水声传感器简称水听器，是在水中侦听声场信号的仪器。它作为反潜声纳的核心部件，在军事领域中有着重要的应用；在工业生产和民用领域，也有着广泛的用途，如用于海洋石油和天然气的勘探、地震波探测、水声物理研究以及海洋渔业等。

光纤水听器是复杂的光、机、电一体化传感器，其在各种声纳应用中的潜能已被认识到，而且它已达到可与压电水听器相媲美的地步，其最大特点是具有足够高的声压灵敏度，通常比压电陶瓷水听器高3个数量级。现在已经开发出多种不同的光纤水听器，如强度调制型、偏振调制型和相位调制型等。相位调制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。

在新型光纤水听器中，以光纤光栅或光纤光栅激光器作为传感元件水听器的研制业已开始。大量研究工作表明，采用光纤光栅研制的水听器相对于干涉型水听器，具有如下优点：(1) 光纤光栅水听器是波长检测型器件，波长在传输过程中是绝对不变的，水听器的可靠性和稳定性更容易得到保证；(2)光纤光栅本身或光纤光栅激光器本身尺寸小，很容易做成点式水听器来使用；(3)基于波分复用技术(WDM)更容易组成水听器阵列；(4)通过光纤光栅水听器探头结构增敏，并配以高分辨率波长检测技术，特别是采用光纤光栅激光器这种信噪比极高的波长选择性器件可以达到极高的灵敏度。所以，光纤光栅水听器或光纤光栅激光器有比干涉型水听器更为优越的性能，是光纤水听器的一个重要发展方向。

光纤光栅直接测量水声

式中I_in与λ_in为射入光纤光栅的光的强度及波长。当传感光栅置于水中声场时，在水声压的作用下，光纤光栅轴向长度和纤芯折射率将发生相应变化，使得光纤光栅反射光中心波长发生偏移。偏移量正比于外界水声压。

若光纤光栅周围的水声压为p(p=p_Asinω_At，p_A和ω_A分别表示声压的幅度和频率)，考虑到外界声压对光纤光栅透射光强度的影响很小^[95]，则透射光强可表示为

图4.125为当外界声压从120变化至200dB re 1μPa时，光纤光栅水听器所监测到的信号变化情况。其中，声音频率为20kHz；输出功率和LD的输出波长分别为3mW和1549.0nm；利用8103型B&K压电水听器作为水声压参考传感器。光纤光栅水听器所测信号的线性拟和度达到了99%，动态范围超过了70的dB。

图4.126为不同声音频率输入下光纤光栅水听器和压电水听器的瞬时响应。图中，上部为光纤光栅水听器输出信号，下部为作为参考传感器的压电水听器的输出信号。图4.126 (a)中声音频率为20kHz连续波；图4.126 (b)的声音信号为1MHz脉冲波；图4.126 (c)为3MHz的脉冲声音信号。使用电子示波器监测水听器的输出信号。从图中可以看出，波形非常稳定，时域上没有明显波动。

图4.127为光纤光栅水听器的信号输出与声压频率的关系图。其中，LD的输出光功率和外界声压分别稳定在3mW和180dB re 1μPa。图中的y轴为光纤光栅水听器的输出信号与压电水听器的输出信号归一化处理结果。从图中可以看出，尽管有一些波动，测量结果基本趋于平坦。由于实验所用容器较小，很难消除壁面的反射波，所以在容器中易出现驻波。声波频率的变化将改变容器内的声场，致使传感器的测量出现误差。如果在消声水池中做光纤光栅水听器的标定试验，将会提高标定实验的准确性。

 平面型光纤光栅水听器

本节介绍了一种平面圆形薄板结构的平面型光纤光栅水听器探头实现方法^[96]，从理论和实验上研究了传感器的结构增敏能力、动态频率响应特性以及加速度响应特性和多路复用问题，这些特性对于水听器探头都是至关重要的。

1.  工作原理和传感头结构、制作、工艺技术

声压测量原理：通过一平面圆形薄板将动态压力直接转换为光纤光栅的轴向动态应变，由于光纤光栅受到拉伸以及本身的弹光效应，再转化为光纤光栅中心反射波长的动态变化，水听器探头结构如图4.128所示。

加速度响应特性：由于敏感膜片和光纤质量很小，所以，探头的加速度响应输出不会很大。为了尽可能降低该探头的加速度响应特性，在满足安装要求的前提下，尽可能降低敏感膜片中央硬心以及与之连接安装不锈钢管的质量.

圆柱型壳体为整个探头结构的支撑体。薄板和硬心选用不锈钢材料，用线切割技术加工而成；同样，用线切割方法在其中心加工一直径为1mm的微孔，二者用精密夹具定位，使两中心微孔精确对准，用激光点射技术在硬心边缘焊接一圈，使之与平面薄板连为一体。然后，将侧面开孔直径为1 mm的不锈钢管穿过薄板和硬心中央的重合微孔，同样用激光焊接技术将该不锈钢管焊接在硬心上。传感光纤光栅两端分别用直径为0.25mm的毛细不锈钢管保护，它们之间为光纤的有效工作长度L，其最短距离由光栅长度决定，一般为8mm。其中，一端穿过和硬心连为一体侧面开孔直径为1 mm的不锈钢管，注意：将光纤该端弯曲从该管侧面开孔引出，并用激光点焊技术将光纤保护不锈钢管与硬心的不锈钢管焊接在一起。这样，传感FBG一端就与不锈钢管连为一体，固定在平面薄板的中央。然后，将该平面薄板同样用激光点焊技术焊接在圆柱型壳体上。同时，从开孔不锈钢管引出的光纤，转90°或更大的角度，从传感器壳体侧面引出。注意：此段光纤应处于松弛状态。光纤另一端，通过直径为1mm不锈钢管保护，穿过壳体端盖顶部直径为1mm的微孔，用螺钉固定在壳体上。在拧紧固定螺钉之前，给传感光纤一个张力，使传感光纤光栅在不受压力作用时处于张紧拉伸状态。当薄板受到垂直于薄板的压力作用时，薄板中心将在动态压力作用下沿着自身法线方向振动，这样就带动传感光纤光栅也沿自身轴向做伸缩振动，传感光纤光栅的中心反射波长就受到动态调制，这就是该平面型光纤光栅水听器的工作原理。

1.  理论分析

2.1探头结构灵敏度分析

图4.129给出该探头结构的受力弹性形变示意图。先推导附加硬心平面薄板在整个板受均布压力载荷作用以及中央硬心单独受均布压力载荷作用时，其中央硬心挠度变化表达式。设薄板和硬心的密度为ρ_p,弹性模量为E_p，泊松比为μ_p。其中，薄板的半径为R，厚度为h，中央硬心的半径为r₀，厚度为d。薄板的柱面抗挠度为

1.  实验

实验选用光纤光栅参数如下：光栅长度为8 mm，中心波长为1298.50 nm，3 dB带宽为0.25nm，边模抑制比为15 dB。平面圆形薄板半径R=7.5 mm，厚度h=0.15 mm，硬心半径r₀=2.5 mm，厚度d=0.5 mm，安装不锈钢管的质量m_b=15mg。光纤光栅有效工作长度为to=10 mm。按照所述工艺流程制作传感器，最后，光纤FBG预拉伸至1300.50nm。

由上的理论分析可知：水听器的谐振频率为6.2 kHz，灵敏度为28 fm/Pa，加速度响应灵敏度为80.6(fm·s²/m)。

3.1接收灵敏度频率响应实验

灵敏度实验分两个频段进行：100~2000 Hz，采用振动液柱法；200~10,000 Hz在消声水池，各自进行比对测量。

标准压电水听器为B&K Hydrophone Type 8103，灵敏度为-211dB(re 1V/Pa)，电荷灵敏度99×10^-3(pC/Pa)；光纤光栅动态波长解调仪波长跟踪范围为1298.5至1308.5 nm，带宽为100}10,D00Hz，将光源更换为输出功率高达10mW的ASE源，将可调谐滤波器更换为Chameleon Thin film可调谐滤波器，波长检测分辨率为D.004 fm/Hz1}2。利用振动液柱法和消声水池，以100 Hz的频率间隔，采用FBG水听器和标准水听器对比的方法测出所研制FBG水听器的在(10010,000 Hz)频率范围内灵敏度响应特性曲线，如图4.130所示。

可见，水听器谐振频率为6.5 kHz与理论计算结果(6.2 kHz)相差无几，且在(100~500) Hz频率范围内，幅度响应较为平坦，起伏小于3 dB。

3.2灵敏度实验

FBG动态波长解调器如上所述，灵敏度为1.2 V/pm分别对4.7 kHz和2.5 kHz两个频率点进行测试，结果如图4.131和图4.132所示。通过最小二乘法拟合，可得灵敏度分别为24.0(mV/Pa)和27.6(mV/Pa)，对解调仪灵敏度进行归一化处理，可得两个频率点传感器的灵敏度分别为20(frn/Pa)和23(fm/Pa)，与理论分析28(fm/Pa)相近。

声压最小分辨率实验

在幅一频特性较为平坦的几个频率点上：2.5 kHz，3.7 kHz和4.7 kHz，调整声信号发射机面板驱动电压，以逐渐改变消声水池中声压的强度。面板电压从0.5V开始逐渐减小，压电标准水听器和自制FBG水听器都有稳定的输出。当面板电压减小至最小值0.001 V时，柱状换能器的驱动电压为1.04 V，压电标准水听器输出信号幅度为0.68 mV，噪声电平为0.19 mV，信噪比为3.5，对应该点声场声压为0.136 Pa；而自制光纤FBG水听器输出为5.31 mV,噪声电平为0.78 mV，信噪比为6.8，表明FBG水听器最小可探测声压分辨率大于0.136 Pa。

光纤FBG水听器最小可探测声压灵敏度，一是由探头的结构灵敏度决定；二是由光纤FBG解调仪的波长可检测分辨率决定。进一步增大光源功率以及更换边缘更陡的滤波器，可提高解调仪的波长可检测分辨率，进而提高系统的声压分辨率；采用FBG激光边波法或干涉式FBG动态波长解调技术，同样可提高系统的声压分辨率；在探头结构不变的前提下，采用光纤FBG激光敏感腔代替现有的敏感FBG，可提高系统声压分辨率。光纤FBG激光器本身具有很高的信噪比，其激光反射谱线极窄，可以采用不平衡长度相当长的M-Z干涉仪进行解调，将获得相当高的(系统)声压可探测分辨率。

3.4加速度响应特性研究

利用振动台产生过载加速度，将标准压电加速度计和所研制的光纤FBG水听器做比对，对所研制FBG水听器的加速度特性进行实验测试，图4.133为实验原理框图。

将一圆盘与振动台刚性连接，在圆盘上面同样通过刚性连接固定标准压电加速度计和待研究的FBG水听器，其他完全同上。压电加速度计的电荷灵敏度150.57 pC·s²/m，振动台振动加速度在1m/s²左右，DLF系列电压积分滤波器工作在电荷放大状态，适调开关为151，放大倍数为0.01 V/U，分别对以下频率点32 Hz，60 Hz，90 Hz，120 Hz，148 Hz，180 Hz作测量，可得到该探头的加速度灵敏度，见图4.134。所研制FBG水听器探头的系统加速度灵敏度在70~90(mV·s²/m)之间，对解调仪灵敏度进行归一化处理，探头的加速度灵敏度在58~75(fm·s²/m)之间，与理论分析结果80.6(fm·s²/m)接近，它基本等效(2.52~3.26)Pa水声压力直接作用在它上面的输出，表明所研制的光纤FBG水听器探头自身具有很低的抗加速度特性，对于用于拖曳阵的光纤FBG水听器探头必需进行加速度去敏方法的研究。