一些水下机动探测平台上的应用,如UUV等,对光纤水声传感器提出了小型化的需求。小型化的光纤水声传感器可以大大减小安装体积,在相同体积内具有更高的阵元数,从而增强探测能力。传统的长臂干涉仪方案在传感器微型化过程中遇到瓶颈,新一代MEMS技术的发展为解决传感器的微型化问题提供了一条新路径。本论文针对光纤水声传感器微型化的一些关键技术展开研究,采用非本征光纤F-P干涉仪方案,结合微加工技术,制作微型化的水听器和加速度计。本论文的主要成果和创新点如下:(1).分别采用几何光学法、高斯光束耦合法以及双步衍射理论,对基于光纤端面和敏感反射面的非本征F-P腔的光学传输特性进行了建模和分析。腔长在50μm～300μm之间时,F-P腔都能获得相对较高的可见度。当F-P腔体填充水时,传感器的可见度并不会显著降低,具有较高可见度的腔长范围增大。对膜片后表面反射的影响进行了分析并提出了解决方法。(2).建立了声压传感结构和加速度传感结构的理论模型。指出了中央凸台膜片在保持中央区域形状从而保持F-P腔的传输特性上的重要作用。在水中工作时,附加质量效应将导致声压传感器的谐振频率降低至几kHz。引入了品质因数来描述加速度传感结构灵敏度与谐振频率的制约关系,该因数近似与传感结构无关,与材料和结构尺寸也无关,可大大简化加速度传感特性的分析流程。对加速度传感结构采用镀高反金属膜的方法,有效克服了厚反射片后表明反射的影响。设计了声压传感器和加速度传感器的小尺寸简易安装结构,制作的传感器体积约为?5mm×10 mm,且具有较好的光学特性。(3).对基于波长调谐的工作点控制方法进行了深入的研究。证明了仅采用加工和制作的方式不能稳定地控制工作点。给出了基于波长反馈调谐的工作点控制解调系统的实现流程。对三种结构的声压传感器在水中和空气中的工作点稳定性进行了测试,结果表明工作点的不稳定性主要来源于外界对传感膜片的扰动。工作点控制法易于实现,较为适合实验室环境下对传感器的测试。(4).对白光路径匹配差分干涉相位解调系统进行了详细的分析。通过在匹配干涉仪上施加正弦相位调制,我们将PGC相位调制解调技术引入到EFPI传感器解调中。此外,我们还提出了基于匹配干涉仪降噪的系统改进方案,通过监测匹配干涉仪的相位,可以有效消除共光路噪声。该改进方案在辅助路径匹配、监控光程差失配、控制可见度、抑制噪声等方面具有独特的优势。(5).对受限于强度噪声的白光干涉系统的相位噪声进行了分析。以微分交叉相乘算法为例,对PGC相位调制解调系统中强度噪声向相位噪声的转化过程进行了详细地推导。相位噪声与强度噪声成正比,与可见度成反比,受限于光源强度噪声的系统相位噪声理论极限值约为RIN+12.5 dB。对量化噪声对系统噪声性能的影响进行了分析,采样位数大于12位的采集系统基本上不受量化噪声的影响。不同光源下白光路径匹配差分干涉系统的相位噪声测试结果与理论结果较为吻合。本文的分析理论亦适用于一般的受限于光源强度噪声的干涉型相位测量系统。对噪声抑制算法进行了研究,提出了基于相关性的多子带NLMS自适应噪声对消方法,得到了～-97.2 dB re.rad/√Hz@10 Hz的结果,小于传统长臂干涉系统的噪声值。本文建立的传感系统在低频检测应用中具有独特的优势。(6).制作的传感器进行了测试。水下声压传感器的声压灵敏度约为-154.6 dB,谐振频率～4 kHz。但直接封装结构存在耐压性问题,而在外部加保护膜结构会引入与频率相关的声传播损失。我们设计了一种耐压透声封装结构,得到了与深度无关的平坦的声压灵敏度频响曲线。平坦区频率上限可达500 Hz,灵敏度值为-152.4 dB,整体封装的尺寸为?12 mm×14 mm。该结构有效解决了声压传感器在水中应用时面临的耐压性问题。加速度计的灵敏度约为-10 dB re.rad/g,谐振频率约为2500 Hz,最小可测加速度约为31.6μg/√Hz,接近现有技术水平的极限～10μg/√Hz。对中低精细度EFPI加速度计不同反射阶次匹配干涉的加速度相位灵敏度的测试结果表明,采用多次反射的方式可以在谐振频率不变的情况下从光学上提高加速度相位灵敏度,但由于高阶次反射会导致干涉条纹可见度降低,多次反射并不能改善对弱信号的检测能力。基于该类型加速计制作了一维同振式矢量水听器,声压灵敏度约为-196.0 dB@1 kHz,基本按每倍频程6 dB变化。本论文虽然针对水下声传感技术展开研究,但由于本论文研究的传感系统具有传感器体积小、传感结构设计和加工灵活、低频噪声低、传感头不受电磁干扰、价格低廉、传感精度高、解调系统工作频带宽等特点,相关成果在空气声测量、冲击波测试、强电磁干扰下的振动测量、地震监测等领域具有巨大的潜在应用前景。