光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過高靈敏度的光學(xué)相干檢測(cè)，將水聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)信息。光纖水聽器具有靈敏度高，頻響特性好等特點(diǎn)。由于采用光纖作信息載體，適宜遠(yuǎn)距離大范圍監(jiān)測(cè)。 光纖水聽器類型及特點(diǎn)：
調(diào)相型光纖水聽器
光纖水聽器是利用光纖的傳光特性以及它與周圍聲場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的種種調(diào)制效應(yīng)，在中接收水聲信號(hào)的儀器。
調(diào)相型光纖水聽器主要指干涉型光纖水聽器，它是基于光學(xué)干涉儀的原理構(gòu)造的。圖1是基于幾種典型光學(xué)干涉儀的光纖水聽器的原理示意圖。圖1(a)所示是基于Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖，激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路，分別經(jīng)過傳感臂與參考臂，由另一個(gè)耦合器合束發(fā)生干涉，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號(hào)。圖1(b)所示是基于Fabry-Perot光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。由兩個(gè)反射鏡或一個(gè)光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個(gè)Fabry-Perot干涉儀，激光經(jīng)該干涉儀時(shí)形成多光束干涉，通過解調(diào)干涉的信號(hào)得到聲信號(hào)。
調(diào)幅型光纖水聽器
強(qiáng)度型光纖水聽器基于光纖中傳輸光強(qiáng)被聲波調(diào)制的原理，該型光纖水聽器研究開發(fā)較早，主要調(diào)制形式有光纖微彎式等。微彎光纖水聽器是根據(jù)光纖微彎損耗導(dǎo)致光功率變化的原理而制成的光纖水聽器。其原理如圖2所示。兩個(gè)活塞式構(gòu)件受聲壓調(diào)制，它們的頂端是一帶凹凸條紋的圓盤，受活塞推動(dòng)而壓迫光纖，光纖由于彎曲而損耗變化，這樣輸出光纖的光強(qiáng)受到調(diào)制，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)即可得到聲場(chǎng)的聲壓信號(hào)。
光纖光柵水聽器是典型的偏振型光纖水聽器，它是利用光纖光柵作為基本傳感元件，以光柵的諧振耦合波長(zhǎng)隨外界參量變化而移動(dòng)為基本原理來實(shí)現(xiàn)的。目前，光纖光柵水聽器典型的一種是基于光纖布拉(Bragg)光柵構(gòu)造，如圖3所示。當(dāng)寬帶光源(BBS)的輸出光波經(jīng)過一個(gè)光纖布拉格光柵(FBG)時(shí)，根據(jù)模式耦合理論可知，波長(zhǎng)滿足布拉格條件的光波將被反射回來，其余波長(zhǎng)的光波則透射，這樣就實(shí)現(xiàn)了水聲聲壓對(duì)反射信號(hào)光的波長(zhǎng)調(diào)制。所以，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)中心反射波長(zhǎng)偏移情況來獲得聲壓變化的信息。
無源光纖光柵水聽器是以刻寫在光纖上的單個(gè)光纖布拉格光柵(FBG)為傳感元件，如圖4所示，光纖光柵的載體為普通單模光纖，光纖內(nèi)部無摻雜，當(dāng)C波段寬帶光源(1535～1565nm)輸入到光纖光柵時(shí)，由于光纖光柵的窄帶反射特性，將后向反射回一個(gè)窄帶反射光，該反射光的中心波長(zhǎng)隨外界物理量的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化。當(dāng)FBG水聽器受外界聲壓作用時(shí)，其反射譜發(fā)生漂移，通過檢測(cè)反射波長(zhǎng)或功率解調(diào)出相應(yīng)的聲壓變化。
DBR 光纖激光器結(jié)構(gòu)由一對(duì)波長(zhǎng)匹配的FBG 作為諧振腔反射鏡和摻鉺光纖(EDF)作為激光器的增益介質(zhì)，如圖5、圖6所示。采用980nm泵浦激光入射到DBR激光諧振腔內(nèi)，經(jīng)泵浦的鉺離子形成粒子集居數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生受激輻射，該輻射通過光纖光柵諧振腔發(fā)射激光DBR 光纖激光器所發(fā)射的激光中心波長(zhǎng)與光柵本身的反射中心波長(zhǎng)相匹配。因此在受到外界物理量的作用時(shí)依然會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)的偏移，利用波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)和聲信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)即可解調(diào)出相應(yīng)的聲信號(hào)。
光纖水聽器自誕生以來，備受關(guān)注，由于其體積小，便于多路復(fù)用，并可以將多種傳感器集成在一起等顯明特點(diǎn)，二十年來，歐、美、英等國(guó)家相繼投入大量的人力和物力，使該技術(shù)在理論研究和應(yīng)用開發(fā)上都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。光纖水聽器技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，在軍事、能源勘探以及水聲物理等眾多領(lǐng)域獲得應(yīng)用，應(yīng)用前景十分廣闊。
上海市徐匯區(qū)虹梅路2007號(hào)6號(hào)樓3樓
info@auniontech.com
