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光纤水听器原理与应用综述
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
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。
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]
（1）
其中，
为光纤纤芯的折射率，
为在声压为p下的液体折射率。
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]。
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]
（2）
其中，
是PZT相位调制器产生的高频相位载波信号；
是高频载波引起的相位振幅；
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]：
（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]：
（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。
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
，则光通过光纤光栅反射后的光强为
。
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：
（5）
式中
和
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：
（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：
（7）
式中
是入射进传感光纤光栅的光强值，因此最后可以得到：
（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：
光强调制法、FBG增敏法、光纤光栅对匹配法和光纤光栅激光器法（DFB或DBR型光纤激光器）[18,19]。
2.3.2.1.光强调制法
图6激光光强调制法FBG水听器系统结构
激光光强调制法的系统结构如上图所示。
将FBG悬于蒸馏水中，水池四壁采用消声材料，最大限度吸收多余声波，减少反射声场对FBG的影响。
水池底部放置水声换能器，将音频信号放大输出。
由于声波是纵波，这样放置可以进一步减小水池四壁反射的影响。
LD激光光源将入射光注入到FBG内，透射光谱经光电二极管转换并放大后，由频谱分析仪进行分析获得声压信号[19]。
光纤Bragg光栅的带宽通常比较窄。
在其带宽范围内，将入射激光波长调到FBG中心波长两侧光谱斜率较大处，则光谱的微小漂移就可以引起投射光强较大的变化。
由于在附近光谱随波长的变化近似为线性，相应的也与FBG所受声压成正比。
通过检测FBG的透射光谱，就可以实现对水下声压的监控[19]。
2.3.2.2FBG增敏法
对FBG进行声增敏聚合物的封装，将弹性聚合物材料与FBG紧密结合，可以增大FBG的灵敏度，使波长漂移更加明显。
在厚壁刚性金属外套圆筒内壁将声敏感聚合物固化，将光纤光栅置于圆筒轴线上，并固定于声敏感聚合物中。
这样只有开口方向的声波压力才能对声敏聚合物弹性体产生轴向应力，其他方向的压力都会被金属套筒屏蔽掉。
文献表明，这种增敏方法可以使FBG探头的压力灵敏度比裸光纤时增大2471倍。
在静态压力P的作用下，封装于声增敏聚合物中的FBG的波长变化可表示为[22]
（9）
式中
分别为光栅的轴向和径向应变。
除了聚合物金属圆筒封装法，还可以采用膜片法对FBG增敏。
将FBG固定于金属或聚合物弹性膜片上。
当水声换能器发出声信号时，声信号在水中传播到膜片使膜片发生较明显的形变，膜片的形变产生应力使FBG发生纵向形变后，导致FBG的反射波长发生较明显的改变。
通过检测光栅反射波长的变化，同样可以方便的获得相应的水声信号。
2.3.2.3光纤光栅对匹配法
图7光纤光栅对匹配法水听器系统结构
在光纤光栅对匹配法水听器系统中，FBG1和FBG2为匹配光纤光栅对。
所谓匹配光纤光栅对，就是指这两个光纤光栅的性能参数都接近。
宽带光源发出的光经FBG1投射后，被置于水中的FBG2反射，然后耦合并经光电转换输出到频谱分析仪。
这里光电接收管所接受的光功率实际上是FBG2的反射谱和FBG1的透射谱在频域上的卷积[23,24]，可以表示为：
（10）
式中，
、
分别为FBG1和FBG2的峰值反射率，
、
分别为FBG1和FBG2的中心波长，
、
分别为FBG1和FBG2的3dB带宽。
为经过耦合器的光能利用率。
由文献[24]的分析可知，系统的波长检测分辨率主要取决于输出光功率谱曲线的波长测量灵敏度
和测量系统的最小可探测功率
，用公式可以表示为
（11）
式中最小可探测功率
的定义为信噪比为1时，系统可接收的功率，主要由光电探测器的响应度、暗电流及接收电路的特性决定。
当FBG2在水中受到声压作用反射谱发生漂移时，透过FBG1的光功率就会发生较为明显的变化，进而在频谱分析仪上反应出来。
这种方法采用宽带光源，对FBG光谱形状的要求比激光光强调制法更低一些，更便于实现。
2.3.2.4光栅光纤激光器法
光纤光栅激光器法是指采用FBG构成DBR（distributedBraggreflector）或DFB（distributedfeedback）两种光纤光栅激光器，通过检测在声压作用下，光纤光栅激光器输出的正交模式构成的拍频以及边带的幅度和频率，同样可以构成反映水下声场的分布。
资料表明，由光纤光栅激光器制作的水听器在1kHz时灵敏度可达到-69dB/Pa。
与前而二种方法相比，光栅光纤激光器法的原理和结构更复杂.解调难度也大一些[24]。
3分布传感式光纤水听器
目前大多数光纤传感都是“点式传感”，测量范围均局限在一些离散的区域，一般都要增加很多传感单元来扩展它的测量范围。
成本、复杂性及其脆弱性均限制了这种传感技术的广泛应用，而能够覆盖整个光纤长度的可连续传感的“分布式传感技术”自然受到了更大的重视和青睐。
绝大多数分布式传感器都是基于光时域反射（OTDR），系统的基本原理就是探测、分析反射回来的短脉冲光，但通常都无法解决动态距离和空间精度之间的矛盾。
削短耦合进光纤中的光脉冲以及加宽测量带宽都能够提高空间精度，但也会同时增加信号噪声和降低测量的距离[25]。
实际应用证明，一种最可行代替OTDR的分布式传感技术就是雷达应用中的相干调频连续被技术（FrequencyModulatedContinuousWave,FMCW）。
它的基本原理是激光器围绕激光的中心频率不断调制，通过耦合一部分光进入一个参考臂起到本机振荡器的作用，另一根长距离的光纤起着传感单元的作用。
从传感部位反射回来的光信号与来自本机振荡器上的光一起干涉产生一个拍频，来自远处的传感信息就可以在光谱分析仪上测量光电流的拍频可以解读，这种相干探测能够容易地区的-100dB的灵敏度。
同时，光电流的拍频信号与返回来的激光功率和本级振动光束的平方根成正比，本机振动光还有利于放大探测信号。
总的来说FMCW技术可以总结为2个部分:
1.载波信号的产生；2.信号的解调。
与OTDR技术比较，FMCW的主要优势在于其卓越的稳定性，它能够在几公里的测量距离上达到毫米量级的空间精度，然而该技术是建立在激光具有很长的相干距离以及它的频率能够成线性连续调制。
这种分布式传感系统能够在广阔的被测区域内实现极高的测量精度，而这是一般光纤传感技术所无法达到的要求。
该系统中最关键的设备是激光器。
光纤激光器具有线宽窄、相干距离长、稳定性高、输出功率大以及可调谐范围光等特点，因此它不仅自身可以作为传感器，而且也可以作为优质的传感器光源。
目前主要有DBR和DFB光纤激光器。
对于传统的DBR激光器通过放大后可以实现较大的输出功率，但是作为提高功率代价的是它的线宽达到了200～500kHz；相反的，传统的DFB可以实现较窄的线宽，但输出功率却只能达到几毫瓦。
因此研制同时兼有窄线宽和高输出功率的光纤激光器成为解决这个矛盾的最佳方法，而现有技术条件下的光纤激光器正好可以解决这个问题。
目前研制出来的具有较好性能的光纤激光器，是采用高浓度的铒/镱共掺光纤作为增益介质，线宽可窄至几kHz，频率稳定性达到MHz级，热调谐范围可达GHz，连续线性PZT调制范围可达100MHz，直接输出功率也可实现几百mW。
这种激光器由于线宽窄，传感的长度也可实现几十公里，大大增加了传感距离[25]。
4光纤水听器研究进展[26-42]
4.1国内研究进展
我国的光纤水听器研究已取得较大的进展，在若干技术指标上已达到目前国际水平，但是主要处于理论和实验室的层次，实用化、工程化的水听器还未见报道。
代表性的工作有：
浙江大学1997年申请了国家自然科学基金研制了马赫-泽德干涉仪型的PGC单元光纤水声传感器，在国家一级测量站取得了较好的测试结果，其灵敏度在630Hz时达到了-134dB。
1998年上海交通大学研制的干涉型单元水听器，其水声灵敏度为-160dB，加速度灵敏度为-40dB。
还有中国船舶总公司进行的单位光纤水听器的“八五”国防预研项目研究，中科院及信息产业部的一些研究所和哈尔滨工程大学、国防科技大学等单位也都正在开展相关研究工作。
在传感理论研究方面，以一些大学和中科院等研究单位等为代表，在光纤的光敏性、成栅机理、光波传输规律等方面进行了深入研究，在光纤光栅传感的关键技术方面侧重于光纤光栅的温度、应变、扭矩等参量的区分测量研究，另外一些大学侧重于传感器的封装和埋覆研究；重庆大学侧重于光纤光栅（主要是长周期光纤光栅）传感的应用研究；清华大学、北京品傲公司在光纤光栅解调方面取得了显著的成绩。
在实际工程应用方面，哈尔滨工业大学、香港理工大学、上海紫栅公司已完成将光纤光栅传感系统用于呼兰河、卢浦等桥梁的结构检测；清华大学、武汉理工大学、西安石油大学、中山大学等开展了将光纤光栅用于压力、温度、液体、电流等参量的测量工作。
4.2国外研究进展
正是由于光纤水听器在军事领域的广泛领域美国海军1986～1990年财政年度用于反潜战光纤技术的预算达8000万美元，其中大部分用在光纤水听器的研究开发上。
二十世纪80年代末到90年代初，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。
1988年6月，美国海军研究实验室制定了潜艇用“光纤水听器系统标准”。
1990年6月美国海军研制了两个基于心轴型的迈克尔逊干涉仪结构的水听器，一个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，水听器的工作带宽在64Hz～50kHz范围内。
由于光纤水听器几何形状的适应性，所以不仅可制成很长的线性传感器，而且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器。
近年来，美国海军研究实验室把主攻方向集中在三个方面：
（1）中频工作的声透明薄形大面积水听器和高频、小面积平面水听器；
（2）用于海底水声监测的宽带（1~50kHz），高灵敏度，且能工作在浅海和深海的光纤水听器；（3）用于声纳浮标标阵列的廉价光纤水听器。
与此同时，北大西洋公约组织下属的欧洲计划小组最近批准一项生产研究计划，要求英、法、荷所属重点水域使用光纤水听器，加拿大国防部已将光纤水听器用于北极监视和海下监视系统的建议列入预先研究计划[26-42]。
5结论
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。
强度型光纤水听器的结构和原理相对简单，但是强度调制型光纤水听器容易受到外界的干扰，特别是光源波动的干扰。
干涉型光纤水听器是基于光纤干涉仪原理的一种水听器，拥有较高的测量精度。
干涉型光纤水听器主要有四种结构：
M-Z型、Michelson型、F-P型和Sagnac型。
其中Michelson和M-Z型光纤水听器的使用较为广泛。
光栅型光纤水听器是一种近年来的研究热点，由于其具有稳定性高、复用性高等特点而受到广泛的关注，它是利用光栅对外界干扰所导致的反射中心波长的移动来进行传感。
但是光栅型光纤水听器由于其灵敏度低，因此提高探测灵敏度成为了一项关键的技术，同时也需要采用更为优化的信号处理和解调方法来提出去微弱信号。
文中简介了四种解调方案：
光强调制法、FBG增敏法、光纤光栅对匹配法和光纤激光器法。
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。
文中介绍了对比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。
其中FMCW由于其较高的稳定性和精度而受到关注。
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。
参考文献
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