光纤水听器的研究与设计

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作者简介：梁博，女，汉族，（1990-10），辽宁省昌图县，厦门大学硕士研究生，研究方向：电子工程系电磁场与微波

摘要：随着水听器技术的发展，光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器，光纤水听器具有灵敏度高、频带宽、等优点，特别适合在空间受限、易爆等恶劣环境下使用[1-2]。光纤水听器从基本原理上可分为强度调制型、相位调制型和光纤光栅型。强度调制型水听器是指通过调制光纤中传输光的强度从而达到测量水下声波信号的目的。这种类型的光纤水听器在很久以前便受到关注，研究开发较早，主要调制形式有光纤微弯式、光纤绞合式、受抑全内反射式及光纤光栅式等。

关键词：光纤水听器 优点 研究

中图分类号：TN929 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1光纤水听器的类型：强度调制型水听器

相位调制型水听器：相位调制型水听器是指通过调制光纤中传输光的相位从而达到测量水下声波信号的目的，主要包含有Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式、Sagnac干涉式等，也称为干涉式水听器。

由Kent A. Murphy等人提出的基于F-P结构的光纤传感器具有结构简单，制作小巧等优点而很快受到关注。FPI光纤水听器正是利用光纤端面和薄膜构成Fabry-Perot（F-P）干涉仪的两个平行平面，当外界待测压力或者声波作用到传感器上时，将会导致薄膜发生形变从而引起F-P腔腔长的变化，通过从传感头返回干涉强度中解调出腔长的变化即可实现对外界声波的测量。

光纤光栅型水听器：光纤光栅水听器是以光栅的谐振耦合波长随外界参量变化而移动为原理。它不但继承了传统光纤水听器探测灵敏度高、抗干扰抗腐蚀能力强、信号稳定便于全天候实时探测等特点，同时由于采用了FBG作为探头，结构更小巧便于实现传感微型化， 具有优良的选频特性及声敏特性，并且可以通过波分复用技术方便地实现多点分布式传感。

2 FPI光纤水听器的设计

本实验采用的薄膜材料为实验室特有的一种聚合物薄膜。用这种材料可以制得面积比较大的薄膜，从而提高FPI光纤水听器的灵敏度。该实验所用的薄膜半径为2.5mm，因反射率较低，所以F-P光纤水听器的工作原理可以简化为光纤端面与薄膜构成的两个平面间引起的双光束干涉。光纤FPI传感器输出信号的光强为： 式（1）中， 为光纤端面反射光强， 为经聚合物薄膜反射后耦合进入光纤端面的光强， 为光纤端面离聚合物薄膜的距离， 为待测声音信号引起聚合物薄膜扰动量，从而引入相位调制。

3 光纤水听器与压电水听器性能测试对比

在实验过程中，窄带激光器发出波长为1549.6nm的光信号，通过耦合器传送到光纤水听器，最后经过光电转换，将光信号转换成电信号用示波器观测，我们将压电水听器与光纤水听器同时接到示波器的不同通道上，观察对比两个水听器检测信号能力的大小。当驱动水下扬声器的信号源为频率1.7KHz的正弦波时，光纤水听器与压电水听器接到的信号分别如图1（a），（b）所示。

（a） （b）

图1 水声信号1.7KHz时，两种水听器接收到的信号。（a） 光纤水听器；（b）压电水听器

从图1可以看出FPI光纤水听器接收到的信号幅度和噪声明显优于实验所用的压电水听器。因此，与压电水听器相比，光纤水听器有灵敏度高，噪声小的特点。

4 结论

光纤水听器技术已经逐渐发展成熟，与传统的压电水听器相比，光纤水听器凭借着低噪声、动态范围大、抗干扰能力强、系统可靠性高、工程应用条件低等优点在军事、民用工业、能源勘探以及水声物理等众多领域有广泛的应用，应用前景十分广阔。

参考文献

[2] 王玉田，郑龙江，张颖等.光纤传感技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[3] 王惠文等.光纤传感技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2001.