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光纤传感的基本原理是:光源入射的光束经由光纤进入光纤传感器件,在传感器内与外界物质相互作用,该光束成为被待测物理参数调制的光信号, 使强度、波长、频率、相位、偏振态等光参量发生变化,光信号再由光纤进入光电器件,经解调器的解调后可获得被测参数。整个过程中,光纤及其传感器件起到信号传输和外界物理量感知的作用,是光纤传感的关键组成部分。不同于远距离传输的通信光纤,为了更敏锐地“感知”外界各种信息,通常需要对光纤的波导结构进行特殊的设计,并将其加工成各种高精度的光纤传感器件。
光纤水听器技术是一种以光纤为信息传输和传感媒介的新型传感器,它通过高灵敏度的光学相干检测, 可实现对水声信号的高精度测量。自1977年美国海军实验室发表关于光纤水听器的首篇论文后，各发达国家便积极开展了对光纤水听器的研发。我国光纤水听器研究虽然起步较晚,但自20世纪90年代以来,也陆续突破了从理论到应用的系列关键技术。相比于传统水听器,光纤水听器具备灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧、易于远程传输和大规模成阵等优点,在水下目标探测、石油天然气勘探、地震检测等军事和民用领域都具有重要应用。
工作原理
典型的干涉型光纤水听器分为光纤声压水听器和光纤矢量水听器两种,其基本结构均为光纤迈克耳孙干涉仪。外界水声信号作用于光纤干涉仪,引起光纤干涉仪两臂长度和有效折射率的改变,导致两臂中传输的光相位被调制,两束被调制的光经法拉第旋镜反射后返回耦合器并发生干涉,相位信号被转化为光强信号。利用光电探测器对光强信号进行探测,再利用相位检测方法解调并还原出外界水声信号。
光纤声压水听器由内外两个圆筒形支撑刚体构成,光纤迈克耳孙干涉仪的两臂分别密绕在内外支撑刚体上,用于探测外界声压信号；三维光纤矢量水听器由耐压外壳、质量块以及x、y、z三个方向上的三对弹性柱体构成,三组光纤迈克耳孙干涉仪的两臂分别密绕在这三对弹性柱体上,用于感受外界声压引起的三个方向上的加速度信号。
单光纤分布式水听器是一种仅由一根光纤组成的新型光纤水听器,利用分布式光纤声波传感技术探测水下声信号,具备高可靠性的特点和在空间连续拾取水下声信号的能力。
技术发展
我国光纤水听器技术自提出至今已超过20年。自20世纪90年代末期,国防科技大学在关键光纤器件与光纤水听器系统关键技术方面取得突破,并于2000年进行了国内首次光纤水听器海试以来,国内多家单位对光纤水听器技术进行了研究并取得一系列成果,目前光纤水听器技术已经在多个领域实现了应用。
需求现状
水听器是实现水下目标探测与通信的主要设备,可分为压电水听器和光纤水听器两种。与传统的压电水听器相比,光纤水听器具有小体积、抗电磁干扰、易于远程传输和通过复用构成大规模阵列等特点;光纤矢量水听器可以通过声压和振速的线性组合得到心形指向性,可获得4.8dB-6dB的空间增益,具有大空间增益、单次消除左右舷模糊以及指向性与频率无关的特性,使用单条光纤矢量水听器垂直阵列可以实现目标的距离、深度和方位角的三维定位,所以光纤声压和矢量水听器在水下目标探测、石油天然气勘探、地震监测等军事与民用领域都具有重要的应用前景。在水下目标探测方面,远程传输的大规模岸基阵、装载在舰船及无人潜航器上的轻型拖曳阵、垂直矢量潜标阵等多种形式的光纤水听器阵列都得到了发展;在石油天然气勘探方面,大规模拖曳与岸基阵在实践中得到了检验;在地震监测方面,光纤矢量地震仪获得了与传统地震仪相当的传感性能,基于现有光缆的单光纤分布式光纤声/振动传感技术也在石油勘探和地震监测领域取得了突破性进展。
挑战性的问题与难点
我国光纤水听器技术经过二十多年的发展,克服了从基础理论到实际应用的一系列难题,已经在若干领域进入了应用阶段,但在以下方面仍面临着巨大挑战。
1)、光纤水听器的应用朝着深海领域拓展,如何在深海高静水压的恶劣条件下实现光纤水听器的高灵敏度和低本底噪声是需要重点考虑的问题。
2)、光纤水听器朝着远程化方向发展,模拟光中继放大技术的使用有效增加了光纤传输距离,但其所能容纳的光纤对数有限,长距离光纤传输还引入了严重的非线性效应,使光纤水听器系统的复用规模和传输距离受到很大限制。
3)、水下目标噪声集中于100Hz以下的频段, 而光纤水听器阵列系统本底的1/f 噪声使得低频噪声较大,同时海洋背景噪声也主要分布于该频段, 如何在较大的海洋噪声背景下实现光纤水听器对水下目标的有效探测是目前的技术难点。
4)、单光纤分布式光纤水听器相比于分立式干涉型光纤水听器,大大简化湿端结构、提高了可靠性,但噪声抑制能力及水声信号检测稳定性需进一步提高,以拓展其在水下目标探测和石油勘探中的应用。
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