) 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，分别称为信号和参考光束，再经光纤定向耦合器DC2 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。

光纤激光水听器的基本原理,国内外光纤激光水听器的研究进展以及发展趋势一、引言声波是人类已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式。

水听器(Hydrophone)是利用在海洋中传播的声波作为信息载体对水下目标进行探测以及实现水下导航、测量和通信的一类传感器。

由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，水听器技术得到空前的发展。

传统的水听器包括电动式、电容式、压电式、驻极体式，等等。

20世纪70年代以来，伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展，光纤水听器逐渐成为新一代的水声探测传感器。

与传统水听器相比，其最大优点是对电磁干扰的天然免疫能力。

此外，光纤水听器还具有噪声水平低、动态范围大、水下无电、稳定性和可靠性高、易于组成大规模阵列等优点。

现有的光纤水听器包括光强度型、干涉型、偏振型、光栅型等。

其中，光纤激光水听器(FLH)就是一种光栅型水听器，但由于它的传感元件光纤激光器(又称有源光纤光栅)相比于无源光纤光栅具有高功率和极窄线宽的特点，配合上基于光纤干涉技术的解调方法，它的微弱信号探测能力相比于普通的无源光纤光栅水听器可以提高几个数量级。

压电式水听器和干涉式光纤水听器是目前应用最广泛的水声探测器件。

与干涉式光纤水听器相比，压电式水听器技术更加成熟，结构和制作工艺更简单，大规模生产时一致性可以得到相对较好的控制。

但是，防漏电、耐高温、长距离传输、动态范围大则是光纤水听器最大的优势。

尤其在一些特殊领域(例如高温高压的深井油气勘探领域)有着比压电水听器更为广阔的应用前景。

与干涉式光纤水听器相比，光纤激光水听器的最大优势在于易复用，即“串联即成阵”。

同时，受弯曲半径影响，干涉式光纤水听器的体积较大，水听器直径通常大于1cm。

而由于光纤激光型水听器结构简单，传感单元仅为一根光纤的尺寸，光纤激光水听器外径可细至4～6mm。

当然，受光纤激光器本身弦振动及系统1/f噪声影响，加速度响应较大、低频段噪声相对较高是目前光纤激光型水听器存在的主要问题之一，有。

干涉型光纤水听器技术简介干涉型光纤水听器技术也被称为“光纤水声传感技术”，是一种将水压、温度、流速等信息转化为光学信号的技术。

该技术利用光纤的结构特性，实现水下信号的探测与传输。

相比传统的水听器，干涉型光纤水听器具有更高的灵敏度、更宽的频率响应范围、更低的噪声等优势。

干涉型光纤水听器技术在海洋勘探、水声通信、海洋环境监测、水下测量等领域都具有广泛应用。

工作原理干涉型光纤水听器技术的核心是基于马赫曾德干涉实现的。

当光波穿过光纤中的水柱时，受到水压的作用，水的密度和折射率发生微小变化，从而导致光的相位发生变化。

基于干涉原理，将穿过水柱的传输光和绕过水柱的参考光在干涉仪中相遇，形成干涉条纹。

通过测量干涉条纹的强度和相位变化，可以确定水柱的压力、温度等信息。

常见的干涉型光纤水听器包括微弱光纤光栅干涉型光纤水听器、腔内干涉型光纤水听器、单纤干涉型光纤水听器等。

应用领域海洋勘探干涉型光纤水听器技术在海洋勘探领域具有紧要作用。

利用干涉型光纤水听器可以测量海水深度、水下岩石结构、海底土层信息等，并实现对油气田的勘探和开发。

水声通信干涉型光纤水听器技术对于水声通信也有紧要的应用。

传统的水声通信技术受到水流噪声的干扰比较严重，而利用干涉型光纤水听器技术可以除去部分水流噪声。

此外，干涉型光纤水听器技术还可以实现对水下目标声波信号的探测和辨识。

海洋环境监测干涉型光纤水听器技术在海洋环境监测领域也有广泛应用。

利用该技术可以实现对海洋底部的地震、火山、海啸等自然祸害的探测和预警，以及对海洋环境的监测。

水下测量干涉型光纤水听器技术还可以应用于水下测量领域。

例如可以利用该技术实现海底管道的监测、水流速度等参数的精准明确测量。

总结干涉型光纤水听器是一种基于光学信号的水声传感技术。

该技术具有高灵敏度、宽频率响应范围和低噪声等优势。

在海洋勘探、水声通信、海洋环境监测、水下测量等领域都有广泛应用。

随着技术的不断进展，干涉型光纤水听器技术将在海洋领域和其他领域发挥更紧要的作用。

光纤水听器一：光纤水听器原理光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。

它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。

它具有灵敏度高，频响特性好等特点。

由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。

（一）光纤水听器的特点：1、灵敏度高，频响特性好;2、动态范围大;3、抗电磁干扰与信号串扰能力强;4、适于远距离传输与组阵;5、信号传感与传输一体化,提高系统可靠性;6、工程应用条件降低.（二）光纤水听器种类：光纤水听器是利用声波信号凋制光束来进行声/光转换.实现水下声信号检测的一种器件。

光纤水听器的种类很多，主要有两大类型：一类是调制型光纤水听器.利用光纤作为感应元件，通过调制光纤中的光束实现水下信号的检测;另一类是混合型光纤水听器，感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。

研究最多的还是调制型光纤水听器.这类水听器又分为强度调制型和相位调制型两种。

目前，强度调制型光纤水听器主要有微弯型、受抑全内反射型和网络型三种。

相位调制型光纤水听器是根据Mach—Zehnder干涉仪原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大。

美国海军实验室、英国普菜西舰用设备公司和普莱西电子研究所对这种水听器的研究已达到相当的水平。

目前普遍认为，相位调制型光纤水听器是最有发展前途的水听器。

最近，美国海军研究学院研制出一种新型结构的相位调制型光纤水听器。

这是一种特殊结构的水听器，在弹性膜片上有4个扁球形柔性应变外壳。

扁球形外壳 的特点是将单端测量的压力转换成能被壳表面完全探测的差分应变。

这种扁球形外壳光纤水听器较之其它水听器(如平板、圆盘或圆柱体水听器)的优点是用— 个干涉仪就可测量出整个外壳表面上的不同灵敏度。

从已开发的干涉仪光纤水听器的结构来看，主要有心轴型、互补型和平面型等几种。

（三）基本结构：目前，干涉型光纤水听器技术最为成熟，其基本原理：由激光器发出的激光经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，不接受声波的调制，或者接受声波调制与传感臂的调制相反，接受声波调制的光信号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，由信号处理就可以获取声波的信息。

光纤水听器原理与发展现状108级11班邓洲（西华师范大学物理与电子系 200809241108）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.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。

光纤水听器的研究越来越受到各国的重视.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。