CN108731789A - 基于光电振荡器的水声探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光电振荡器的水声探测装置。该装置包括：激光光源电路、光电振荡环路和频率解调电路。该装置通过将相移光纤光栅或光纤光栅F‑P腔干涉仪嵌入到微波光子滤波器中，利用弹性柱体使外界声波变化转化为光纤光栅应力或压力变化，进而引起的波长变化转为微波光子滤波器中心频率的变化，从而使光电振荡器输出微波信号的频率发生变化。通过数字信号解调技术分析频率变化完成水下声场探测。相比常规光纤水听器装置，本发明装置具有更高的精度、解调速度、信噪比以及大动态范围。所涉及的技术内容主要包括微波光子滤波器制作技术、多频光电振荡技术、标量声压和三维声场测量技术、信号解调技术、封装技术和阵列复用技术。

Description

基于光电振荡器的水声探测装置

技术领域

本发明涉及光纤水声探测技术领域，尤其涉及一种基于光电振荡器的水声探测装置。

背景技术

目前，光纤光栅水听器技术主要分为普通光纤布拉格光栅(FBG)型、光纤光栅法布里珀罗(FBG-FP)腔型、光纤激光型。基于普通FBG的光纤水听器技术是较早被研究的一种光纤水声探测技术，主要分为强度调制型和干涉型两类。强度调制型FBG水听器技术利用优良的可调谐激光器或者高精度的波长扫描装置把反射光中心波长的变化转化为光强变化。干涉型FBG水听器技术利用非平衡干涉仪通过相位检测技术实现高精度传感，但解调干涉仪的臂长差受FBG反射光相干长度的限制，实际系统需要对探测精度和灵敏度折中选择。由于裸光栅的声压相位灵敏度只有6pm/MPa，信号的探测和解调难度较大，所以限制该种光纤光栅水听器发展的关键技术主要是FBG的增敏技术和高精度的信号解调技术。基于FBG水听器技术虽然可以极大地降低阵列的空间体积，但受FBG带宽和波长分辨率的限制，即使采用增敏封装，其声压相位灵敏度与相位噪声仍然难以与采用相干检测的干涉型光纤水听器技术相比，因此系统性能远低于干涉型光纤水听器技术。且随着传感系统的不断扩大，系统损耗会不断增加，传感系统反射的光强不断减弱，造成系统信噪比下降。

基于FBG-FP腔传感技术早期较多的采用宽谱光源的低相干检测方法，这种方法探测精度较低，难以满足高性能光纤水听器的苛刻指标。因此，基于FBG-FP腔的光纤水听器技术必须采用高精度的高相干检测方法，通过更精细的相位检测来获得与水声信号有关的FBG-FP腔长变化。美国的TB-33拖曳系统和挪威的大规模地震监测系统采用的都是这种方案。基于FBG-FP腔的光纤水听器技术虽然在探头灵敏度、结构小型化设计和大规模组阵方面更具优势，但需要复杂的干涉解调设备，为了达到更高精度，波长与相位的响应越大，干涉臂长差越大，但是较大的臂长差也耦合进了更多的环境噪声，使得传感信号的精度降低，需要超高精度的温度控制装置来控制干涉仪周围的的温度场分布，会大大增加系统的造价。同时这种水听器技术容易受到外界环境扰动，需要引入抗偏振衰弱技术来抑制偏振导致的信号衰弱。

光纤激光水听器技术由于具有复用能力强且光纤光栅激光器的长度一般为厘米量级，特别适合于构造超细水听器阵列，同时它可以满足对光纤水听器阵列的平台重量和功率限制等要求，其在水下探测领域具有一定的应用前景。但是尽管光纤激光水听器技术在构造波分复用阵列方面具有结构简单的优势，但由于增益有源光纤和泵浦光的引入使得结构更为复杂，增加了制造难度。大量光纤激光器作为传感元件放在湿端，使得系统性能保障难度极大。另外，泵浦吸收问题导致单根光纤能够承载的传感基元数严重受限，而激光谐振腔相干坍塌问题即作为传感器的光纤激光器容易受到背向反射激光干扰而缺乏稳定性，使得大规模阵列中各个基元的性能都会受到干扰。目前，现有的光纤光栅水听器技术中的单基元的高性能指标和阵列实现大复用数目还不能同时满足，制约了光纤激光水听器技术地发展。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于光电振荡器的水声探测装置，以克服现有技术的缺点。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于光电振荡器的水声探测装置，包括：激光光源电路、光电振荡环路和频率解调电路；

所述激光光源电路，用于产生连续单频激光，输出光载波给光电振荡环路；

所述光电振荡环路，用于通过传感探头将水声压强信号转化为光纤光栅的压力信号，所述光纤光栅的压力与所述光纤光栅的谐振波长有关，利用激光源、第一偏振控制器、相位调制器、单模光纤、光环形器、传感探头和光电探测器构成微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的中心频率由激光器中心频率和传感探头的光纤光栅的谐振波长共同决定，所述微波光子滤波器将所述光载波调制成双边带调制信号，将所述双边带调制信号转变为电信号，将所述电信号传输给所述频率解调电路；

所述的频率解调电路，用于采用数字信号频率解调技术解调出所述电信号的频率变化信息，获取所述微波光子滤波器的中心频率，根据所述微波光子滤波器的中心频率获取所述水声压强信号的强度。

进一步地，所述传感探头由保偏相移光纤光栅或保偏光纤光栅F-P干涉仪构成，包括弹性波纹膜片，当应用于标量水声场时，通过所述弹性波纹膜片将水声压强p转化为传感探头上的侧向压力F；当应用于三维矢量水声场时，通过所述弹性波纹膜片将水声压强p转化为传感探头上的轴向应力，利用测量加速度来实现三维矢量水声场的测量。

进一步地，当应用于标量水声场时，所述传感探头的封装结构采用弹性波纹膜片半开放腔封装方式，标量声压传感探头采用半开放和声压增敏封装，利用弹性波纹膜片来充当换能器，所述弹性波纹膜片的上下表面都处于同样的静水压下,将环境水声压强p转化为传感探头上的侧向压力；

当应用于三维矢量水声场时，所述传感探头封装采用三分量正交一体化的芯轴式推挽结构，所用芯轴为薄壁空心刚性柱体，由3根弹性柱体支撑1个质量块相对的两柱体内嵌入相移光纤光栅或光纤光栅F-P干涉仪，成为各分量两臂，窄带光纤光栅滤波器粘贴在薄壁空心刚性柱体内侧，在轴向加速度作用下，质量块对相对的弹性柱体分别施加拉伸和压缩力。

进一步地，通过所述弹性波纹膜片将水声压强p转化为传感探头上的侧向压力F的转化公式为：

其中，Ap和Kp分别是当均匀压力场作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，A_F和K_F分别是当集中点应力作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，R是所述弹性波纹膜片的半径。

进一步地，当应用于三维矢量水声场时，所述光电振荡环路包括：相位调制器、单模光纤、第一偏振控制器、光环行器、1×3耦合器、传感探头、光电探测器、电放大器、功分器和控制环路；

当应用于标量水声场时，所述光电振荡环路包括：相位调制器、单模光纤、第一偏振控制器、光环行器、传感探头、光电探测器、电放大器、功分器和控制环路。

进一步地，所述第一偏振控制器，用于控制所述激光源产生的连续偏振光的偏振态，输出光载波给相位调制器；

所述相位调制器，用于含有射频输入端口和光输入端口，所述光电振荡环路产生的微波振荡信号加载到射频输入端口，所述偏振控制器输出的光载波加载到光输入端口，则微波振荡信号被调制到光载波上，输出偏振态相互垂直的双边带调制信号：载波f₀和边带f_±1；

所述载波f₀和边带f_±1经由所述相位调制器输出后，经过一段单模光纤由光环形器进入所述传感探头，所述传感探头过滤掉所述边带f_±1中的一个边带后，反射回载波和另外一个边带。

进一步地，所述控制环路包括通过偏振分束器、第二偏振控制器、一段长光纤、第三偏振控制器、一段短光纤和偏振合束器在光域形成的双环路；

所述偏振分束器根据偏振特性将所述光电振荡光路中的信号分成两部分，其中一部分信号经过所述第二偏振控制器和所述一段长光纤，另一部分信号经过所述第三偏振控制器和一段短光纤传输后，在所述偏振合束器处进行合并；

所述偏振合束器输出的干涉后的载波f₀和其中一个边带f_±1的偏振态经过光电探测器转变为电信号，该电信号被电放大器放大后，由功分器分成两部分，其中一部分电信号加载到相位调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分电信号作为微波信号的输出，传输到频率解调电路。

进一步地，所述频率解调电路得到的所述微波光子滤波器的中心频率变化量和所述水声压强信号的强度之间的对应关系为：

其中，K是由光纤机械和几何特性决定的常数，Ap和Kp分别是当均匀压力场作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，A_F和K_F分别是当集中点应力作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，R是所述弹性波纹膜片的半径。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于光电振荡器的水声探测装置利用了光电振荡器的高Q值、低相噪和高频稳定性等特点，将慢速、低分辨率的光波长测量转化为快速高精度的微波频率测量，提高水声探测的精度、响应速率、信噪比和动态范围。相比常规光纤水听器装置，本发明提供的装置设计更加灵活、解调速率更快、系统分辨精度更高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于单环光电振荡器的三维矢量水声场探测装置的结构示意图。

图2为本发明基于单环光电振荡器的标量声压探测装置的结构示意图。

图3为本发明水声传感探头的标量和矢量封装结构示意图。

图4为本发明基于双环光电振荡器的三维矢量水声场探测装置的结构示意图。

图5为本发明基于三环光电振荡器的三维矢量水声场探测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

为了解决上述光纤光栅水听器技术的各种制约问题，本发明实施例提出了一种基于光电振荡器的水声探测装置。其中光电振荡器是一种基于微波光子学技术的光生微波方案，能够产生高Q值、低相位噪声和高稳定度的微波信号。光电振荡器是由激光源、相位调制器、光纤、光电探测器、微波放大器、滤波器和功分器等组成的正反馈谐振腔结构，其工作过程为：激光源产生频谱宽度较窄的连续光，经相位调制器调制后进入特殊结构的窄带光纤光栅滤波器，过滤掉一个边带，然后由光电探测器转变成电信号；该电信号经过滤波器和微波放大器后，由功分器分成两部分；其中一部分加载到相位调制器的射频输入端，形成正反馈环路，另一部分作为微波信号的输出。当环路中的增益足以补偿环路中的损耗时，环路中就可以形成稳定振荡的微波信号，该振荡信号的频率与滤波器的中心频率和环路的长度有关。通过传感探头的独创封装，将声波转化为施加在光纤光栅上的轴向应力和侧向压力，实现标量声压和三维矢量声场的快速高精度探测。

本发明实施例提供的一种基于可调谐光电振荡器的水声探测装置，该装置可以应用于标量声压探测和三维矢量声场探测方面，该装置包含激光光源电路(1)、光电振荡环路(2)、频率解调电路(3)和封装结构部分(4)。

图1为本发明实施例提供的一种基于单环光电振荡器的三维矢量水声场探测装置的结构示意图，图1中的三维矢量声场探测光电振荡环路(2)包括相位调制器、单模光纤、偏振控制器、光环行器、1×3耦合器、相移光纤光栅对或光纤光栅F-P腔干涉仪对、光电探测器、电放大器、功分器、控制环路。

图2为本发明实施例提供的一种基于单环光电振荡器的标量声压探测装置的结构示意图。图2中的标量声压探测光电振荡环路(2)包括相位调制器、单模光纤、偏振控制器、光环行器、保偏相移光纤光栅或保偏相移光纤光栅F-P腔干涉仪、光电探测器、电放大器、功分器、控制环路。

所述激光光源电路(1)中的激光源(5)用于产生稳定的连续单频激光；所述第一偏振控制器(6)用于控制所述激光源(5)产生的连续偏振光的偏振态，输出光载波给相位调制器(7)。

所述光电振荡环路(2)中的相位调制器(7)含有射频输入端口和光输入端口，光电振荡器产生的微波振荡信号加载到射频输入端口，所述第一偏振控制器(6)输出的光载波加载到光输入端口，则微波振荡信号被调制到光载波上，输出特殊的双边带调制信号：载波f₀和边带f_±1，并且载波f₀和边带f_±1的偏振态相互垂直，边带f_±1可以是一阶边带，也可以高阶边带。

偏振态相互垂直的载波f₀和边带f_±1经由相位调制器(7)输出后，经过一段单模光纤(8)由光环形器(9)进入窄带的光纤光栅透射滤波器即传感探头(10)，过滤掉一个边带，传感探头(10)反射回载波和另外一个边带。

传感探头(10)由保偏相移光纤光栅或保偏光纤光栅F-P干涉仪构成，其作为声波的测量单元，通过独特的机构封装，实现标量声压的感知。

在图1中，偏振分束器(11)、第二偏振控制器(15)、一段长光纤(13)、第三偏振控制器(14)、一段短光纤(12)和偏振合束器(16)在光域形成双环路。

所述偏振分束器(11)根据偏振特性将光电振荡光路中的信号分成两部分，其中一部分经过第二偏振控制器(15)和一段长光纤(13)，另一部分经过第三偏振控制器(14)和一段短光纤(12)传输后，在偏振合束器(16)处进行合并。由于两部分经过的环路长度不同，因此其自由频谱范围(FSR)也不相同。环路越长，FSR越小；环路越短，FSR越大。只有频率重合的模式才能获得足够的增益，形成稳定的振荡。

偏振合束器(16)输出的干涉后的载波f₀和其中一个边带f_±1的偏振态经过光电探测器(17)转变为电信号，该电信号被电放大器(18)放大后，由功分器(19)分成两部分，其中一部分加载到相位调制器(7)的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分作为微波信号的输出，传输到频率解调电路(3)。

上述频率解调电路(3)采用数字信号频率解调技术和光电振荡器腔长反馈控制技术进行高速解调，其中数字信号频率解调技术包括控制电路、数字信号处理器和显示器。光电振荡器腔长反馈控制技术包括腔长控制模块、鉴相器、光时延线模块，微处理器。频率解调电路(3)的作用是将系统的频率变化信号转化为电压变化信号输出。

由于窄带光纤光栅滤波器(10)的作用，其会在环路中引入一个频率相关的损耗，从而达到选频的效果，形成微波光子滤波器。因此，所述的激光源(5)、第一偏振控制器(6)、相位调制器(7)、单模光纤(8)、光环形器(9)、传感探头(10)和光电探测器(17)形成一微波光子滤波器，该微波光子滤波器的中心频率由激光器中心频率和窄带光纤光栅滤波器的透射中心频率共同决定，相当于从波长域转化到频率域，由于光纤光栅的谐振波长与侧向压力有关，推导出中心频率与传感探头的光纤光栅上的侧向压力相关联，进而与声压强度有关。

由于常见的光电振荡器环路长度一般在几百至千米，所以产生微波信号的自由频率范围在kHz到MHz量级，然而一般的微波光子滤波器带宽比较宽，无法实现单一的振荡模式，因而可以通过双环路光电振荡器来增大所产生微波信号的自由频率范围。双环路光电振荡器可以在光路上实现，也可以在电路上实现。

传感探头的封装结构如下图3所示。标量声压传感探头采用现在比较成熟的水声换能设备弹性波纹膜片，通过下图3的封装方式可以将水声压强信号转化为光纤光栅的侧向压力信号。标量封装结构采用弹性波纹膜片半开放腔封装方式，标量声压传感探头采用半开放和声压增敏封装(腐蚀和涂覆敏感材料)，利用弹性波纹膜片(22)来充当换能器，将环境声压转化为侧向压力作用于保偏相移光纤光栅或保偏光纤光栅F-P干涉仪上。为了消除静水压的影响，采用半开放封装方法，单元内部与外界环境连通，膜片的上下表面都处于同样的静水压下，当水深变化时，拍频信号将不会发生改变，对于温度影响，可以通过解调单个微波信号的频率变化来进行温度标定。

三维矢量声场传感探头封装采用三分量正交一体化的芯轴式推挽结构，所用芯轴为薄壁空心刚性柱体(20)，由3根弹性柱体支撑1个质量块(21)相对的两柱体内嵌入相移光纤光栅或光纤光栅F-P干涉仪成为各分量两臂。窄带光纤光栅滤波器粘贴在薄壁空心刚性柱体内侧，在轴向加速度作用下，质量块对相对的弹性柱体分别施加拉伸和压缩力，弹性柱体的轴向形变导致对粘贴在弹性柱体内的窄带光纤光栅滤波器产生应力效果，通过波长和频率转化，进而在频谱上产生频率差，通过检测频率差的变化从而测出加速度。当加速度垂直于弹性柱体轴向时两弹性柱体产生相同的变化频率差变化为零。因此矢量水听器各轴只对弹性柱体轴向上的加速度分量敏感而对垂直于轴向上的加速度分量不敏感具有很好的方向性。

声压p通过弹性波纹膜片转化为传感探头上的侧向压力F可以表示为：

其中，Ap和Kp分别是当均匀压力场作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数。A_F和K_F分别是当集中点应力作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数。R是膜片的半径。

最终得到基于可调谐光电振荡器的水声探测装置的频率变化量Δf，即微波光子滤波器中心频率变化，和声压的对应关系：

其中，K是由光纤机械和几何特性决定的常数。

从上述公式可以看出，声压会影响振荡信号的频率，因此可以通过频率的变化量来测量声压。

对于三维矢量声场测量部分，其光电振荡器结构和标量声压测量部分相似。其原理是利用测量加速度来实现矢量声场的测量，将声波转化为施加在光纤光栅传感探头上的轴向应力。

假设质量块的弹性模量为E，质量块截面积A，薄壁管两端长l,轴向位移为y,其中该结构的加速度可以表示为

根据光栅的应力传感原理，Δλ≈0.78ελ，ε表示光纤光栅的轴向应力，可以推算出传感器探头的灵敏度系数：

利用频分复用和时分复用技术实现上述装置的阵列复用。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，

所述矢量探测部分单环六频振荡结构可以用双环三频振荡或三环双频结构替代，如图4和5装置结构所示。这些简单变型均属于本发明的保护范围。

图4为本发明基于双环光电振荡器的三维矢量水声场探测装置的结构示意图，包括两个独立的单环振荡，并联结构连接，每个环的振荡原理与单环结构相同，可以解决单环多频振荡中每个振荡频率增益需求无法满足的问题。

图5为本发明基于三环光电振荡器的三维矢量水声场探测装置的结构示意图。包括三个独立的单环振荡，并联结构连接，每个环的振荡原理与单环结构相同，可以解决单环多频振荡中每个振荡频率增益需求无法满足的问题。

综上所述，本发明实施例提供的基于光电振荡器的水声探测装置利用了光电振荡器的高Q值、低相噪和高频稳定性等特点，将慢速、低分辨率的光波长测量转化为快速高精度的微波频率测量，提高水声探测的精度、响应速率、信噪比和动态范围。相比常规光纤水听器装置，本发明提供的装置设计更加灵活、解调速率更快、系统分辨精度更高。

本发明所使用的传感探头为光纤光栅，更适合利用频分复用和时分复用进行大规模的阵列集成复用。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，包括：激光光源电路、光电振荡环路和频率解调电路；

所述激光光源电路，用于产生连续单频激光，输出光载波给光电振荡环路；

所述光电振荡环路，用于通过传感探头将水声压强信号转化为光纤光栅的压力信号，所述光纤光栅的压力与所述光纤光栅的谐振波长有关，利用激光源、第一偏振控制器、相位调制器、单模光纤、光环形器、传感探头和光电探测器构成微波光子滤波器，所述微波光子滤波器的中心频率由激光器中心频率和传感探头的光纤光栅的谐振波长共同决定，所述微波光子滤波器将所述光载波调制成双边带调制信号，将所述双边带调制信号转变为电信号，将所述电信号传输给所述频率解调电路；

所述的频率解调电路，用于采用数字信号频率解调技术解调出所述电信号的频率变化信息，获取所述微波光子滤波器的中心频率，根据所述微波光子滤波器的中心频率获取所述水声压强信号的强度。

2.根据权利要求1所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，所述传感探头由保偏相移光纤光栅或保偏光纤光栅F-P干涉仪构成，包括弹性波纹膜片，当应用于标量水声场时，通过所述弹性波纹膜片将水声压强p转化为传感探头上的侧向压力F；当应用于三维矢量水声场时，通过所述弹性波纹膜片将水声压强p转化为传感探头上的轴向应力，利用测量加速度来实现三维矢量水声场的测量。

3.根据权利要求2所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，当应用于标量水声场时，所述传感探头的封装结构采用弹性波纹膜片半开放腔封装方式，标量声压传感探头采用半开放和声压增敏封装，利用弹性波纹膜片来充当换能器，所述弹性波纹膜片的上下表面都处于同样的静水压下,将环境水声压强p转化为传感探头上的侧向压力；

当应用于三维矢量水声场时，所述传感探头封装采用三分量正交一体化的芯轴式推挽结构，所用芯轴为薄壁空心刚性柱体，由3根弹性柱体支撑1个质量块相对的两柱体内嵌入相移光纤光栅或光纤光栅F-P干涉仪，成为各分量两臂，窄带光纤光栅滤波器粘贴在薄壁空心刚性柱体内侧，在轴向加速度作用下，质量块对相对的弹性柱体分别施加拉伸和压缩力。

4.根据权利要求2所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，通过所述弹性波纹膜片将水声压强p转化为传感探头上的侧向压力F的转化公式为：

其中，Ap和Kp分别是当均匀压力场作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，A_F和K_F分别是当集中点应力作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，R是所述弹性波纹膜片的半径。

5.根据权利要求4所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，当应用于三维矢量水声场时，所述光电振荡环路包括：相位调制器、单模光纤、第一偏振控制器、光环行器、1×3耦合器、传感探头、光电探测器、电放大器、功分器和控制环路；

当应用于标量水声场时，所述光电振荡环路包括：相位调制器、单模光纤、第一偏振控制器、光环行器、传感探头、光电探测器、电放大器、功分器和控制环路。

6.根据权利要求5所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于：

所述第一偏振控制器，用于控制所述激光源产生的连续偏振光的偏振态，输出光载波给相位调制器；

所述相位调制器，用于含有射频输入端口和光输入端口，所述光电振荡环路产生的微波振荡信号加载到射频输入端口，所述偏振控制器输出的光载波加载到光输入端口，则微波振荡信号被调制到光载波上，输出偏振态相互垂直的双边带调制信号：载波f₀和边带f_±1；

所述载波f₀和边带f_±1经由所述相位调制器输出后，经过一段单模光纤由光环形器进入所述传感探头，所述传感探头过滤掉所述边带f_±1中的一个边带后，反射回载波和另外一个边带。

7.根据权利要求6所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，所述控制环路包括通过偏振分束器、第二偏振控制器、一段长光纤、第三偏振控制器、一段短光纤和偏振合束器在光域形成的双环路；

所述偏振分束器根据偏振特性将所述光电振荡光路中的信号分成两部分，其中一部分信号经过所述第二偏振控制器和所述一段长光纤，另一部分信号经过所述第三偏振控制器和一段短光纤传输后，在所述偏振合束器处进行合并；

所述偏振合束器输出的干涉后的载波f₀和其中一个边带f_±1的偏振态经过光电探测器转变为电信号，该电信号被电放大器放大后，由功分器分成两部分，其中一部分电信号加载到相位调制器的射频端，形成光电振荡器的环路，另一部分电信号作为微波信号的输出，传输到频率解调电路。

8.根据权利要求7所述的基于光电振荡器的水声探测装置，其特征在于，所述频率解调电路得到的所述微波光子滤波器的中心频率变化量和所述水声压强信号的强度之间的对应关系为：

其中，K是由光纤机械和几何特性决定的常数，Ap和Kp分别是当均匀压力场作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，A_F和K_F分别是当集中点应力作用于弹性波纹膜片时，由硬芯结构引起的拉伸非线性项的无量纲劲度系数和弯曲劲度系数，R是所述弹性波纹膜片的半径。