利用光導纖維的聲壓敏感特性而進行水聲探測的新技術。光導纖維受聲場作用時，折射率發生變化。聲波通過水介質傳播時，周期性的聲壓變化使置於水中的光導纖維變形或折射率發生變化，當雷射通過這種被聲壓調製的光纖後，它的相位或強度也被周期性地調製。利用光導纖維的聲壓敏感特性所研製成的聲光電水聲探測系統，稱為光導纖維水聲探測系統，或簡稱光導纖維水聽器。它比一般水聲探測系統具有敏感度高、頻頻寬、感測器形狀或尺寸可任意成形等優點。
基本介紹
- 中文名：光導纖維水聲探測
- 外文名：Underwater acoustic detection of optical fibers
- 類型：單模光纖和多模光纖水聲探測系統
- 技術原理：光頻外差檢測技術
- 套用材質：長光導纖維
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概念介紹
光學介質的調製效應雖早已發現，但效應十分微弱，一般不易測量。近年來低損耗光導纖維的研製成功和雷射技術的發展，在技術上有可能使用長光導纖維和光頻外差檢測技術進行水聲探測。1977年以來，美國海軍研究實驗室J.A.布卡羅等人在這方面進行了系統的研究，取得了較大進展。光導纖維水聲探測分為單模光纖（只通過一種光波振盪模型）水聲探測系統和多模光纖（通過兩種以上光波振盪模型）水聲探測系統兩種。前者的靈敏度高，但光學系統複雜，使用條件要求高；後者靈敏度較低，但光學系統簡單，使用方便。
單模光纖水聲探測系統
從雷射器 O射出的振幅為E0的雷射，被分光鏡a分成兩路：①測量光路。它的光振幅E1為 E1=E0exp{i【ω0t+υ sin(ωst+φ0)】}（公式1）
公式1
公式1式中ω0為光波圓頻率；ωs為聲波圓頻率；t 為時間;φ0為兩路光波之間的固定相位差；為調製係數;K=2π/λ為光波的波數；λ為光波的波長；p為聲壓；l為聲場作用下的光導纖維長度;n 為折射率；px為沿光波傳播方向的聲壓。這路光進入測量光纖d ，雷射輸出後經過半透膜反射鏡e進入光電探測器f。②參考光路。它的光振幅E2為 E2=E0exp(iω0t)
這路光通過調製器b進入參考光纖c，雷射輸出後，到達半透膜反射鏡e，反射後進入光電探測器f。這兩路光束在f的陰極的合成光場E為 E=E1+E2=E0exp(iω0t)+E0exp{i【ω0t+υ sin(ωst+φ0)】}
若υ 很小，光電流ip可表示為 （公式2）式中常數C 由光電探測器陰極的量子效率、增益和光束孔徑確定。由此公式可見，光電探測器輸出的光電流的頻率等於聲波的圓頻率ωs，光電流的強弱隨調製係數υ而變，而υ 與聲壓P 成線性關係，因此聲壓的變化完全轉變成光電探測器的光電流的變化。
公式2
公式2多模光纖水聲探測系統
其工作原理有兩種：①在聲壓作用下，光纖中各個模之間相互干涉而產生相位的調製效應；②在聲壓作用下,光纖發生微彎曲變形,使其中的蕊模和光纖表皮模間輸出的光能發生量的變化。
雷射束進入置於聲壓作用下的測量光纖d後,通過選模器g直接進入光電探測器f，放大後進行測量。
光導纖維對溫度、壓力、磁場等物理量的變化也有同樣的敏感特性，因此還可用來探測海流、海浪的變化。
參考書目
J.A.Bucaro， Optical Fiber Acoustic Sensor，Applied Optics,Vol,16，No.7，pp.1761～1765，1977. T.G.Giallorenzi，et al.，Optical Fiber Sensor Technology，IEEE Journalof Quantum Electronics， Vol.QE-18，No.4，pp.626～665，1982.
