光纖水聽器的研究與設計

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

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

關鍵詞：光纖水聽器 優點 研究

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1光纖水聽器的類型：強度調制型水聽器

相位調制型水聽器：相位調制型水聽器是指通過調制光纖中傳輸光的相位從而達到測量水下聲波信號的目的，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結構的光纖傳感器具有結構簡單，制作小巧等優點而很快受到關注。FPI光纖水聽器正是利用光纖端面和薄膜構成Fabry-Perot（F-P）干涉儀的兩個平行平面，當外界待測壓力或者聲波作用到傳感器上時，將會導致薄膜發生形變從而引起F-P腔腔長的變化，通過從傳感頭返回干涉強度中解調出腔長的變化即可實現對外界聲波的測量。

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隨外界參量變化而移動為原理。它不但繼承了傳統光纖水聽器探測靈敏度高、抗干擾抗腐蝕能力強、信號穩定便于全天候實時探測等特點，同時由于采用了FBG作為探頭，結構更小巧便于實現傳感微型化， 具有優良的選頻特性及聲敏特性，并且可以通過波分復用技術方便地實現多點分布式傳感。

2 FPI光纖水聽器的設計

本實驗采用的薄膜材料為實驗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。該實驗所用的薄膜半徑為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化為光纖端面與薄膜構成的兩個平面間引起的雙光束干涉。光纖FPI傳感器輸出信號的光強為： 式（1）中， 為光纖端面反射光強， 為經聚合物薄膜反射后耦合進入光纖端面的光強， 為光纖端面離聚合物薄膜的距離， 為待測聲音信號引起聚合物薄膜擾動量，從而引入相位調制。

3 光纖水聽器與壓電水聽器性能測試對比

在實驗過程中，窄帶激光器發出波長為1549.6nm的光信號，通過耦合器傳送到光纖水聽器，最后經過光電轉換，將光信號轉換成電信號用示波器觀測，我們將壓電水聽器與光纖水聽器同時接到示波器的不同通道上，觀察對比兩個水聽器檢測信號能力的大小。當驅動水下揚聲器的信號源為頻率1.7KHz的正弦波時，光纖水聽器與壓電水聽器接到的信號分別如圖1（a），（b）所示。

（a） （b）

圖1 水聲信號1.7KHz時，兩種水聽器接收到的信號。（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幅度和噪聲明顯優于實驗所用的壓電水聽器。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。

4 結論

光纖水聽器技術已經逐漸發展成熟，與傳統的壓電水聽器相比，光纖水聽器憑借著低噪聲、動態范圍大、抗干擾能力強、系統可靠性高、工程應用條件低等優點在軍事、民用工業、能源勘探以及水聲物理等眾多領域有廣泛的應用，應用前景十分廣闊。

參考文獻

[2] 王玉田，鄭龍江，張穎等.光纖傳感技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3] 王惠文等.光纖傳感技術與應用[M]. 北京：國防工業出版社，2001.