从亚航事件浅析光纤水下声音探测技术

   三种典型的光纤水听器工作原理　　

   干涉型

　　干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。

　　图1(a)是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。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。两束波经后端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。

　　图1(b)是基于Mach2Zehnder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(c)是基于Fabry2Perot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Fabry2Perot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。

　　图1(d)是基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。该型光纤水听器的核心是由一个3×3光纤耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏，形成相位差，返回耦合器时干涉，解调干涉信号得到声信号。

　　基于Sagnac干涉仪光纤水听器的优点：①光源的相位噪声将不转换为系统的强度噪声，而基于Michelson及MachZehnder干涉仪，其光源相位噪声将转换为系统噪声;②不要求窄带光源，可用宽带超荧光光源代替;③偏振衰落被最小化。但基于Sagnac干涉仪的光纤水听器也有缺点，如低频不敏感，进行多路复用时困难较大。

　　图1：基于光纤干涉仪的光纤水听器原理示意图

　　(a) Michelson干涉仪;(b) Mach2Zehnder干涉仪;(c) Fabry2Perot干涉仪; (d)Sagnac干涉仪

　　强度型

　　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。

　　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。

　　光纤光栅型

　　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(B r ag g)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λB = 2 neffΛ的光波将被反射回来，其余波长的光波则透射。式中λB为FBG的谐振耦合波长，也即中心反射波长，neff为纤芯有效折射率，Λ为光栅栅距。当传感光栅周围的应力随水中声压变化时，将导致neff或Λ 的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移，偏移量由ΔλB = 2ΔneffΛ + 2 neffΔΛ确定，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，再根据Δneff 、ΔΛ与声压之间的线性关系，即可获得声压变化的信息。

　　对于强度型而言，光源的起伏、光纤弯曲、连接损耗和探测器老化等因素都会影响测量精度。干涉型灵敏度高，信号经光纤传输损耗小，无串扰，能在恶劣的水下、地下环境中实现长期、稳定工作。但是要观察干涉条纹的变化，这就要求干涉条纹清晰，要得到清晰的干涉条纹，两路干涉光必须光强相等、单色性好。而光纤光栅传感器除具有普通传感器的优点外，又因为它的传感信号是波长调制,不受光源强度的起伏变化影响，能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个Bragg光纤光栅进行分布式测量。（点击下页）