一种FBG水听器探头增敏结构的研究

　　FBG水听器技术是近年来得到迅速发展的水声探测技术[1-2].它具有无需阻抗匹配、本质上抗电磁干扰、适于远距离大范围监测等诸多优点;由于FBG的传感信息直接由波长编码,而波长是绝对的参数,不会受到总的光强变化、光纤连接和耦合的损失以及光源功率变化的影响,因此基于FBG的水听器信号比较不易受到干扰;此外正因为FBG传感具有波长编码的特性,因此它能方便地利用波分复用技术(WDM)在同一根光纤中串接多个FBG水听器进行分布式测量,从而实现全光纤探测和传输,使得水听器成阵时可大大减少水听器阵列的重量和尺寸,并降低成本,因而在应用上具有很大优势.由于FBG在压力灵敏度上存在较大不足[3-4],为了实现FBG水听器对小声信号的探测,还需要大大提高其声压灵敏度.1999年D.J.Hill指出[5],由于声场均匀压力引起的光栅栅距和光纤有效折射率的变化而导致的波长漂移幅度相近而符号相反,它们的迭加效果小于它们单独作用的效果.因此,在增敏设计中,一方面需要提高由压力引起的光纤轴向或径向应变,另一方面还需要避免由光栅栅距和光纤有效折射率变化而导致的波长漂移的相互抵消.基于该原理,本文提出了一种薄壳弹簧形式的增敏结构,利用该结构形式的探头对FBG进行封装后,不仅增大了压力的作用面积,还将水声径向压力转化为了FBG的轴向应变,从而大大增加了FBG水听器对声压信号的敏感度.

　　1 FBG传感原理及特点

　　光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内离子相互作用引起的折射率的永久性变化)在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或者反射镜.光纤光栅有多个种类,其中FBG(光纤布喇格光栅)成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生布喇格光栅效应,其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学反射元件,满足如下光学方程[6].

　　其中:λB为布喇格波长,+是光栅周期,neff是纤芯的有效折射率.

　　FBG水听器基本结构如图1所示,用一束宽光谱光源注入光纤,经一个3dB光纤耦合器分成两束,其中一束继续经光纤传输至FBG,从FBG将反射回一个中心波长为布喇格波长KB的窄带光波;当FBG受到声压作用后发生弹性形变,就会使反射的布喇格波长发生漂移;这个变化可以从光栅的反射光谱中检测出来,将改变的布喇格波长与未受影响时的布喇格波长进行比较,就可以测定光栅的受激励程度,从而解调出声压信号.因此传感信息直接由波长编码,不会受到总的光强、光纤连接和耦合的损失以及光源功率变化的影响.其传感信息流程如图2所示.

　　FBG水听器的信号解调本质上是对传感光栅反射谱进行实时监测,分析出编码波长.目前发展出来的解调方法主要有边缘滤波法、被动解调法、可调谐窄带滤波器扫描法、光纤光栅扫描滤波法等方法,