下载文档原格式
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。
光纤传感器的结构原理及分类
1、光纤的结构
基本采纳石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成，如图1所示。
中心——纤芯；
外层——包层；
护套——尼龙料。
图1 光纤结构
2、光纤传感器的原理及分类
光纤的传播基于光的全反射。
当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤，如图2所示。
图2 光纤工作原理图
原理分析：
(1) 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射；
(2) 只要θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最终从另一端面射出。
为保证全反射，必需满意全反射条件（即θ＜θc）实现全反射的临界入射角为：
可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）打算的，与光纤的几何尺寸无关。
按光纤的作用，光纤传感器可分为功能型和传光型两种。
(1) 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性随被测量发生变化的一种光纤传感器。
例如，将光纤置于声场中，则光纤纤芯的折射率在声场作用下发生变化，将这种折射率的变化作为光纤中光的相位变化检测出来，就可以知道声场的强度。
(2) 功能型光纤传感器既起着传输光信号作用，又可作敏感元件，所以又称为传感型光纤传感器。
传光型光纤传感器是利用其他敏感元件来感受被测量变化一种光纤传感器，传光型光纤传感器则仅起传输光信号作用，所以也称为非功能型光纤传感器。
3、光纤传感器的特点
光纤传感器具有以下一些特点：
1.不受电磁场的干扰
2.绝缘性能高
3.防爆性能好，耐腐蚀
4.导光性能好
5.光纤细而松软。
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。
光纤光栅水听器的研究1 引言光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。
由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用[1]。
在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等[2]，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。
在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。
光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。
当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息[3]，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。
由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对基于光纤光栅的水听器进行一定的研究。
光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在水声检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。
本文主要的工作主要是分析无源光纤光栅水听器的原理，对无源光纤光栅水听器进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。
2 光纤光栅水听器概述由于光和电磁场在水中的传播损耗较大，不能在水中进行远距离传播，当前水下探测技术中使用的多为声波。
水听器作为将水下的声信号转换为电信号的一种换能器，也称为水下传声器。
水听器主要应用在现代海军反潜作战及水下兵器试验中，还可以应用在海洋石油，天然气勘探、水声物理研究以及海洋渔业等领域。
光纤水听器基本参数
光纤水听器是一种用于监测水声信号的设备，它通常用于海洋
科学研究、海洋资源勘探、水下通信等领域。
光纤水听器的基本参
数包括以下几个方面：
1. 接收频率范围，光纤水听器的接收频率范围通常是其重要的
基本参数之一。
它决定了水听器能够接收到的水声信号的频率范围，一般来说，光纤水听器的接收频率范围可以覆盖从几十Hz到几十
kHz的水声信号。
2. 灵敏度，光纤水听器的灵敏度指的是在单位输入信号下，水
听器能够输出的电信号强度。
灵敏度高的水听器能够更好地捕捉微
弱的水声信号，因此灵敏度是评价水听器性能优劣的重要参数之一。
3. 噪声水平，噪声水平是指水听器在没有输入信号时本身产生
的噪声电平。
低噪声水平能够提高水听器对微弱信号的检测能力，
因此噪声水平也是评价水听器性能的重要参数之一。
4. 动态范围，光纤水听器的动态范围是指在输入信号强度变化
较大时，水听器能够正常工作的范围。
动态范围大的水听器能够在
强信号和弱信号共存的环境下有效工作，因此动态范围也是评价水
听器性能的重要参数之一。
5. 频率响应特性，光纤水听器的频率响应特性描述了在不同频
率下水听器的灵敏度表现。
良好的频率响应特性能够使水听器在不
同频率下都有较好的信号接收能力。
综上所述，光纤水听器的基本参数包括接收频率范围、灵敏度、噪声水平、动态范围和频率响应特性等，这些参数直接影响着水听
器的性能和适用范围。
在选择和应用光纤水听器时，需要根据具体
的使用需求来综合考虑这些参数。
光纤水听器及阵列综述马宏兰周美丽（天津师范大学电子与通信工程学院）摘要：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下声传感器 ,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。
全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术。
具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点。
文章简述了光纤水听器的发展历史、现状 ,论述了光纤水听器阵列的原理及其应用前景。
关键词：光纤水听器多路复用技术阵列0引言：在光纤水听器的实际应用中，由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的详细信息，因而需要将数百乃至上千个探测基元组成大的阵列，以获得更多水声场信息，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位与指向。
在2003年8月下水的美国最新型攻击核潜艇上，装备的舷侧阵就由2 700个光纤水听器基元组成【1】。
对于大规模的光纤水听器阵列，多达数十上百基元的光纤水听器光信号都是由同一根光纤传输的，在实际系统中，这种性能就是由光纤水听器的多路复用技术实现的。
可见多路复用是光纤水听器的核心技术。
1 光纤水听器的开发自1976年美国Bucar等人发表第一篇有关光纤水听器的论文【2】以来, 各工业发达国家的海军研究部门以及有关的研究和工业部门都在积极从事光纤水听器的研究和开发,尤其以美国最为突出。
美国海军研究实验室、美国海军研究生院和Litton制导和控制公司等先后研究开发了Maeh一Zehnder、Michelson干涉仪的光纤水听器, 主要结构有心轴型、互补型(推挽式) 、平面型和椭球弯张式等光纤水听器。
这些结构水听器达到的归一化灵敏度(△。
/ 。
△P）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下声传感器 ,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。
