光纖水聽器的研究與設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：梁博，女，漢族，（1990-10），遼寧省昌圖縣，廈門大學(xué)碩士研究生，研究方向：電子工程系電磁場(chǎng)與微波

摘要：隨著水聽器技術(shù)的發(fā)展，光纖水聽器是基于光纖、光電子技術(shù)的一種新型水聽器，光纖水聽器具有靈敏度高、頻帶寬、等優(yōu)點(diǎn)，特別適合在空間受限、易爆等惡劣環(huán)境下使用[1-2]。光纖水聽器從基本原理上可分為強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和光纖光柵型。強(qiáng)度調(diào)制型水聽器是指通過調(diào)制光纖中傳輸光的強(qiáng)度從而達(dá)到測(cè)量水下聲波信號(hào)的目的。這種類型的光纖水聽器在很久以前便受到關(guān)注，研究開發(fā)較早，主要調(diào)制形式有光纖微彎式、光纖絞合式、受抑全內(nèi)反射式及光纖光柵式等。

關(guān)鍵詞：光纖水聽器 優(yōu)點(diǎn) 研究

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1光纖水聽器的類型：強(qiáng)度調(diào)制型水聽器

相位調(diào)制型水聽器：相位調(diào)制型水聽器是指通過調(diào)制光纖中傳輸光的相位從而達(dá)到測(cè)量水下聲波信號(hào)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，也稱為干涉式水聽器。

由Kent A. Murphy等人提出的基于F-P結(jié)構(gòu)的光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作小巧等優(yōu)點(diǎn)而很快受到關(guān)注。FPI光纖水聽器正是利用光纖端面和薄膜構(gòu)成Fabry-Perot（F-P）干涉儀的兩個(gè)平行平面，當(dāng)外界待測(cè)壓力或者聲波作用到傳感器上時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致薄膜發(fā)生形變從而引起F-P腔腔長(zhǎng)的變化，通過從傳感頭返回干涉強(qiáng)度中解調(diào)出腔長(zhǎng)的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界聲波的測(cè)量。

光纖光柵型水聽器：光纖光柵水聽器是以光柵的諧振耦合波長(zhǎng)隨外界參量變化而移動(dòng)為原理。它不但繼承了傳統(tǒng)光纖水聽器探測(cè)靈敏度高、抗干擾抗腐蝕能力強(qiáng)、信號(hào)穩(wěn)定便于全天候?qū)崟r(shí)探測(cè)等特點(diǎn)，同時(shí)由于采用了FBG作為探頭，結(jié)構(gòu)更小巧便于實(shí)現(xiàn)傳感微型化， 具有優(yōu)良的選頻特性及聲敏特性，并且可以通過波分復(fù)用技術(shù)方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式傳感。

2 FPI光纖水聽器的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用的薄膜材料為實(shí)驗(yàn)室特有的一種聚合物薄膜。用這種材料可以制得面積比較大的薄膜，從而提高FPI光纖水聽器的靈敏度。該實(shí)驗(yàn)所用的薄膜半徑為2.5mm，因反射率較低，所以F-P光纖水聽器的工作原理可以簡(jiǎn)化為光纖端面與薄膜構(gòu)成的兩個(gè)平面間引起的雙光束干涉。光纖FPI傳感器輸出信號(hào)的光強(qiáng)為： 式（1）中， 為光纖端面反射光強(qiáng)， 為經(jīng)聚合物薄膜反射后耦合進(jìn)入光纖端面的光強(qiáng)， 為光纖端面離聚合物薄膜的距離， 為待測(cè)聲音信號(hào)引起聚合物薄膜擾動(dòng)量，從而引入相位調(diào)制。

3 光纖水聽器與壓電水聽器性能測(cè)試對(duì)比

在實(shí)驗(yàn)過程中，窄帶激光器發(fā)出波長(zhǎng)為1549.6nm的光信號(hào)，通過耦合器傳送到光纖水聽器，最后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)用示波器觀測(cè)，我們將壓電水聽器與光纖水聽器同時(shí)接到示波器的不同通道上，觀察對(duì)比兩個(gè)水聽器檢測(cè)信號(hào)能力的大小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)水下?lián)P聲器的信號(hào)源為頻率1.7KHz的正弦波時(shí)，光纖水聽器與壓電水聽器接到的信號(hào)分別如圖1（a），（b）所示。

（a） （b）

圖1 水聲信號(hào)1.7KHz時(shí)，兩種水聽器接收到的信號(hào)。（a） 光纖水聽器；（b）壓電水聽器

從圖1可以看出FPI光纖水聽器接收到的信號(hào)幅度和噪聲明顯優(yōu)于實(shí)驗(yàn)所用的壓電水聽器。因此，與壓電水聽器相比，光纖水聽器有靈敏度高，噪聲小的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

光纖水聽器技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比，光纖水聽器憑借著低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性高、工程應(yīng)用條件低等優(yōu)點(diǎn)在軍事、民用工業(yè)、能源勘探以及水聲物理等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[2] 王玉田，鄭龍江，張穎等.光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3] 王惠文等.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.