光纤水听器原理与应用综述.docx

光纤水听器原理与发呈现状袁虎邓华秋（华南理工高校物理系广州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。木文简介r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洁的介绍。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满意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探讨热点。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；FMCW5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。水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪涔.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，如用于海洋石油和自然气的勘探、地震预料、水声物理探讨、海洋气候以与渔业等众多方面。早期的水听器主要有压电陶窟制成的压电水听器。但随着应用的深化,基丁压电陶瓷传感元件的水听器出现了很多不足之处。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非常困难。正是由r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，人们研制出了种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的探讨始于冷战时期，由于反潜战的须要，美国海军起先了光纤水听器的探讨。1.23j1977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光纤水听器由于传感头部分不用运用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范用宽、稳定牢匏性高、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、便利构成大规模阵列等众多优点。所以，光纤水听器的探讨越来越受到各国的重视，2 .光纤水听辑原理光纤水听器是困难的光、机、电一体化传感器，现在己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洁原理。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更来解调出外界信号。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;反射系数调制的光纤水听器，基广耦合效率调制的光纤水听器。基于彼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°.图1基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器图1是基于螺旋变形器的微弯型光纤水听器。先用金属丝线以肯定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协作。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”。基于耦合效率调制的光纤水听器这种水听器是将两根相互平行、同轴放置的光纤彼此相隔段距离，其中一根光纤是固定的，另一根可以随外界声压引起的机械位移的作用而发生移动。使得两根光纤彼此相错，而导致两根光纤之间耦合效率的变更,如图2。图2基于耦合效率调制的光纤水听器T)基于反射系数调制的光纤水听器这种水听器是在声压的作用下，光纤端面处的光反射系数的变更而实现对水声信号的检测。图3中所给出的是Wurster等人研制的基于反射系数调制的光纤水听器试验系统。声压的上升会使得端面四周的液体压缩，而石英玻璃的可压缩性很低，可以被忽视，从而导致端面的折射率上升。由菲涅尔方程电声换能器多检玻瑞光灯图3基于反射系数调制的光纤水听器'可以得到端面折射系数的变更量为上曲一“叫nf+nw(p)J(".+%)(1)其中，勺为光纤纤芯的折射率，册(P)为在声压为下的液体折射率。，1.(I为无声压作用下的液体折射率。相比于其他类型的光纤水听器，强度调制型光纤水听器的结构简洁，系统中元件少，并旦不须要对信号进行解调就可以干脆得到有用的信息，信号处理非常简洁。但同时正是由于强度调制型光纤水听器是基于强度的变更来进行传感，因此外界的干扰，如光源的波动等，很简洁引起强度的干扰，从而造成该类光纤水听器抗干扰性差，精度也较低，并且也对这类传感器探头的加工与制作提出了更高的要求。2.2 干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器顾名思义就是基于光纤干涉仪原理而制作而成的光纤水听器。光纤水听器所探测的信号为水下目标发出或反射的声波，而水下声场的变更引起水压的变更，光纤水听器通过感应水压的变更来拾取水声信号。水声压对水听器的调制主要表现在两方面，一个是声波压力引起光纤轴向长度的变更导致的光相位变更；另一方面是光纤纤芯受声波压力作用时，由光弹效应产生应力双折射引起受力部分的折射率变更，同时纤芯受力时直径发生变更导致波导归化频率发生变更，这两个因素都会引起光纤传播常数变更，最终导致光相位发生变更。常见的干涉型光纤水听器可以分为:Miche1.son光纤干涉仪、Mach-Zahnder光纤干涉仪型、Fabry-Perot光纤干涉仪型和Sagnac光纤干涉仪型。传够Je图4干涉型光纤水听器图4(1)为MiChe1.Son型光纤干涉仪。由激光器发出的激光经3<iB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，另一路则构成参考瞥，供应参考相位，两束波经两瞥末端的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，经过信号处理就可以拾取声波的信息。这种结构的优点是参考臂和传感曾处于同一环境中，因此受到的环境干扰较小，同时属于单端操作，但必需保证进入两臂的光强相等。图4(2)是基于Mach-Zehender型光纤干涉仪。激光经3dB光纤耦合器分为两路，分别经过传感耨与参考臂，由另一个耦合器合束发生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。这种结构的特点是灵敏度较高，并且激光光源和光探测器不在同恻，避开了返回光对光源的影响。它的缺点是结构相对困难，安装困难。并且须要参考皆，而般状况卜它不和测量光纤安装在同一位置“叫这就使得输入输出臂不对称，从而导致测量的不稳定。图4(3)是基J-Sagnac干涉仪的光纤水听器。激光器发出的光经耦合器分为两束，当光纤环中的信号皆受外界场的扰动时对称性被破坏，两束光在耦合器重新合路时发生干涉，解调该信号即可曳原出声信号。两束光在光电转换器处的干涉信号为M/=n1.+cos(jwsin69rt1+S()+(2)其中，“Sinftv是PZT相位调制器产生的高频相位载波信号；n,是高频载波引起的相位振幅；5是载波的角频率；W为干涉信号初始相位；S(t)为由于管道中流体泄漏导致干涉仪中的两束光相位被调制而产生的相位差，是时变信号U1.图4(4)是基于法布里-珀罗干涉原理的光纤水听器g.它的传感部分是由一块固定的高反镜和一块可移动的高反镜组成，两者相互平行，且这两块高返镜的反射系数一般都大J：90守川。这种光纤水听器的原理是激光器输出的大部分光将朝着激光器反射回来，余下的光透过高反镜进入干涉仪的谐振腔内.当这部分透射光到达右面的高反镜时，它的大部分光又将朝着左面的平面镜反射回来，而再次余卜.的光将透过右面的高反镜入射到光探测器.这部分光将与在两面高反镜之间接连多次来回反射的光合并。所以入射到光探测器中的光是各种光干涉的结果，当可移动的高反镜受到声场作用后，谐振腔腔长就会发生变更，从而引起反射光之间的相位差变更，通过解调该信号就可以复原出声信号。这种光纤水听器结构的特点是采纳单根光纤利用多束光干涉来检测由声压引起的应变。它避开了前两种传感器需两根光纤配对的问题，并且可以把体枳做得较小，简洁实现阵列拖拽，而且比MiChC1.SQn干涉型光纤水听器更适合于低频水声信号测量。它的缺点是制作工艺难度较大，尤其是光纤端面反射镜的加工。2.3光栅型光纤水听器在新型光纤水听器中，以光纤FBG或光纤光栅激光器作为传感元件水听器的研制也己起先。大量探讨工作表明，采纳FBG研制的水听器相对于干涉型水听器，具有如卜.优点：FBG水听器是波长检测型器件，波长在传输过程中是基本不变的，水听器的牢靠性和稳定性更简洁得到保证：FBG本身或光纤光栅激光器本身尺寸小，很简洁做成点式水听器来运用；基于波分复用技术(WDM)更容易组成水听器阵列：通过FBG水听答探头结构增敏，并配以高辨别率波长检测技术，特殊是采纳光纤光栅激光器这种信噪比极高的波长选择性器件可以达到极高的灵敏度。所以，FBG水听器或光纤光栅激光器有比干涉型水听器更为优越的性能，是光纤水听器的一个重要发展方向”。FBG水听器或光纤光栅激光水听器的探讨主要集中在：探头技术、关键光纤器件制作技术以与高辨别率FBG波长检测技术。其中由于外界声场导致的光栅中心波长漂移量很小，因此如何提高光纤光栅型光纤水听器的乂敏度是近几年的探讨热点。光栅型光纤水听器调制原理光纤光栅的布拉格中心波长是由纤芯折射率和栅格周期所确定的。其反射中心波长可由下式确定R儿=2%A(3)当光栅四周的温度或应力发生变更时，将导致光栅距周期与纤芯折射率的变更，从而使光纤布拉格光栅中心波氏发生移动，如下式所示”：ia=2AA+2印AA(4)当外界声压作用光纤光栅时，会使光纤光栅发生微小的形变。这种形变，会引起光纤光栅的栅格周期或折射率分布发生变更，从而使其反射谱或透射谱的中心波长发生移动。因而经过光纤光栅透射或反射的光就携带了外界压力的变更信息，也就是被外界压力所调制。Pressure!U1.FBG、mu图5光纤光栅水听器原理当光纤光栅用作水听器传感时，设光纤光栅的反射函数为砍4)，则光通过光纤光栅反射后的光强为？=匕R(。假如声压作用在光纤光栅上，光纤会因为本身的弹性而产生物理性的伸长或压缩，从而反射率也由于光纤弹光效应而产生变更。这两个物理效应使得光纤光栅反射布拉格波长移动。由于声压作用造成的布拉格反射波长移动通常很小，因此可认为其与施加的声压成比例。设声压的表达式为：P=PaSin(1)I(5)式中心和如分别是声压的幅度和角频率。此声压作用于光纤光栅上，将影响光纤光栅的反射光中心波长产生相应的变更，如下式：Ra)=()Z+.PaSinxt(6)对于波长解调系统来说，其输出光强应当是光纤光栅中心波长的函数。即当光纤光栅反射中心波长发生移动时，其输出光强也应发生相应的变更。由于水听器传感光纤光栅反射中心波长的移动很小，因此，我们认为波长解调系统的输出光强的变更与光纤光栅反射中心波长的移动是呈线性关系的。则有：PT=-Ra)(7)式中匕是入射进传感光纤光栅的光强值，因此最终可以得到：Pr=匕犬(，).+,而PASE(8)从上式我们可以看到波长解调系统的输出光强的沟通部分和作用在传感光纤光栅上的声压成比例0.FBG光橱型光纤水听器信号解调方案裸光纤光栅对压力的灵敏程度很低，在70MPa的高压下，裸光纤光栅的压力灵敏度系数仅为0.007nmMPa,因此很难干脆通过视察FBG波长变更来检测微弱的水卜信号，必需采纳灵敏度很高的解调方法。可以通过不同方法提取出变更微弱的光信号，从而实现村水下FBG所处的微弱声场的检测。这些解调方法包括：光强调制法、FBG增敏法、光纤光栅对匹配法和光纤光栅激光器法(DFB或DBR型光纤激光器)皿”。2. 3.2.1,光强调制法IJ)Pn图6激光光强调制法FBG水听器系统结构激光光强调制法的系统结构如上图所示。将FBG悬于蒸储水中，水池四壁采纳消声材料，最大限度汲取多余声波，削减反射声场对FBG的影响。水池底部放置水声换能器，将音频信号放大输出。由;声波是纵波，这样放置可以进步减小水池四壁反射的影响。1.D激光光源将入射光注入到FBG内，透射光谱经光电二极管转换并放大后，由频谱分析仪进行分析获得声压信号光纤Bragg光栅的带宽通常比较窄。在其带宽范闱内，将入射激光波长调到FBG中心波长两侧光谱斜率较大处，则光谱的微小漂移就可以引起投射光强较大的变更。由:在旁边光谱随波长的变更近似为线性，相应的也与FBG所受声压成正比。通过检测FBG的透射光谱，就可以实现对水5声压的监控.2FBG增敏法对FBG进行声熠敏聚合物的封装,将弹性聚合物材料与FBG紧密结合，可以增大FBG的灵敏度，使波长漂移更加明显。在厚壁刚性金属外套圆筒内壁将声敏感聚合物固化，将光纤光栅苴于圆筒轴线上，并固定于声敏感聚合物中。这样只有开口方向的声波压力才能对声敏聚合物弹性体产生轴向应力，其他方向的压力都会被金属套筒屏蔽掉。文献表明，这种增敏方法可以使BG探头的压力灵敬度比裸光纤时增大2471倍。在静态压力P的作用下，封装于声增敏聚合物中的MG的波长变更可表示为M)=M-4争(%+几)/+%(9)式中小、£r分别为光栅的轴向和径向应变。除聚合物金属圆筒封装法，还可以采纳膜片法对FBG增敏。将FBG固定于金属或聚合物弹性膜片上。当水声换能胖发出声信号时，声信号在水中传播到膜片使膜片发生较明显的形变，膜片的形变产生应力使FBG发生纵向形变后，导致FBG的反射波长发生较明显的变更。通过检测光栅反射波长的变更，同样可以便利的获得相应的水声信号。.3光纤光樨对匹配法图7光纤光栅对匹配法水听器系统结构PD=*RBIRB22：高必（2在光纤光栅对匹配法水听器系统中*BG1.和1.'BG2为匹配光纤光栅对。所谓匹配光纤光栅对，就是指这两个光纤光栅的性能参数都接近。宽带光源发出的光经FBG1.投射后，被置于水中的FBG2反射，然后耦合并经光电转换输出到频谱分析仪。这里光电接收管所接受的光功率事实上是FBG2的反射谱和FBG1.的透射谱在频域上的卷积3叫可以表示为：1- IAyIm=：expMIn2上y1.,+;,i+丸2(10)式中，心、心2分别为FBG1.和FBG2的峰值反射率，又用、Zjtt分别为FBG1.和FBG2的中心波长,2fi1.分别为FBG1和FBG2的3dB带宽。为经过耦合器的光能利用率。由文献24的分析可知，系统的波长检测辨别率主要取决于输出光功率谱曲我的波氏测量乂敏度费和测量系统的最小可探测功率M,用公式可以表示为(11) 式中最小可探测功率的定义为信噪比为1时，系统可接收的功率，主要由光电探测器的响应度、暗电流与接收电路的特性确定。当BG2在水中受到声压作用反射谱发生漂移时，透过EBG1.的光功率就会发生较为明显的变更，进而在频谱分析仪上反应出来。这种方法采纳宽带光源，对FBG光谱形态的要求比激光光强调制法更低些，更便于实现。.4光梯光纤激光器法光纤光栅激光器法是指采纳FBG构成DBR(distributedBraggref1.ector)或DFB(distributedfeedback)两种光纤光栅激光器,通过检测在声压作用下，光纤光栅激光器输出的正交模式构成的拍频以与边带的幅度和频率，同样可以构成反映水下声场的分布。资料表明，由光纤光栅激光器制作的水听器在IkHz时灵敏度可达到-69dBPa。与前而二种方法相比，光栅光纤激光器法的原理和结构更困难.解调难度也大一些3分布传感式光纤水听器目前大多数光纤传感都是“点式传感”，测量范围均局限在一些离散的区域，一般都要增加很多传感单元来扩展它的测量范围。成本、困难性与其脆弱性均限制了这种传感技术的广泛应用，而能够年盖整个光纤长度的可连续传感的“分布式传感技术”自然受到了更大的重视和青睐。绝大多数分布式传感器都是基于光时域反射(OTDR),系统的基木原理就是探测、分析反射回来的短脉冲光，但通常都无法解决动态距离和空间精度之间的冲突。削短耦合进光纤中的光脉冲以与加宽测量带宽都能够提高空间精度，但也会同时增加信号噪声和降低测量的距离实际应用证明，一种最可行代替OTDR的分布式传感技术就是雷达应用中的相干调频连续被技术(FrequencyModu1.atedContinuousWave,FMCW)它的基木原理是激光器围绕激光的中心频率不断调制，通过耦合一部分光进入一个参考臂起到本机振荡器的作用，另一根长距离的光纤起着传感单元的作用。从传感部位反射回来的光信号与来白本机振荡器上的光一起干涉产生一个拍频，来自远处的传感信息就可以在光谱分析仪上测量光电流的拍频可以解读，这种相干探测能够简洁地区的-100dB的灵敏度。同时，光电流的拍频信号与返回来的激光功率和本级振动光束的平方根成正比，木机振动光还有利于放大探测信号。总的来说FMC1.V技术可以总结为2个部分：1.载波信号的产生；2.信号的解调。与OTDR技术比较，FMCW的主要优势在于其卓越的稳定性，它能够在几公里的测量距离上达到电米量级的空间精度，然而该技术是建立在激光具有很长的相干距离以与它的频率能够成线性连续调制.这种分布式传感系统能够在广袤的被测区域内实现极高的测量精度，而这是一般光纤传感技术所无法达到的要求。该系统中最关键的设备是激光器。光纤激光器具有线宽窄、相干距离长、稳定性高、输出功率大以与可调谐范围光等特点，因此它不仅自身可以作为传感器，而且也可以作为优质的传感器光源。目前主要有DBR和DFB光纤激光器。刻于传统的DBR激光器通过放大后可以实现较大的输出功率，但是作为提高功率代价的是它的线宽达到/200500kHz:相反的，传统的DFB可以实现较窄的线宽，但输出功率却只能达到几亳瓦。因此研制同时兼有窄线宽和高输出功率的光纤激光器成为解决这个冲突的最佳方法，而现有技术条件下的光纤激光器正好可以解决这个问题。目前研制出来的具有较好性能的光纤激光器，是采纳高浓度的钳/镣共掺光纤作为增益介质，线宽可窄至几kHz,频率稔定性达到VHZ级，热调谐范围可达GHz,连续线性PZT调制范围可达100MHz,干脆输出功率也可实现几百mk这种激光器由于线宽窄，传感的长度也可实现几十公里，大大增加了传感距离,"I4光纤水听器探讨进展"54.1 国内探讨进展我国的光纤水听器探讨已取得较大的进展，在若干技术指标上已达到目前国际水平，但是主要处于理论和试验室的层次，好用化、工程化的水听器还未见报道。代表性的匚作有：浙江高校1997年申请/国家自然科学基金研制了马赫-泽德干涉仪型的PGC单元光纤水声传感器，在国家一级测量站取得了较好的测试结果，其灵敏度在630HZ时达到了-134dB.1998年上海交通高校研制的干涉型单元水听器，其水声灵敏度为760dB,加速度灵敏度为TodB。还有中国船舶总公司进行的单位光纤水听器的“八五”国防预研项目探讨，中科院与信息产业部的一些探讨所和哈尔滨工程高校、国防科技高校等单位也都正在开展相关探讨工作。在传感理论探讨方面，以一些高校和中科院等探讨单位等为代表，在光纤的光敏性、成栅机理.、光波传输规律等方面进行了深化探讨，在光纤光栅传感的关键技术方面侧重于光纤光栅的温度、应变、扭矩等参量的区分测量探讨，另外一些高校侧重于传感器的封装和埋覆探讨：重庆高校侧重于光纤光栅（主要是长周期光纤光栅）传感的应用探讨：清华高校、北京品傲公司在光纤光栅解调方面取得了显著的成果。在实际工程应用方面，哈尔滨工业高校、香港理工高校、上海紫栅公司已完成将光纤光栅传感系统用于呼兰河、卢浦等桥梁的结构检测；清华高校、武汉理工高校、西安石油高校、中山高校等开展r将光纤光栅用于压力、温度、液体、电流等参量的测量工作。4.2 国外探讨进展正是由光纤水听器在军事领域的广泛领域美国海军1986-1990年财政年度用J：反潜战光纤技术的预算达8000万美元，其中大部分用在光纤水听器的探讨开发上。二十世纪80年头末到90年头初，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。1988年6月，美国海军探讨试验室制定了潜艇用“光纤水听器系统标准”°1990年6月美国海军研制了两个基于心轴型的迈克尔逊干涉仪结构的水听器，一个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，水听器的工作带宽在64Hz-50kHz范围内.由于光纤水听器几何形态的适应性，所以不仅可制成很长的线性传感器，而且还可制成匀称紧贴舰体的共形传盛器。近年来，美国海军探讨试验室把主攻方向集中在三个方面：（D中频工作的声透亮薄形大面积水听器和高频、小面积平面水听器：（2）用于海底水声监测的宽带（广50kHz）,高灵敏度，且能工作在浅海和深海的光纤水听器；（3）用于声纳浮标标阵列的廉价光纤水听器。与此同时，北大西洋公约组织下属的欧洲安排小组最近批准一项生产探讨安排，要求英、法、荷所属重点水域运用光纤水听器，加拿大国防部已将光纤水听器用于北极监视和海卜.监视系统的建议列入预先探讨安排加'二5结论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洁的介绍。强度型光纤水听器的结构和原理相对简洁，但是强度调制型光纤水听器简洁受到外界的十扰，特殊是光源波动的干扰。干涉型光纤水听器是基于光纤干涉仪原理的一种水听器，拥有较高的测量精度C干涉型光纤水听器主要有四种结构：M-Z型、MiCheISon型、F-P型和SagnaC型。其中MiChe1.SOn和M-Z型光纤水听器的运用较为广泛。光栅型光纤水听器是一种近年来的探讨热点，由于其具有稳定性高、且用性高等特点而受到广泛的关注，它是利用光栅对外界干扰所导致的反射中心波长的移动来进行传感。但是光栅型光纤水听器由其灵敏度低，因此提高探测灵敏度成为了一项关键的技术，同时也须要采纳更为优化的信号处理和解调方法来提出去微弱信号。文中简介了四种解调方案：光强调制法、FBG增敏法、光纤光栅对匹配法和光纤激光器法。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满意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探讨热点。文中介绍了对比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。其中FMCW由于其较高的稔定性和精度而受到关注。与此同时由于光纤激光器的发展，其良好的单色性和稔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。参考文献1沈洪，罗辉.光纤水听器传感技术与应用J,传感世界，2007,42 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