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图2 基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器
图2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。
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2).光纤光栅型光纤水听器原理
光纤水听器与传统水听器相比，在未来的声纳系统中作 为接收阵列显示了更大的吸引力。它可以将大量单元的信号经 由一单根光纤传输的大规模成阵的能力并具有水听器单元设计 的灵活性。另外，它还具有灵敏度高，响应的带宽宽，单元及 信号传输不受电磁干扰的影响等重要特点。
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1光纤水听器原理
光纤水听器按原理可分为干涉型、光栅型等。干涉型 光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域已经 形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的 热点。
第七章 光纤检测技及应用
背景介绍
① 光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代 中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤 和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有 本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作 为传递敏感信息的媒媒介。因此，它同时具有光纤及光学测 量的特点。 ② 经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展， 目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技 术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科 的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。
声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号 转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。
光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、 海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆 地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋 环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检 测手段。
色散的种类
•模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播 速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才 存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。 •材料色散：材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模 式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材 料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。 •波导色散：波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生 的6/1色7/201散9 。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差。
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应用
• 光纤陀螺信号检测的主要目的是从强噪声中取出弱信号。 对开环系统，则主要是检测出由于光纤环旋转而引入的相 位变化，为获得大动态范围和好的标度因数线性度，还必 须对开环输出信号进行处理或建立闭环系统。
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2.3.2 光纤水听器
简介 光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下
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(4).适于远距离传输与组阵. 光纤传输损耗小, 适于远距离传输. 光纤水听器采用频分、波分及时分等技术 进行多路复用,适于水下阵列的大规模组阵. (5).信号传感与传输一体化,提高系统可靠性. 激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号 后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理设备,水下无电子 设备. 另外,光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀,这些都将 大大提高系统的可靠性. (6).工程应用条件降低. 采用全光光纤水听器的声纳系统,探 测缆及传输缆皆为光缆,重量轻体积小,系统容易收放,使过去 无法实现的方案成为可能,特别对拖曳阵列,由于工程应用条 件的降低而使许多问题简单化。
按光纤传输模式数划分
单模光纤（SMF） 多模光纤（MMF ）
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光纤的纤芯折射率剖面分布
2b
2b
2b
2c
2a
2a
2a
n n1 n2
0a b r （a）阶跃光纤
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n n1
n2
0 a br （b） 渐变光纤
n n1 n2
n3
0 a cbr （c）W型光纤
光纤的类型
阶跃型多模光纤
光发送器
信号处理
光受信器
光纤
敏感元件
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功能型光纤传感器
这类传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测功能， 光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、 偏振态等光特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。
非功能型光纤传感器
传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的 调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连 续的，光纤只起传光作用。
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1.2光纤波导的结构
纤芯
套层 一次涂覆层
包层
套层 一次涂覆层 包层 纤芯
多层介质结构： 1、纤芯：石英玻璃，直径5-75um，材料以二氧化硅为主， 掺杂微量元素。 2、包层：直径100-200um，折射率略低于纤芯。 3、涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光，保护。 4、尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。
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主要优点： ①灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、可靠性强、可实 现不带电的全光型探头。 ②频带宽、动态范围大。 ③可用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器 ④便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测 和控制。 ⑤可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。 ⑥结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光 纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不 仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用 下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和 “感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续， 增加其长度，可提高灵敏度。
以电为基础的传统传感器是一种把被测量的状态转变为可测
的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统
以及信息传输均用金属导线连接，见图1。
光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的
装置。由光发送器、敏感元件、光接收器、信号处理系统以及
光纤构成，见图2。
由光发送器发出的光源经光 纤光纤水听器原理
干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。 图1是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器的原理示意 图。
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图1 基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器
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。
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1.3 光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多成分玻璃光纤（材料由多成分玻璃组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
按光纤纤芯折射率分布划分
阶跃型光纤（单包层，折射率均布）（SIF） 渐变型光纤（单包层，折射率渐变）（GIF） W型光纤（双包层，折射率均布）
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偏移量为 B 2neff 2neff
即实现水声声压对反射信号光的波长调制。据检测中 心反射波长偏移，再根据Δneff、ΔΛ与声压间的线性关系，
即可获得声压变化信息。
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2 光纤水听器的特点
(1). 低噪声特性. 光纤水听器采用光学原理构成,灵敏度高,由 于噪声低的特性决定了其可检测的最小信号比传统压电水听 器要高2 —3 个数量级,这使弱信号探测成为可能. (2). 动态范围大. 压电水听器的动态范围一般 在80—90dB , 而光纤水听器的动态范围可以到 120—140dB. (3). 抗电磁干扰与信号串扰能力强. 全光光纤 水听器信号传感与传输均以光为载体,几百兆赫以下的电磁 干扰影响非常小,各通道信号串扰也十分小。
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图1 光纤陀螺原理图
当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光， 光程差为零。当光纤圈以角速率Ω 旋转时由于Sagnac效应， 顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为：
引起的相应的相位差为
上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差Δ Φ （即干 涉光强）就可以获得角速率Ω 的信息。
光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压 力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
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一 光纤的基础知识
1.1 基础
• 光纤就是光导纤维的简称，是用光透射率高的电介质 （如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路，它是一种 介质圆柱光波导。
• 所谓光波导是指将以光的形式出现的电磁波能量利用 全反射的原理约束引导光波在光纤内部或表面附近沿 轴线方向传播。
波导色散和材料色散都是模式的本身色散，也称模内色 散。对于多模光纤，既有模式色散，又有模内色散，但主要 以模式色散为主。梯度型光纤中模式色散大为减少。
而单模光纤不存在模式色散，只有材料色散和波导色散， 由于波导色散比材料色散小很多，通常可以忽略。采用激光 光源可有效减小材料色散的影响。
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1.5 光纤的耦合
光纤的耦合分为强耦合和弱耦合。 • 光纤的强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进
入耦合臂。 • 光纤的弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥
状。于是，纤芯中的部分传导模变为包层模，再由包 层进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。
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二 光纤传感器
2.1 光纤传感器结构
阶跃型多模光纤
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1.5光纤的损耗
吸收损耗
损耗
散射损耗
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