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1. 背景介绍

   声波是人类迄今为止已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式,其它能量辐射形式,如电磁波等不能在海水中远距离传输,因为其在海水中的损耗比声波大约3个数量级。在水介质中声波的衰减系数较小,可以进行远距离传播,因此声波为水下最佳信息载体。而水听器就是通过接收声波信号对水下目标进行探测、定位与识别的传感器。

   传统的水听器为压电陶瓷水听器,由这种压电陶瓷水听器组成的声呐阵列需要大量的用于信道复用和数据传输的水下电子元件,以及信号传输电缆和供电电缆,这些电子设备价格昂贵,重量很大,并且常常会因为水下密封问题导致设备失效,从而使系统的可靠性非常差。随着科学技术的不断进步,以及光纤通信行业的不断发展成熟,光纤水听器是目前水声研究领域非常受关注的一个领域,已经逐渐从早期的实验室研究阶段迈向工程应用。

   光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型水听器,它通过高灵敏度的光学相干检测,将水声振动转换成光信号,通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息,具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。

   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、水下兵器试验、海洋石油勘探和海洋地质调查的先进探测手段。
 

2. 光纤水听器工作原理

  光纤水听器通常是由发射器,即输出光源,水听器阵列和接收器三个部分组成。激光器发出的光需要经过声光调制器得到具有固定时间间隔的脉冲进行时分复用,水听器阵列采用复用的方法可以降低整个系统的成本,多个传感通道采用相同的激光光源。下图为采用波分复用/时分复用的光纤水听器系统示意图:

系统中的器件说明:

Laser:窄线宽光纤激光器;

AOM(Acoustic-Optic Modulator):声光调制器;

WDM(Wavelength Division Multiplexing):波分复用器;

OAM/ODM(Optical Add/Drop Multiplexing):光分插复用器,三端口波分复用器;

ISO(Isolator):隔离器;

Coupler:光纤耦合器;

EDF(Er-Doped Fiber):掺铒光纤;

Pump:泵浦激光器;

FRM(Faraday Rotation Mirror):法拉第旋光器;

Attenuator:光衰减器;

Demodulator:光解调器。

 

3. 注意事项

  采用耦合器实现时分复用的情况下,限制系统通道数目的主要因素为耦合器的分光比以及采样速率等;

  掺铒光纤的位置会影响系统的噪声特性。

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