光纤水听器浅析

兵工自动化自动测量与控制O.I.Automation2007年第26卷第1期AutomaticMeasurementandControl2007,Vol.26,No.1·76·文章编号：1006-1576（2007）01-0076-03光纤水听器浅析王金玉1,2，张玲1，隋青美1，常军2（1.山东大学控制科学与工程学院，山东济南250061；2.山东省科学院激光研究所，山东济南250014）摘要：光纤水听器按传感原理分为强度型、干涉型和光纤光栅型等。强度型光纤水听器，根据光纤微弯损致使光功率变化。干涉型光纤水听器基于光学干涉，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。光纤光栅型光纤水听器基于原理，其传感光栅周围的应力随水中声压变化。关键词：光纤水听器；原理；强度型；干涉型；光纤光栅型中图分类号：TP212.14文献标识码：AAnalysisofOpticFiberHydrophoneWANGJin-yu1,2,ZHANGLing1,SUIQing-mei1,CHANGJun2(1.SchoolofControlScience&Engineering,ShandongUniversity,Ji’nan250061,China;2.InstituteofLaser,ShandongAcademyofScience,Ji’nan250014,China)Abstract:Accordingtothesensingprinciple,theopticfiberhydrophoneincludesthelight-intensitymodulationhydrophone,interference,andFGB.Thelight-intensitymodulationhydrophonechangestheopticalpowerbasedonmicro-bending.Theinterferencehydrophoneisbasedonopticalinterference.Throughchangingthepressurefromunderwatersoundwavetofiber,changetherefractiveindexofopticalfibercoreorlength.Then,changetheopticaldistanceinopticalfiberandacquirethewatersoundwaveinformationbydetectingthephase.TheFBGhydrophoneisbasedonprinciple,thepressurearoundsensegratingchangeswiththeunderwatersoundpressure.Keywords:Opticfiberhydrophone;Principle;Light-intensitymodulation;Interference;FBG0引言光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，信号的传感与传输皆基于光纤技术，具有抗电磁干扰、体积小、重量轻等特点。故就其原理以简述。1光纤水听器的原理光纤水听器按原理分为强度型、干涉型和光纤光栅型等。其中干涉型已开始由实验室走向应用，而光纤光栅型则是当前研究的热点。1.1强度型光纤水听器原理强度型光纤水听器基于微弯损耗原理，根据光纤微弯损耗导致光纤中的传输模以辐射模的形式损耗，进而导致光功率变化原理制成。图1(a)是基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器[1]。先用Ф0.127mm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，并与相应锥形外套相配合。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，实现水声检测。图1(b)是引入位移型光纤水听器[2]。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。图1(c)是基于反射系数调制的光纤水听器[3]。在声压信号作用下，周围液体的密度改变，进而导致液体折射率变化，造成水中光纤端面处光反射系数的改变而实现对水声信号的检测。图1(d)是基于单模光纤耦合器声光调制技术的光纤水听器[3]。其工作波长650nm，选经特殊工艺制作的3dB单模光纤耦合器，以PZT发射传感器收稿日期：2006-08-22；修回日期：2006-10-29基金项目：中国奖学金委员会；中国自然科学基金（60677027）；山东省自然基金（Y2006G08）；山东省科学院博士基金（2005-79）作者简介：王金玉（1981-），女，山东人，山东大学在读硕士，从事光纤传感技术与应用研究。兵工自动化自动测量与控制O.I.Automation2007年第26卷第1期AutomaticMeasurementandControl2007,Vol.26,No.1·77·为声源，与传感探头左右并列放置。另一只PZT传感器作参考，与传感探头上下并列放置，并垂直于声波波前方向。其灵敏度达5.2mV/Pa结构简单，器件少，但灵敏度会受光纤弯曲、振动等而波动。强度型光纤水听器不需解调装置，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。1.2干涉型光纤水听器原理（图2）[4~6]图2(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2(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。图2(c)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2(d)是基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理图。该型光纤水听器由1个3×3光纤定向耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播激光经信号臂时对称性被破坏，形成相位差，返回光纤定向耦合器时干涉，转化为光强信号，经光电转换及信号处理得到声信号。基于Sagnac干涉仪光纤水听器的优点：①光源的相位噪声将不转换为系统的强度噪声，而基于Michelson及Mach-Zehnder干涉仪，其光源相位噪声将转换为系统噪声；②不要求窄带光源，可用宽带超荧光光源代替；③偏振衰落被昀小化。但基于Sagnac干涉仪的光纤水听器也有缺点，如低频不敏感，进行多路复用时困难较大。以双光束干涉为例，干涉后的光信号经光电转换后可写成[5]：)(cosII2III0ns21210φ+φ+φ++=(1)其中：ф0为干涉仪的初始相位，是个常量；фn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：cnl2νπ=φ(2)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：)llnn(cnl2νν∆+∆+∆νπ=φ∆(3)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：pk)ll()cnl2(s⋅=∆⋅νπ≈φ∆(4)其中k是比例系数。1.3光纤光栅型光纤水听器原理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[7]。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=λeffB2n(5)式中：λB为FBG的中心反射波长；neff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neff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+∆∆=λ∆effeffB2nn2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∆neff、∆Λ与声压间的线性关系，即可获得声压变化信息。由于外界水声作用在光栅上产生的兵工自动化自动测量与控制O.I.Automation2007年第26卷第1期AutomaticMeasurementandControl2007,Vol.26,No.1·78·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[8]，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，如图3。光耦合器LD光隔离器OSA声学传感器振荡器功放水槽放大器示波器FBG光电探测器图3光纤光栅水听器实验原理图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[9]。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[10]。2结论光纤水听器由于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。参考文献：[1]ZhouS,ShengL,HuangS,etal.FiberOpticAcousticSensor[J].ActaofAcustics,1995,(20):469-472.[2]SpellmanWB,GravelRL.MovingFiber-OpticHydrophone[J].OpticsLett,1980,(5):30-31.[3]荣民,王兰勋,薛林,等.基于光强度调制技术的光纤水听器[J].光电器件,2003,24(3):174-177.[4]张仁和,倪明.光纤水听器的原理与应用[J].前沿进展,2004,33(7):503-507.[5]曹家年,包建新,李绪友,等.光纤水听器[J].光通信技术,1997,21(2):90-94.[6]唐继.Mach-Zehnder光纤干涉仪相位检测方案研究[J].传感技术学报,2000,(2):96-100.[7]A.D.Kersey,M.A.Davis,H.J.Patrick,M.L.K.P.Koo,C.G.Askins,M.A.Putnam,E.J.Friebele,etal.FiberGratingSensors[J].LightwaveTechnol,1997,(15):1442–1462.[8]TakahashiN,YoshimuraK,TakahashiS,etal.DevelopmentofanOpticalFiberHydrophonewithFiberBraggGrating[J].Ultrasonics,2000,38:581-585.[9]M.G.Xu,L.Reekie,Y.T.Chow,J.P.Da