2166杨光光纤声学传感器光路设计与实现.docx

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2166杨光光纤声学传感器光路设计与实现

干涉型声波传感器光路设计与实现

摘要

光纤传感器是20世纪末发展起来的一种在军事和经济领域中可以起到重要作用的传感器，对比其他的传感器其具有防串扰，抗腐蚀，不易燃烧等优点，因此，其在电流，压力，气体，磁场等各种力场中都能发挥其重要的作用。

同时，光纤声波传感器因其在军事和民用领域巨大的应用价值而得到了迅速的发展。

它利用光纤与声波信号的相互作用而产生的调制效应，而将声场信号转化为可调节的光信号。

在光纤传感器的研究范围内，对于光强的强弱的研究是大量的。

这篇论文则想通过探究马赫-泽德干涉仪来进行声波传感器的研究，在实验中通过利用输入输出波的相位变化来测量声音信号，了解其频率和声压级，通过研究其相位的变化，可以使系统的精确度得到提升。

首先介绍了光纤传感器的分类与特点，介绍了光纤声波传感器国内外的发展状况和发展方向。

光纤传感器分为传光型和传感型两种，本文选择传感型光纤传感器，传感型光纤传感器应用最多即为干涉型光纤传感器，即外界因素使光纤中传输光的相位变化，进而改变射出光的强度变化来达到测量目的。

展示了干涉型声波传感器的工作原理和声场的制作原理。

在此基础上提出了一种干涉型声波传感器的光路设计方案，通过分析选取了适当的光源，增敏的传感臂探头，以及消除偏振衰落的方法。

最后对光纤声波传感器进行了实验数据分析，并对光路进行了简单的Optisystem的仿真模拟。

关键词：

光纤声学传感器，马赫-泽德干涉仪,动态范围

DesignofInterferometricOpticalAcousticSensor

ABSTRACT

OpticalfibersensorisakindofmilitaryandeconomicfieldscanplayanimportantroleinthesensordevelopedattheendoftwentiethCentury,comparedtoothersensorswhichcanpreventcrosstalk,corrosionresistance,noteasytoburnandotheradvantages,therefore,inthecurrent,pressure,gas,magneticfield,forcefieldcanplayitsimportanteffectof.Atthesametime,fiberacousticsensorbecauseofitsmilitaryandcivilfieldsintheapplicationvalueofhugeandobtainedtherapiddevelopment.Modulationeffectofituseandinteractwiththeopticalfiberacousticsignals,andthesoundsignalintoopticalsignaladjustable.Inthescopeofthestudyofopticalfibersensor,forthestudyofthelightintensityisthenumberof.ThisthesisistostudyMacherZehnderinterferometerforacousticsensor,intheexperimenttomeasurethesoundsignalbyusingphasechangeoftheinputandoutputwave,thefrequencyandsoundpressurelevel,throughthechangeofthephase,canmakethesystemprecisionisimproved.

Firstintroducedtheclassificationandcharacteristicsofopticalfibersensor,introducesthedevelopmentstatusanddevelopmentdirectionoffiberacousticsensorathomeandabroad.Opticalfibersensorisdividedintolighttransmissionandsensingtypetwokinds,theselectionofthesensorofopticalfibersensor,thesensingopticalfibersensorusedmostforinterferometricfiberopticsensor,i.e.thephasechangeopticaltransmissioninopticalfiber,andthenchangethelightintensitychangestoachievethepurposeofmeasurement.

Showtheprincipleofmakingworkprincipleandfieldinterferencewavesensor.Onthebasisofaninterferometricacousticsensoropticalpathdesign,throughtheanalysisoftheproperselectionofthelightsource,thesensingarmprobesensitivity,andmethodsofeliminatingpolarization-inducedfading.

Attheendoftheopticalfiberacousticsensoristheanalysisoftheexperimentaldata,andtheopticalsimulationofsimpleOptisystem.

Keywords:

OpticalFiberAcousticSensor,MacherZehnderInterferometer,DynamicRange

第一章绪论

1.1引言

近年来，在传感器朝着精确，灵敏，小巧和智能化发展的过程中，光纤传感器作为传感器的新成员越来越受到人们的青睐。

光纤具有的许多优异性能成为它被人们选择的不二之选。

激光在光纤中传输时受到外力，外界温度，电磁场等因素作用，是其的频率，相位，光强发生微小的变化，在对这些变化进行适当的方法进行解调，就可以对激光传输的物理量进行测量。

随着光纤技术的发展和国内外实验室的不断研究，光纤传感器已经走出实验室，进入实用领域的发展，同时由于光纤传感器自身的优势，使得光纤传感器迅速在许多的专业领域取得了好的成果。

1.2光纤传感器的分类与特点

1.2.1光纤传感器的种类

光纤传感器有许多种类，按工作原理可分为非功能型（传光型）传感器和功能型（传感型）传感器。

非功能型传感器中的光纤仅作为传光媒介，由其他敏感元件采集信号，其原理如图1.1（a）；而功能型传感器中的光纤兼具传光和传感元件的作用，其原理如图1.1（b）。

目前正在研究的高精度、高分辨率的光纤传感器多以功能型光纤传感器为主[1]。

（a）非功能型传感器

（b）功能型传感器

图1.1光纤传感器工作原理

按光信号调制原理角度分类可分为：

光强调制型、光频率调制型、光相位调制型及光偏振调制型传感器[2]，其中光强调制型传感器与光频率调制型传感器具有结构简单、可测量范围大而被广泛应用在一般工程测量中，而对测量的精度要求较高时一般采用光相位调制型和光偏振调制型传感器。

这两类传感器也是目前光纤传感器研究的主要热点。

其中光相位调制型传感器检测信号是利用光的信号来进行检测的。

由于传感器结构和原理的不同，光相位调制型传感器可分为麦克尔逊（Michelson）干涉型、马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉型、法布里-泊罗（Fabry-Perot）干涉型和赛格奈克（Sagnac）型传感器，原理如图1.2。

（a）麦克尔逊（Michelson）干涉型

（b）马赫-增德尔（Mach-Zehnder）干涉型

（c）法布里-泊罗（Fabry-Perot）干涉型

（d）赛格奈克（Sagnac）型

图1.2干涉型光纤传感器原理

1.2.2光纤传感器的特点

光纤具有频带宽，比微波高出5个数量级的特性，在光纤中光波的传输其相位，振幅，等参数将发生一系列变化，因此将产生与外部环境的变化相应的变化。

因此，光纤传感器与一般的传感器相比具有许多其不具备的优点，主要包括：

高精确度，抗干扰能力强，耐高压，耐腐蚀，安全可靠。

1.3光纤声波传感器简介

1.3.1光纤声波传感器的特点

现代声波传感对传感器性能有着很高的要求，而光纤声波传感器恰好能够满足这些要求。

光纤声波传感器是利用光纤的中光的传输特性与声场信号相互作用而产生的调制效应，将声场信号转化为可解调的光信号，从而侦听声场信号的光纤传感器。

光纤声学传感器发展初期出现了多种测量方法，有干涉型，也有直接利用声场对光强调制等方法。

经过一段时间的发展，人们逐渐发现在众多光纤声学传感器设计方案中，干涉型传感器与相位生成载波解调技术相结合的方案测量效果最好，它具有许多许多其他系统不具备的优点。

其它各种类型的声学传感器逐渐被淘汰，现在所提到的光纤声学传感器一般都是以光束干涉的原理为测量基础的。

光纤声波传感器与传统声学传感器相比有以下特点：

1灵敏度高，光纤声学传感器采用光学原理进行测量，最小可检测信号与噪声之比与传统压电传感器相比要高3个数量级；

2动态范围大，传统声学传感器的系统动态范围在80dB到89dB之间，而光纤声学传感器的动态范围可达到145dB以上；

3频响特性较好，带宽较宽，对低频信号也可进行测量；

4抗干扰能力强，光纤声学传感器信号传输与传感都以光为载体，因此将会有极少电磁的干扰，同时信号间的串扰也会降到最低；

5光纤声学传感器体积较小，同时对多路传感信号可采用波分、时分及空分等方式进行复用，适于大规模组阵，可组成光纤水听器阵列。

1.3.2光纤声学传感器国内外发展现状

光纤传感技术是随着光纤和光纤通信技术的发展而发展起来的一种新技术。

自十九年代末的光纤传感器是出现，便由于其防火，防爆，高精度，低损耗，体积小，重量轻，寿命长，性价比高，重复性好，响应速度快，抗电磁干扰，频带范围宽，动态范围大，易于与光纤传动系统由遥测网络已经广泛应用于各行各业。

随着研究的深入，光纤传感器将有深远的影响在科学研究，生产，生活等其他领域

光纤传感器在上世纪末开始研究。

由于美国海军研究所（NRL）在1977开始的光纤传感系统的实现（FOSS）程序，世界上的许多实验都研究了光纤传感技术，随着光纤传感器研究的深入，许多国际学术交流越来越多的。

目前美、英、日、澳等西方发达国家对此项技术已研究多年，已经进入实际应用阶段，并已在其海军舰船上部署。

1983以来国际光纤传感器会议定期召开[3]。

在最早的光纤传感器的研发中，美国海军研究所开发出了水听器，水下探测设备，现代数字光学控制系统（ADSS），光纤解码光纤传感系统和光纤陀螺（FOG），核辐射监测（NRM），飞机的发动机监控，参与研发的还有美国航空航天局的研究（美国宇航局），两屋电力公司，斯坦福长等。

在1983年欧洲的传感器展示会上，英国带来了可以测量压力，温度，速度测量的光纤传感器，光纤干涉仪，适用于危险区域，为高分辨率和长行程位移传感器控制电磁噪声环境。

德国西门子公司的年1980年开发的实验样机的光纤电流互感器。

日本从1979到1986年的“光的应用程序控制系统”的七年计划投资达70亿美元，已成为光纤传感器的强电磁干扰和易燃易爆危险环境信息测量中的应用，生产工程传动与控制。

24著名公司和大学如松下，三菱，东京大学已经在光纤传感器的早期研究。

光纤电流表松下公司生产，电压表和光纤测温仪已投入市场，磁场测量极限可达4700a／m，限制电压为220V，精度±L%，温度范围为-10℃~+40℃，精度±0.05℃。

光纤压力传感器的接近光圈叶片或轻轨运动80年外调制光信号，由膜挤压光纤，光纤压力传感器的精度，其输出特性的变化是高达3%，线性度达4%~15%。

目前美国诺斯罗普.格鲁曼公司研制的新型船身多阵列光纤陀螺和光纤水听传感器已经在美国海军“弗吉尼亚”级潜艇上应用。

由于光纤声波传感器可以在军事中发挥重要的作用，因此外国对这项技术相当的重视，对一切关于这方便的资料都进行严密的封锁，这就造成了我国对于该项技术的研究要比其他国家晚。

而且这项技术涉及到许多相关学科，对光电子工业的水平有较高的要求，所以我国与西方发达国家的差距仍然很大。

浙江大学在1997年研制了利用马赫-泽德干涉仪的光纤水声传感器，取得了较好的实验结果，据报道其灵敏度在待测信号为630Hz时可到134dB。

国防科技大学和海军工程大学等科研院所都进行过较为系统的光纤水听器技术实验研究，尤其是水听器成阵试验[4]。

九五期间我国科研机构进行了对耦合器的时分，光纤水听器的阵列与多元频分复用阵列等项目进行了研究，并取得了良好的实验结果。

2003年，进行了对32元光纤水听器阵列的实验，在实验中进行了对于海洋石油探测和声波物理测量研究，并取得了可用性的结论。

同时国内一些科研机构对其他类型的光纤声学传感器也进行了研究，香港理工大学、清华大学、武汉理工大学、中山大学等大学进行了对将光纤光栅传感器用于温度、压力、声场传感的研究。

这些实验研究为进一步进行光纤声学传感器系统研究奠定了坚实的基础，但要距离实际应用还有很长的路要走。

1.3.3光纤声学传感器的发展方向

随着光电子产业的发展和技术水平的提示，对光纤传感器提出了更高的要求，光纤声学传感器的发展方向主要有：

1全光纤便捷化，传感元件全部由一根光纤构成己成为光纤传感器发展的未来，全光纤传感器的结构简单可靠，体积小，损耗小。

2高精度、高灵敏度，对于水下声场测量的要求的日益提高，对光纤声学传感器精度与灵敏度的要求也在相应提高。

3智能化、网络化，随着光纤声波传感器的不断研究与发展，现在对其实用性，便捷性，智能性的要求越来越高。

1.4课题的意义及主要研究内容

1.4.1研究光纤传感器的意义

与传统的各类传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：

光纤本身构成基本传感器，具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆以及不干扰被测场等特点；另外，光纤也可同时作为信号的传输系统，与传统的金属线路相比，具有抗电磁场的干扰、可靠性高、安全及可长距离传送等优点；并且便于与计算机连接、与光纤传感系统组成遥测网络；而且光纤传感器结构简单、体积小、重量轻。

除此以外光纤还有可挠曲的优点，利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的光纤各种传感器，有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。

光纤传感器对被测介质的影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。

因此光纤传感器在七十年代一经问世就受到人们的高度重视。

到目前为止，光纤传感器已用于测量温度、压力、流量、位移、振动、转动、应变、速度、加速度、电流、电压、磁场以及辐射等上百余种物理量。

可以说，光纤传感器能完成绝大多数传统传感器所不能完成的对各种物理量的测量，同时，在有些领域，如高温、高压、防爆、强腐蚀等一些特殊的环境下，它具有传统传感器不可替代的作用[5]。

1.4.2主要研究内容

随着科技的进步，光纤声学传感器技术已逐渐成熟，目前西方发达国家的干涉型光纤声学传感器技术已发展到一定水平，其非接触型、传感距离远、灵敏度高等优点已得到体现，在实际军事、工业等领域得到了广泛应用。

我国是一个海洋大国，对于这样一个具有很大军事应用价值的技术的实验研究是十分必要的。

本文在己有研究成果的基础上，做了一下几方面的工作：

1介绍了干涉型光纤传感器的原理和干涉型光纤传感器相位调制原理。

2提出了一种光纤声学传感器的光路设计方案，通过分析选取适用的光源，PZT探头，耦合器，及消除偏振衰落的方法。

3对所设计的光路进行试验，分别适用了宽带光源与半导体激光器对光路进行了验证，并作出了输入与输出波形的对比。

4使用Optisystem对光路进行了仿真，再次对比了输入与输出波形。

第二章干涉型声波传感器的设计原理

2.1几种干涉仪基本原理

两束相干光束即，信号光束和参考光束，同时照射在一光电检测器上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系，通过干涉现象能把光束之间的相位差转变为光强的变化，实现外差检测。

2.1.1几种常见的干涉仪

1.迈克尔孙干涉仪基本原理

图2.1迈克尔逊干涉仪原理图

图2.1所示是普通迈克尔逊干涉仪原理图。

激光器输出的单色光由分束器分成光强相等的两束光。

其中一束射向固定反射镜，然后反射回到分束器，被分束器投射的那一部分光由光探测器接受，被分束器反射的那部分返回到激光器。

激光器输出的经由分束器投射的另一束光入射到可移动反射镜上，然后反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器，另一部分经分束器投射，返回到激光器。

当两个反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长度时，射到光探测器上的两个相干光束便产生干涉，干涉光强由公式

确定，两束相干光的相位差为

（2.1）

式中，

0是光在空气中的传播常数,2

L是两束相干光的光程差。

由式（2.1）和式（2.2）可知，可移动反射镜每移动

长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，即变化一个周期。

在许多环境比较恶劣的条件下，如水声探测器和地下核爆核查测试等，为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，一般采用全光纤干涉仪结构来保证测量的准确性与高灵敏度[6]。

2.Mach-Zehnder干涉仪基本原理

马赫-泽德尔干涉仪与迈克尔逊干涉仪有一些相似之处。

同样，从激光器输出的光束先经分束器分成光强相同的两束光，经过不同的路径后再合成。

两束光由可移动反射镜的移动引起相位差，并在光探测器上产生干涉。

这种干涉仪也能探测小至l0-13m的位移。

这种干涉仪具有与迈克尔逊干涉仪不同的独特优点，它没有或很少有光返回到激光器。

返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。

此外，由图2.2可以看到，从分束器2向上还有另外两束光，一束是上面水平光束的反射部分，另一束是垂直光束的投射部分。

如果需要，也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出信号，这在一些应用上是很方便的。

图2.2马赫-泽德干涉仪原理图

3．赛格纳克干涉仪基本原理

应用sagnac效应的sagnac干涉仪是一种高精度的干涉仪。

它的原理图如图2.3所示

这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿方向相反的闭合光路传播，最后汇合到分束器回到探测器。

在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动，两束光

的变化皆相等，因此接收端探测不到光强变化。

它的优势在于，因为两束光处在相同的环境中，所以可以屏蔽外界环境对光路的影响，即具有互已性[7]。

图2.3萨格纳克干涉仪原理图

论光在折射率为

的光路中的传播。

当光路未旋转之前，两束光在光路中的传播速度均为

。

当有角速度Q（设为顺时针方向）输入时，两束光的传播速度不再相等，根据洛仑兹一爱因斯坦速度公式变换式，可得沿顺时针、逆时针传输的两束光的速度分别为：

（2.2）

（2.3）

在此情况下，两束沿相反方向传输的光束绕行光纤环一周的时间分别满足下列关系：

（2.4）

（2.5）

将式（2.4）、（2.5）分别代入式（2.6）、（2.7）中，得

（2.6）

（2.7）

故

（2.8）

由上式可以看出，在介质中沿相反方向传输的两束光绕光纤环一周的时间差

与在真空中的情况

完全相同，故在折射率为n情况下，产生的光程差为：

（2.9）

式中，c为光在介质环路中的传播速度[8]。

若光纤环的长度为L，绕成半径为R的圆环，则有

，

的值为：

（2.10）

两束光之间由光程差

产生的相位差△

为

（2.11）

式中，

为波矢量[9]。

4．法布里-泊罗干涉仪基本原理

图2.4为法布里-泊罗干涉仪原理图。

它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。

在两个相对的反射镜表面镀有反射膜。

其反射率通常达95％以上。

由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面做很多次往返，透射出去的平行光束由光探测器

接受。

这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都是双光束干涉，而法布里-珀罗干涉仪是多光束干涉[9]。

图2.4法布里-泊罗干涉仪原理图

根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强变化为

（2.12）

式中，R为是反射镜的反射率，

为是相邻光束间的相位差。

由上式可知，当反射镜的反射率R值一定时，透射的干涉光强随

变化。

当

（n为整数）时，干涉光强有最大值；当

（n为整数）时，干涉光强有最小值

（2.13）

这样，透射的干涉光强的最大值与最小值之比为

（2.14）

可见，反射率越大，干涉光强变化越显著，即有高的分辨率，这是法布里-珀罗干涉仪最突出的特点。

通常，可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率，使干涉测量有极高的灵敏性[10]。

2.1.2光纤干涉仪的特点分析

前面介绍的干涉仪有一个共同点：

它们的相干光均在空气中传播。

由于空气受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动及声波的干涉。

这将导致空气光程的变化，造成工作的不稳定，降低精度。

利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除这些影响，并可克服加长光路对相干长度的严格限制，从而制造出千米量级的光路长度的光纤干涉仪。

这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准直等繁琐的工作，容易准直且干涉仪是封闭式的光路，不受外界干扰。

使其更适于现场测量，更接近实用化。

在上述基本原理中，容易搭建光纤干涉仪。

图2.5所示为四种不同类型的全光纤干涉仪结构

迈克尔逊干涉仪这种传感器的特点是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小，同时光的发出与接收在同一侧，属于单端操作。

法布里-泊罗干涉仪传感器的特点是采用单根光纤，利用多束光干涉来检测应变。

避免了前两种传感器所需双根光纤配对的问题，且比迈克尔逊干涉仪更适合于低频率应变信号的测量。

当中光纤中的光遇到光纤两端面后分别产生两束反射光，这两束反射光相遇后产生干涉。

当法布里腔腔长发生变化，两反射光的相位差也随之变化，因此光电探测器输出的电信号随应变的变化而变化。

这种光纤传感器的分辨率很高，充分体现光纤的质轻，灵敏度高的特点，但用于计算时抗干扰能力差，传感头的制作复杂[13]。

萨格纳克干涉仪传感器是光纤传感器中光相位调制型传感器，多用于物理旋转状态的测量，也用于时变信号的测量。

其具有互易性的特点，光程差为0，对光源要求较低，可使用高功率的宽带光源，更适于长距离管道检测。

光纤马赫-泽德与迈克尔逊干涉仪的不同在于，信号光纤在被测环境中，而参考光纤可在其他环境中。

光的发射与接收在传感器的两端，属于双端操作。

随着光纤技术的成