光纤水听器原理与应用综述

1光纤水听器原理与发展现状袁虎邓华秋（华南理工大学物理系广州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。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单的介绍。在现在的光纤水听器的应用中，点式的传感已不能满足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研究热点。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；FMCW；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[1]。水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。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，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震预测、水声物理研究、海洋气候以及渔业等众多方面。早期的水听器主要有压电陶瓷制成的压电水听器。但随着应用的深入，基于压电陶瓷传感元件的水听器出现了许多不足之处。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十分困难。正是由于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，人们研制出了一种基于光纤光电子技术的新型水听器-光纤水听器。它的研究始于冷战时期，由于反潜战的需要，美国海军开始了光纤水听器的研究。[2,3]1977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[4]。光纤水听器由于传感头部分不用使用电，而是通过光来传输信号，所以具有抗电磁干扰、电绝缘、动态范围宽、稳定可靠性高、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、方便构成大规模阵列等众多优点。所以，光纤水听器的研究越来越受到各国的重视[4]。2.光纤水听器原理2光纤水听器是复杂的光、机、电一体化传感器，现在已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单原理。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化来解调出外界信号。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，基于反射系数调制的光纤水听器，基于耦合效率调制的光纤水听器。2.1.1基于微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[6]。先用金属丝线以一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配合。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[4,5]。2.1.2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一段距离，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化[7]，如图2。输入光纤输出光纤声压3图2基于耦合效率调制的光纤水听器[7]2.1.3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改变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实验系统[8]。声压的上升会使得端面周围的液体压缩，而石英玻璃的可压缩性很低，可以被忽略，从而导致端面的折射率上升。由菲涅尔方程图3基于反射系数调制的光纤水听器[8]可以得到端面折射系数的改变量为[8]420,20,22)()()]([)]([)(nnnnpnnpnnRcccc(1)其中，cn为光纤纤芯的折射率，)(pn为在声压为p下的液体折射率。0,n为无声压作用下的液体折射率[8]。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单，系统中元件少，并且不需要对信号进行解调就可以直接得到有用的信息，信号处理十分简单。但同时正是由于强度调制型光纤水听器是基于强度的变化来进行传感，因此外界的干扰，如光源的波动等，很容易引起强度的干扰，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，而水下声场的变化引起水压的变化，光纤水听器通过感应水压的变化来拾取水声信号。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化导致的光相位变化；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化，同时纤芯受力时直径发生变化导致波导归一化频率发生变化，这两个因素都会引起光纤传播常数变化，最终导致光相位发生变化。常见的干涉型光纤水听器可以分为：Michelson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[9]。触发信号噪声探测器信号探测器激光二极管放大器示波器电声换能器3dB耦合器多模玻璃光纤水5激光器探测器耦合器反射镜传感器激光器探测器探测器耦合器耦合器传感器激光器探测器耦合器传感器激光器探测器(1)Michelson(2)Mach-Zehnder(3)Sagnac(4)Fabry-Perot传感器高反射率反射镜图4干涉型光纤水听器[9]图4(1)为Michelson型光纤干涉仪。由激光器发出的激光经3dB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，另一路则构成参考臂，提供参考相位，两束波经两臂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臂处于同一环境中，因此受到的环境干扰较小，同时属于单端操作，但必须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，分别经过传感臂与参考臂，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一侧，避免了返回光对光源的影响。它的缺点是结构相对复杂，安装复杂。并且需要一参考臂，而一般情况下它不和测量光纤安装在同一位置[10]，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)是基于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，当光纤环中的信号臂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，解调该信号即可恢复出声信号。两束光在光电转换器处的干涉信号为[11]]))(sincos(1[0tStIImm(2)其中，tmmsin是PZT相位调制器产生的高频相位载波信号；m是高频载波引起的相位振幅；m是载波的角频率；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[11]。图4(4)是基于法布里-珀罗干涉原理的光纤水听器[12]。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于90%[13]。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6的大部分光又将朝着左面的平面镜反射回来，而再次余下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往返反射的光合并。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化，从而引起反射光之间的相位差变化，通过解调该信号就可以恢复出声信号。这种光纤水听器结构的特点是采用单根光纤利用多束光干涉来检测由声压引起的应变。它避免了前两种传感器需两根光纤配对的问题，并且可以把体积做得较小，容易实现阵列拖拽，而且比Michelson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已开始。大量研究工作表明，采用FBG研制的水听器相对于干涉型水听器，具有如下优点: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，水听器的可靠性和稳定性更容易得到保证；FBG本身或光纤光栅激光器本身尺寸小，很容易做成点式水听器来使用；基于波分复用技术(WDM)更容易组成水听器阵列；通过FBG水听器探头结构增敏，并配以高分辨率波长检测技术，特别是采用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[14-21]。FBG水听器或光纤光栅激光水听器的研究主要集中在：探头技术、关键光纤器件制作技术以及高分辨率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灵敏度是近几年的研究热点。2.3.1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决定的。其反射中心波长可由下式确定[4]：effBn2(3)当光栅周围的温度或应力发生变化时，将导致光栅距周期及纤芯折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅中心波长发生移动，如下式所示[4]：effeffBnn22(4)当外界声压作用于光纤光栅时，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化，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化信息，也就是被外界压力所调制。7图5光纤光栅水听器原理[18]当光纤光栅用作水听器传感时，设光纤光栅的反射函数为)(R，则光通过光纤光栅反射后的光强为)(RPPinr。如果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化。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：tppAAsin(5)式中Ap和A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化，如下式：tpPRRRAApsin)()(0(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化。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化与光纤光栅反射中心波长的移动是呈线性关系的。则有：)(RPPinr(7)式中inP是入射进传感光纤光栅的光强值，因此最后可以得到：tpPRPRPPAAinpinrsin)(0(8)从上式我们可以看到波长解调系统的输出光强的交流部分和作用在传感光纤光栅上的声压成比例[18]。2.3.2FBG光栅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0.007nm/MPa，因此很难直接通过观察FBG波长变化来检测微弱的水下信号，必须采用灵敏度很高的解调方法。可以通过不同方法提取出变化微弱的光信号，从而实现对水下FBG所处的微弱声场的检测。这些解调方法包括：