光纤水听器原理与应用综述(1)

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。

光纤水听器原理与发展现状袁虎邓华秋（华南理工大学物理系广州510640）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。

在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满足现在的大规模集成化要求,因此分布式光纤水听器也是近期的研究热点。

文中介绍了两种分布式光纤水听器的技术方案，分别是OTDR和FMCW技术。

与此同时由于光纤激光器的发展，其良好的单色性和稳定性可以用于优良的光源，把它用到干涉型光纤水听器中可以极大程度的提高光纤水听器的性能。

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,如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。

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。

［2，3］1977年布卡诺等人发表首篇关于光纤技术的水声传感系统的论文[4].光纤水听器由于传感头部分不用使用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、灵敏度不受水流静压力和频率的影响、可以进行远距离测量、探头体积小、方便构成大规模阵列等众多优点。

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。

光纤水听器原理光纤水听器是一种利用光纤传感技术来实现水声信号的检测和传输的设备。

它主要由光纤传感器、光源、光电探测器和信号处理系统组成。

光纤传感器将水声信号转化为光信号，经过光纤传输到光电探测器，再由信号处理系统将光信号转化为电信号进行分析和处理。

光纤传感器是光纤水听器的核心部件，它利用光纤的折射特性来实现水声信号的检测。

光纤传感器一般由两根光纤组成，一根作为发送光纤，另一根作为接收光纤。

当水声信号通过水体传播时，会引起水体中的压力和密度的变化，进而改变光纤的折射率。

这种变化会导致光信号在光纤中的传播速度和路径发生改变，最终被接收光纤接收到。

光源是将电能转化为光能的设备，一般采用激光器或LED作为光源。

激光器具有高亮度、窄线宽和方向性好等特点，适合用于长距离传输。

而LED虽然功率较低，但价格便宜，适合用于短距离传输。

光电探测器是将接收到的光信号转化为电信号的设备，常用的光电探测器有光电二极管和光电三极管。

光电二极管是最简单和最常用的光电探测器，其光电转换效率较高，响应速度较快。

而光电三极管具有较高的增益和较低的噪声，适合用于较弱的光信号检测。

信号处理系统负责对接收到的光信号进行放大、滤波、调制和解调等处理，以提取出水声信号的相关信息。

信号处理系统一般由前端放大器、滤波器、调制解调器和模数转换器等组成。

前端放大器用于放大光电探测器输出的微弱电信号，滤波器则用于滤除杂散信号。

调制解调器则将电信号转化为数字信号，方便后续的数字处理。

光纤水听器的工作原理可以用以下几个步骤来描述：首先，光源发出一束光线，经过发送光纤传输到水中。

当水声信号通过水体传播时，会引起光纤折射率的变化，从而改变光信号在光纤中的传播速度和路径。

这种改变会导致光信号部分从发送光纤转移到接收光纤，最终被光电探测器接收到。

接收到的光信号经过信号处理系统的处理，最终得到水声信号的相关信息。

光纤水听器具有很多优点，如高灵敏度、宽频响范围、抗干扰能力强等。

光纤水听器原理与应用综述光纤水听器（Fiber Optic Hydrophone）是一种利用光纤传感技术来检测和测量水中声波的设备。

它是通过将光纤传感器嵌入水下环境中，借助光纤的特性来检测水中的声波信号并转化为光信号，最后通过光纤传输到接收器进行信号分析和处理。

光纤水听器的原理基于压电效应。

当水中有声波通过时，声波将引起水的压力变化，并通过压电效应对光纤产生变形。

光纤中的压电传感器将压力变化转化为光的强度变化，即声波信号转化为光信号。

这种光信号通过光纤传输到接收器，再经过光电转换器转化为电信号进行分析和处理。

光纤水听器具有多个优点。

首先，光纤水听器具有高灵敏度和宽频率响应范围。

其灵敏度可达到零点几帕斯卡，而频率响应可达到几百兆赫兹，适用于各种声波信号检测和测量。

其次，光纤水听器具有较好的抗干扰能力，由于光纤本身的特性，其信号传输受到外界电磁干扰影响较小。

此外，光纤水听器还具有体积小、重量轻、安装方便等特点。

光纤水听器在海洋学、水声学、海洋资源勘探等领域具有广泛的应用。

首先，在海洋学领域，光纤水听器可用于测量海洋中的声波，监测海洋环境的变化和海洋生物的声音。

可以用于研究海洋动物的迁徙、繁殖和行为，对研究海洋生态系统和保护海洋生物资源具有重要的意义。

其次，在水声学领域，光纤水听器可用于声学通信和水声定位等应用。

光纤水听器可以对水下通信信号进行接收和传输，并可以通过测量音波传播的时间和距离，实现水下目标的定位和追踪。

再次，在海洋资源勘探领域，光纤水听器可用于探测海底石油、天然气等资源的存在，并进行相关的勘探工作。

然而，光纤水听器也存在一些挑战和限制。

首先，光纤水听器目前的灵敏度和频率响应范围仍有一定的局限性，对于低频信号的检测和测量效果有待提高。

其次，光纤水听器在实际应用中需要保持水下环境的稳定和光纤的保护，以确保光纤传感器的正常工作和长期使用。

综上所述，光纤水听器是一种利用光纤传感技术来检测和测量水中声波的设备，具有高灵敏度、宽频率响应等优点。

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。