知识窗▏光纤水听器类型及特点
光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器，具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。
01
⒈调相型光纤水听器
光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围声场相互作用产生的种种调制效应，在海洋中接收水声信号的仪器。
调相型光纤水听器主要指干涉型光纤水听器，它是基于光学干涉仪的原理构造的。图1是基于几种典型光学干涉仪的光纤水听器的原理示意图。图1(a)所示是基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图，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。图1(b)所示是基于Fabry-Perot光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成一个Fabry-Perot干涉仪，激光经该干涉仪时形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。
(a)Mach-Zehnder干涉型
(b)Fabry-Perot干涉型
图1 干涉型水听器结构图
02
调幅型光纤水听器
强度型光纤水听器基于光纤中传输光强被声波调制的原理，该型光纤水听器研究开发较早，主要调制形式有光纤微弯式等。微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功率变化的原理而制成的光纤水听器。其原理如图2所示。两个活塞式构件受声压调制，它们的顶端是一带凹凸条纹的圆盘，受活塞推动而压迫光纤，光纤由于弯曲而损耗变化，这样输出光纤的光强受到调制，转换为电信号即可得到声场的声压信号。
（a）柱状结构 (b)双螺旋结构 (c)星状结构
图2 强度型光纤水听器结构简图
03
偏振型光纤水听器
光纤光栅水听器是典型的偏振型光纤水听器，它是利用光纤光栅作为基本传感元件，以光栅的谐振耦合波长随外界参量变化而移动为基本原理来实现的。目前，光纤光栅水听器典型的一种是基于光纤布拉(Bragg)光栅构造，如图3所示。当宽带光源(BBS)的输出光波经过一个光纤布拉格光栅(FBG)时，根据模式耦合理论可知，波长满足布拉格条件的光波将被反射回来，其余波长的光波则透射，这样就实现了水声声压对反射信号光的波长调制。所以，通过实时检测中心反射波长偏移情况来获得声压变化的信息。
图3 光纤光栅水听器结构简图
04
无源光纤光栅水听器
无源光纤光栅水听器是以刻写在光纤上的单个光纤布拉格光栅(FBG)为传感元件，如图4所示，光纤光栅的载体为普通单模光纤，光纤内部无掺杂，当C波段宽带光源(1535～1565nm)输入到光纤光栅时，由于光纤光栅的窄带反射特性，将后向反射回一个窄带反射光，该反射光的中心波长随外界物理量的变化而产生相应变化。当FBG水听器受外界声压作用时，其反射谱发生漂移，通过检测反射波长或功率解调出相应的声压变化。
图4 无源型光纤光栅水声传感系统原理框图
05
分布布拉格反射式光纤激光(DBR-FL)
水听器
DBR 光纤激光器结构由一对波长匹配的FBG 作为谐振腔反射镜和掺铒光纤(EDF)作为激光器的增益介质，如图5、图6所示。采用980nm泵浦激光入射到DBR激光谐振腔内，经泵浦的铒离子形成粒子集居数反转后产生受激辐射，该辐射通过光纤光栅谐振腔发射激光DBR 光纤激光器所发射的激光中心波长与光栅本身的反射中心波长相匹配。因此在受到外界物理量的作用时依然会产生波长的偏移，利用波长解调系统和声信号转换系统即可解调出相应的声信号。
图5 DBR光纤激光器结构图
图6 DBR光纤激光水听器系统图
06
结束语
光纤水听器自诞生以来，备受关注，由于其体积小，便于多路复用，并可以将多种传感器集成在一起等显明特点，二十年来，欧、美、英等国家相继投入大量的人力和物力，使该技术在理论研究和应用开发上都有了长足的进步。光纤水听器技术已经逐渐发展成熟，在军事、能源勘探以及水声物理等众多领域获得应用，应用前景十分广阔。
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END
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