PDF《光纤水听器的原理与应用 ！》

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期 光纤水听器的原理与应用! 张仁和'

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! 中国科学院声学研究所! 声场声信息国家重点实验室! 北京! (#! 国防科技大学理学院光电工程系! 长沙! 摘! 要! ! 为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要, 在光纤技术不断发展的基础上, 光纤水听器应运而生* 光 纤水听器是一种基于光纤、 光电子技术上的新型水下声传感器, 因其在军事、 民用各领域应用广泛, 目前光纤水听 器在国内外发展迅速, 已经到达实用状态* 全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现, 信号传感与传输皆基于光纤 技术* 具有抗电磁干扰、 重量轻和造价低等优点* 文章简述了光纤水听器的发展历史、 现状, 论述了光纤水听器的原 理及其应用前景* 关键词! ! 光纤水听器, 原理, 应用 0(1* ,&

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G6@D?6=2 !! 国家自然科学基金 (批准号: '

$# %$J$) 资助项目 #$$ K $L K # 收到初稿, #$$% K $# K $ 修回 (! 通讯联系人* M3ID6G: N7@ 干涉仪;

(:)+/A8/2 干涉仪 相位差! 光纤干涉仪输出光波相位差为 ! !%&

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, ( ) 其中'

是真空中光速, %是光纤纤芯的有效折射率, &

是光纤轴向长度, 是光频! 若光源相干长度为 (, 相干理论要求 (-%&

! 由( ) 式可得, 各种因素引起 的相位差变化为 ! !%&

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# # ( ) ) (9) 由上式看出, 相位差的变化包括三部分: (&

)由光弹 效应产生有效折射率改变引起的光相位变化;

( ) 光纤轴向长度的变化导致的光相位变化;

(9)光频 的抖动引起的光相位变化! 其中前两种变化可以由 声压调制因素产生, 第三部分则构成系统的光相位 噪声! 一般光纤水听器探头都经过增敏处理! 最简单 的增敏方法是将干涉仪的传感臂缠绕在一个声压弹 性体上, 这样声压变化时, 弹性体随声压受迫振动, 传感光纤长度被调制, 这样声压对光纤水听器的调 ・ $ % &

・ 前沿进展 ! 卷(#$$% 年) &

期 制主要表现为光纤轴向长度的调制'

经过理论分析, 这种光纤轴向长度的变化与声压的变化成正比, 于 是有: !!! , # # $ ・ !# # 其中 &

是比例系数'

(%) 式说明干涉仪由水声引起 的相位差变化与声压变化成正比, 该式是干涉型光 纤水听器拾取声信号的理论基础'

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! 强度型光纤水听器原理 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、 光纤绞合式、 受抑全内反射式 及光栅式等 [#] '

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 # 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'

图#! 微弯光纤水听器原理示意图 !'

# 光纤光栅水听器原理 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'

目前光纤光栅水听器一 般基于光纤布拉格 (()*++) 光栅构造, 如图 所示, 当宽带光源 (((,) 的输出光波经过一个光纤布拉格 光栅 (-(.) 时, 根据模式耦合理论可知, 波长满足布 拉格条件 #( % # /00 $ 的光波将被反射回来, 其余波长的光波则透射'