（光学工程专业论文）sagnac光纤水听器阵列关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 在s a g n a c 干涉仪中不需要考虑相位衰落和光源相位噪声问题，偏振衰落问题 也可通过在干涉仪中插入l y o t 退偏器的方法得到很好解决，因此基于s a g n a c 干 涉仪的光纤水听器与基于m a c h z e h n d e r ( m z ) 干涉仪的光纤水听器相比有其独特优 势。 本论文以探索适用于声信号测量的s a g n a c 光纤传感阵列技术为目标，首先综 合分析了s a g n a c 干涉仪对声信号的响应特性和阵列情况下影响s a g n a c 光纤水昕器 传感性能的主要因素。针对s a g n a c 光纤水听器阵列信号处理，折叠结构的时分复 用和噪声光脉冲抑制等关键技术进行了理论和实验研究。提出了双折叠结构 s a g n a c 光纤传感阵列方案，并对其中的信号串扰问题进行了深入研究，制作了动 态范围达1 7 3 d b 的s a g n a c 光纤传感实验系统。本论文完成了国内首条四基元 s a g n a c 光纤水听器阵列，并在此基础上进行了声信号角速度双参量同阵列测量的 验证实验。 本论文的主要研究成果和创新如下： 1 、提出了适用于双折叠结构s a g n a c 光纤传感阵列的交替相位偏置信号处理方 案，降低了对光源稳定性的要求，消除了光源和探测电路引入的低频噪声，并可 对非互易相位漂移进行测量和实时补偿。 2 、针对折叠结构s a g n a c 光纤传感阵列提出了基于主动相位偏置的时分复用方 案，实现了信号光脉冲与噪声光脉冲的分离。发现并从理论上解释了折叠结构 s a g n a c 干涉仪中使用正交共轭镜( 法拉第旋转镜) 引起干涉信号发生稳定万相移 的现象，实现了小信号情况下的噪声光脉冲抑制。 3 、提出了具备大动态范围调节能力的双折叠s a g n a c 光纤水听器阵列方案，分 析了双折叠结构中的信号串扰问题，研制了实验验证系统，实验测试表明该系统 动态范围可达1 7 3 d b 。 4 、提出了在阵列情况下，进行声信号角速度双参量测量的概念，并完成了原 理性实验；该传感方式可以为光纤水听器拖曳阵的阵形估计和岸基阵的安全预警 提供新的传感手段。 主题词：光纤水听器s a g n a c 干涉仪 水听器阵列 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t 硼1 ef i b e r - o p t i ch y d r o p h o n ea r r a yb a s e do ns a g n a ci n t e r f e r o m o t e r sp r e s e n t ss e v e r a l a d v a n t a g e so v e rt h ea c o u s t i cs e n s o ra r r a yb a s e do nm a c h z e h n d e r ( m z ) i n t e r f e r o m e t e r s 1 1 1 ef o r m e ri si n s e n s i t i v et os i g n a lf a d i n ga n ds o u i c 圮p h a s en o i s ea n dc a nb ee a s i l y d e s e n s i t i z e dt o p o l a r i z a t i o nf a d i n gj u s tb yi n s e r t i n g al y o td e p o l a r i z e ri n t h e i n t e r f e r o m e t e r t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t so u re f f o r t st od e v e l o pt h ek e yt e c h n o l o g i e so fs a g n a c b a s e ds e l i s o ra r r a y ( s s a ) f o ra c o u s t i cs e n s i n g t h ea c o u s t i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c si n t h es a g n a ci n t e f f e r o m e t e ra n dt h em a i nf a c t o r st h a tm a yl i m i tt h ep e r f o r m a n c e so ft h e s s aa r ea n a l y z e d t h es i g n a lp r o c e s s i n g ，t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga n d a n t i n o i s e - p u l s e s - o v e r l a pi nt h ef o l d e ds a g n a cs e n s o ra r r a y ( f s s a ) a r ep r o p o s e da n d d e m o n s t r a t e d t h ed y n a m i cr a n g ea n dc r o s s t a l ka r ca n a l y z e di nt h ed o u b i l ef o l d e ds s a ( d f s s a ) ，a n dad f s i 谢t h17 3 d bd y n a m i cr a n g ei sp r e s e n t e d a4 - s e n s o rs s a i s d e v e l o p e d f i r s tt i m ei nc h i n a , a n dt h e p o s s i b i l i t y o f u s i n g t h es s aa sa n a c o u s t i c r o t a t i o ns e n s o ri nt h es a n l ea r r a yi sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t s n 圮m a i ni n n o v a t i o n sa n dc r e a t i v ep o i n t si nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 i tp r o p o s e sas i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ew i t l la l t e r n a t i v ep h a s eb i a si nt h e d f s s a w i t ht h i st e c h n i q u e ，t h er e q u i r e m e n to fs t a b i l i t yo fo p t i c a lp o w e rc a nb e d e c r e a s e d , t h ep h a s ed r i f ti n d u c e db yn o n - r e c i p r o c i t yc a nb em e a s u r e da n dc o m p e n s a t e d ， a n dt h el o w - f i e q u e n c yn o i s ed u et ot h ed e t e c t i o ns y s t e ma n dt h eo p t i c a ls o u r c ec a nb e r e d u c e do b v i o u s l yi nt h eo u t p u ts i g n a l 2 i tp r o p o s e sat i m ed i v i s i o n - m u l t i p l e x i n gf f d m ) s c h e m e , w h i c hi sc o m p a t i b l e w i mt h ea c t i v ep h a s eb i a st e c h n i q u em e n t i o n e da b o v e ，t oa v o i dt h eo v e r l a p p i n go ft h e s i g n a la n dn o i s ep u l s e si nt h ef s s a as t a b l e 石p h a s eb i a si so b s e r v e da n da c c o u n t e d i nt h ef s s ai n c o r p o r a t i n ga no r t h o c o n j u g a t er e f l e c t o r ( f a r a d a yr o t a t o rm i r r o r ) ，w h i c h c a nb eu s e dt oe l i m i n a t et h eo p t i c a ln o i s ep u l s e su n d e rs m a l ls i g n a ls i t u a t i o n 3 i tp r o p o s e sad o u b l ef o l d e ds a g n a ch y d r o p h o n ea r r a yw h o s ed y n a m i cr a n g ei s a d j u s t a b l e ，a n da n a l y z e st h ec r o s s t a l ke f f e c t s ad f s i 而t 1 1a b o u t17 3 d bd y n a m i cr a n g e i sd e m o n s t r a t e de x p e r i m e n t a l l y 4 i tp r o p o s e sa n dd e m o n s t r a t e se x p e r i m e n t a l l yt h ec o n c e p to fu s i n gt h es s aa sa l l a c o u s t i c r o t a t i o ns e n s o rw i t ht h es a m ea r r a y t h i st e c h n o l o g yc a nb eu s e di nf i b e r - o p t i c t o w e da r r a yf o rt h es h a p em e a s u r e m e n ta n di n t h eb o t t o m - m o u n t e da r r a yf o rs e c u r i t y k e yw o r d s ：f i b e r - o p t i ch y d r o p h o n o ，s a g n a ci n t o r f e r o m e t e r ，h y d r o p h o n e a r r a y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 干涉仪特性对比6 表3 1 适用于s a g n a c 光纤水听器阵列的信号处理技术比较5 1 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 s a g n a c 干涉仪结构示意图4 图1 2 光纤水听器探头结构5 图1 3 所需器件数与基元数的关系5 图2 1 s a g n a c 光纤水听器原理图1 3 图2 2s a g n a c 光纤水听器探头结构1 4 图2 3s a g n a c 光纤水听器对声信号不敏感的两种情况1 6 图2 4 水听器相位灵敏度与信号频率的关系1 7 图2 5s a g n a c 光纤传感阵列时分复用系统1 9 图2 6s a g n a c 光纤传感阵列远程传感结构2 1 图2 7 s a g n a c 双参量光纤传感原理图。2 2 图2 8 光纤环零面积处理方法2 4 图2 9s a g n a c 光纤传感阵列光路拾音示意图一2 8 图2 1 0 折叠结构s a g n a c 干涉仪3 0 图2 1 1基于哑元的光路拾音抑制方案3 2 图3 1 基于3 x 3 耦合器的s a g n a c 干涉仪方案3 3 图3 2 基于3 x 3 耦合器的s a g n a c 光纤水听器时分复用阵列3 4 图3 3 基于偏振的相位偏置方案3 4 图3 4 基于偏振的全被动相位偏置方案。3 5 图3 5s a g n a c 光纤传感阵列主动相位偏置的基本结构3 6 图3 6 锯齿波相位调制及产生的相位偏置3 8 图3 7 锯齿波频率扫描结果3 9 图3 8 调制信号与相位偏置信号、采样触发信号的时序关系4 1 图3 9 输出信号及频谱4 2 图3 1 0 固定相位偏置原理4 3 图3 1 。1 脉冲相位调制时序关系4 4 图3 1 2 两基元主动相位偏置s a g n a c 光纤传感阵列4 7 图3 1 3 信号之间的时序关系4 8 图3 1 4 相位偏置信号电压扫描结果4 9 图3 1 5 直流相位偏置漂移及补偿情况4 9 图3 1 6 交替相位偏置输出5 0 图3 1 7 解调后的输出信号及频谱5 0 图3 1 8 固定相位偏置输出信号及频谱。5 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 f s i 的光路分析5 3 f s s a 的光路结构5 5 折叠结构s a g n a c 光纤传感阵列结构5 7 相位调制信号与输入光脉冲，输出光脉冲的时序关系( 6 个传感头) 5 9 系统输出光信号6 0 带f r m 的f s i 实验系统结构6 1 反射镜为镀铝光纤反射镜输出信号6 2 反射镜为f r m 时系统输出信号6 2 相位调制器上加正弦调制信号时的输出。6 3 相位扫描输出结果6 3 两基元f s s a 输出信号6 9 输出信号稳定性测试结果6 9 串扰与基元数关系7 1 探头s 1 输出信号的频谱图7 1 不同时间延迟下的相位灵敏度7 6 双延迟环s a g n a c 光纤水听器7 6 双延迟环s a g n a c 光纤水听器的动态范围。7 7 双折叠结构s a g n a c 干涉仪。7 8 双折叠结构s a g n a c 光纤传感阵列7 9 干涉仪之间的信号串扰与隔离度的关系。8 1 中等信号幅度情况下异频串扰与信号频率的关系8 2 大信号情况下干涉仪1 的信号耦合到干涉仪2 中引起的串扰。8 3 标准掺铒光纤光源的自发辐射谱8 6 反向泵浦结构的掺铒光纤宽谱光源8 6 基于波分复用器的增益可调多波长掺铒光纤光源8 7 经波长分割后掺铒光纤光源出射光谱8 8 反馈增益调节后的输出光谱，8 8 四波长分割输出光谱8 8 d f s i 实验结构。8 9 解波分复用器的输出光谱8 9 干涉仪输出信号( 解波分复用前) 9 0 解波分复用后的输出信号9 1 双折叠结构s a g n a c 干涉仪相位扫描结果9 2 小信号情况下的输出结果9 2 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 1 l 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 l 图6 2 2 图6 2 3 大信号情况下的输出结果。9 3 输出信号幅度9 4 两个干涉仪输出信号幅度之比9 4 干涉仪2 输出信号频谱及信号幅度9 5 干涉仪1 对干涉仪2 的信号串扰9 5 四基元s a g n a c 光纤传感阵列结构示意图9 8 强度调制器原理图9 9 系统输出光脉冲系列1 0 1 四基元阵列受信号调制的输出结果1 0 2 低重复频率下的输出脉冲系列1 0 2 s a g n a c 光纤水听器探头1 0 3 s a g n a c 干涉仪频率响应特性1 0 3 光纤水听器声压相位灵敏度比对法测量框图1 0 4 光纤水听器声压相位灵敏度比对法测量装置实物图1 0 4 系统声压灵敏度级测量结果。1 0 5 光纤水听器探头声压灵敏度。1 0 6 角速度传感探头实物图1 0 6 角速度传感探头的输出信号1 0 7 基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感原理及光纤磁传感探头1 0 8 磁传感探头s 2 输出信号频谱1 0 9 铁块经过传感头时的系统响应1 0 9 探头s 3 的输出信号1 11 探头s 3 的信号频谱1 1 2 信号1 6 1 k h z 处噪声幅度11 3 电路1 6 1 l d - i z 处噪声幅度1 1 3 拾音抑制比与相位偏置的关系。11 5 拾音抑制比与信号幅度的关系- 1 1 6 光路拾音抑制结果1 1 7 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位敝储样：墨j 晕吼砷年m 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝作者签名：重叁壁 作者指导教师签名：型1 2 。“l 日期：知叼年，月t r 日 日期：勿鲴) 年，o 月，岁日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章引言 1 1 光纤水听器 声波是水下远距离信息传递的最有效载体，在水下军事对抗、海洋资源勘探和 地球物理研究等领域有广泛的应用u 1 。水听器就是通过接收声波对水下或地下目标 进行探测、定位与识别的传感器。 传统的声信号探测采用压电陶瓷换能器，由于受到灵敏度、响应频带及信号传 输能力等方面的限制，其探测性能已不能满足现代水声技术的需求。光纤水听器 是建立在光纤、光电子技术基础上的一种新型水声传感器，相对于传统的压电水 听器具有体积小、重量轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰和可以做到水下 全光的优点，特别是通过复用技术，一对光纤总线上可以组合几百甚至上千个探 测基元，使大规模水听器阵列成为可能。 光纤水听器从1 9 7 7 年美国海军实验室发表第一篇基于光纤技术的高灵敏度水 声传感器的论文以来，经过近三十年的研究与发展技术日趋成熟瞄 7 l ，并在水面舰 艇、潜艇、鱼雷等军事目标的探测，以及水声物理研究、石油勘探、海洋渔业等 方面展开应用，成为现代光纤传感技术发展的一个重要方向。 光纤水听器从传感的基本原理上来分，可分为强度型睛1 、光纤光栅型阻j 0 1 和干 涉型n 羽。强度型光纤水听器基于光纤中传输光强被声波调制的原理，是被提出较 早的一种光纤水听器，但该类水听器易受到光路损耗和光强波动的影响，且很难 采用复用技术，不适合成阵，所以目前相关研究较少。光纤光栅水听器是利用光 栅的波长调制原理，通过检测波长的变化来测量声信号。光纤光栅水听器具有体 积小、结构简单的优点，但是光栅易受温度和压力的影响，信号解调涉及波长检 测，是目前研究的一个热点方向。 目前比较成熟的是干涉型光纤水听器。干涉型光纤水听器是通过检测相位变化 来实现对声信号的测量。它的声压灵敏度比压电水听器高2 3 个数量级。干涉型 光纤水昕器在结构上又可以分为四种类型：m a c h z e h n d e r 型干涉仪慨6 1 副、 m i c h e l s o n 型干涉仪n 羽、f a b r y - p e r o t 型干涉仪n 町和s a g n a c 型干涉仪n 射。 其中，f a b r y p e r o t 型光纤水听器具有体积小，灵敏度高的优点，但它的动态 范围小，易受光路损耗变化的影响，信号解调复杂，复用困难，目前用于水声传 感的研究相对较少。 基于m a c h z e h n d e r 干涉仪和m i c h e l s o n 干涉仪的光纤水听器及阵列是被研究 得最多，也是目前最为成功的光纤水听器方案，关于这两种光纤水听器已经有很 多非常全面的综述陋刀。下面仅就我们关心的基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器进 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 行深入讨论。( 为叙述简洁，在下面的讨论中主要以m z 干涉仪为例，必要时才针 对m i c h e l s o n 干涉仪作专门讨论。) 1 2 s a g n a e 光纤水听器的技术优势 1 2 1 m z 型光纤水听器中的两个基本问题 在m z 型光纤水听器中相位衰落和偏振衰落问题是必须解决的两个基本问题。 1 、相位衰落问题 m z 干涉仪是一种双光路干涉仪，受环境影响两束相干光之间的相位差会发生 随机漂移，引起信号衰落。在恶劣环境下，信号衰落现象会相当严重。因此相位 衰落问题是光纤水听器应用中必须解决的首要问题。 为解决干涉仪中相位衰落问题，有源零相差【1 6 1 、工作点控制【l 丌、有源相位调 制载波删、3x3 耦合器多相检测【1 9 1 、远程相位匹配【2 0 2 1 1 以及无源相位调制载波乜2 。 2 町等多种信号处理方案被提出，并进行了深入研究。其中前三者属于有源相位检测 技术，后三者属于无源相位检测技术。有源相位检测技术由于要在每个探头都带 有相位调制器，在阵列应用中并不适用。无源相位检测技术虽然适合光纤水听器 阵列的应用，但是又会引入新的问题。 其中基于3 x 3 耦合器的多相检测技术，需要依靠3 3 耦合器来产生固定的 相位偏置。而3x3 耦合器提供的相位偏置不仅与耦合器的分束比有关，还受到温 度和输入偏振态的影响，因此解决稳定性问题成为该方案的关键问题； 远程相位匹配技术要采用两个光路失配的m z 干涉仪，通过对近端干涉仪进 行相位补偿或是调制来消除相位衰落。由于两个干涉仪的光路很难做到严格匹配， 因此会引入相位噪声；另外从探头干涉仪输出的两束相干光要经历一段较长的传 输光纤后才会相干，从而会引入较大的相位误差。 基于光频调制的无源相位载波( p g c ) 技术是目前光纤水听器阵列中应用较多 的一种抗相位衰落技术。但是，该技术方案要求采用非平衡干涉仪，这会导致将 光源的相位噪声转换为强度噪声。为了抑制光源噪声和防止信号混叠，p g c 解调技 术要求对高相干光源进行高频大幅度的光频调制，这对光源提出了极高的要求。 p g c 解调技术本身又要求光学采样频率要远远大于信号频率，否则就会导致信号混 叠，因此在时分复用系统中，p g c 解调方法将会占用很大部分时分复用资源。 2 、偏振衰落问题 偏振态相同是两束光发生干涉的前提条件【2 9 】。在m z 干涉仪中，由于两束光要 经过不同的光路，两束光的偏振态会发生随机波动，很难保持一致。两束光偏振 态的不一致，将导致干涉信号可见度降低，严重情况下可见度甚至为零。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 为解决基于m z 干涉仪的光纤水听器中的偏振衰落问题：全保偏方案 3 1 3 2 l ， f a r a d a y 旋镜法【3 3 洲，偏振分集接收【3 5 3 钔，输入偏振态控制【3 9 ，训，偏振态调制h 1 】 和偏振切换【4 2 】等多种抗偏振衰落的技术方案被提出。 偏振分集接收要采用三个检偏器进行检偏，每个水听器探头需要三个光电转 换头，信号处理复杂；输入偏振态控制要对每个探头的输入偏振态进行控制，在 时分复用系统中不适用；偏振态调制技术对偏振调制器的稳定性和噪声水平都有 很高要求；偏振切换技术要使用一个偏振切换开关，每个探头上需安装一个偏振 切换器，信号处理也很麻烦；f a r a d a y 旋转镜方案仅适于m i c h e l s o n 型干涉仪，由 于每个探头要带两个f a r a d a y 旋转镜，使得探头的结构复杂，降低了系统的可靠 性3 ；基于全保偏光纤抗偏振衰落方案，不仅保偏光纤器件价格昂贵，制作难度大， 而且由于保偏光纤的实际保偏能力有限，特别是在采用高相干光源时，经过长距 离传输后，偏振态仍然会发生无法预计的变化，所以即使采用全保偏方案，也还 需要采用偏振调制等辅助技术。 从上面的分析可以看出，为了解决相干检测的两个基本问题，基于m z 干涉仪 的光纤水听器提出了多种解决方案。虽然最终可以较好地解决这两个问题，但是 系统不得不为此采用复杂的信号处理技术和昂贵的光学器件，这使得目前干涉型 光纤水听器的单基元成本居高不下，过高的系统成本使光纤水听器的应用范围受 到限制硷1 。 1 2 2 s a g n a c 光纤水听器的技术优势 s a g n a c 干涉仪是一种双光束单光路干涉仪，由于其良好的互易性结构，通常被 用于光纤陀螺来测量角速度引起的微小相移。 基于s a g n a c 干涉仪的光纤声传感概念最早由e u d d 于1 9 8 3 年提出n 司。分析 指出，只要信号满足扰动相对于光纤环的中心是非对称的和扰动是动态的这两个 条件，就可以被s a g n a c 干涉仪敏感测量。如图1 1 为s a g n a c 光纤水听器的结构 示意图，将探头置于环形干涉仪的一端，另一端为一个长度在卜l o o k m 的延迟光 纤，并对其进行声屏蔽，声振动相对光纤环的中心是非对称的，而声振动本身就 是一定频率的周期扰动( 具体分析见第二章) ，这样就可以测量声信号了。基于 s a g n a c 干涉仪的光纤水听器有以下优点： 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1s a g n a c 干涉仪结构示意图 1 、不存在相位衰落问题 在s a g n a c 干涉仪中，由于顺时针和逆时针方向传输的光所走的光路完全一样， 只要采用单模光纤传输，最后两束相干光的光程差为零。可能引起相位偏置漂移 的主要原因有残余的s a g n a c 效应、非线性克尔效应和磁光效应等非互易效应。这 些效应本身就比较微弱，即使不采用措施，由于测量的是交流信号，它们对系统 测量的影响可以忽略。通过减小光路的有效闭合面积、采用宽谱光源和退偏方案 可以使它们引起的相位偏置漂移在很小的范围内波动。另外，由于在s a g n a c 干 涉仪中两束光的光程差为零，因此不会将光源的相位噪声转换成强度噪声。 2 、抗偏振衰落方法简单 在s a g n a c 干涉仪中，由于两束相干光所经历的光路相同，外界环境扰动引起 的偏振衰落已经得到了最小化。只需在光纤环中插入l y o t 退偏器，就可以很好地 消除s a g n a c 干涉仪中的偏振衰落问题h 3 1 。 3 、可以采用宽谱光源 在s a g n a c 干涉仪中，两束相干光的光程为零，即使采用宽谱光源，也可以得 到较高的可见度。采用宽谱光源不仅可以大大降低成本，还可以有效抑制瑞利散 射和非线性克尔效应的影响。另外，由于宽谱光源的相干长度很短，在采用波分 和时分复用技术时，由于器件不理想带来的信号串扰将主要是强度串扰。相对相 干串扰，强度串扰的影响要小得多。 4 、探头结构简单 4 5 闱 探头技术也是光纤水听器的一项关键技术，探头结构过于复杂，会降低光纤水 听器阵列的可靠性和增加工程难度。如图1 2 ( a ) 为基于m a c h - z e h n d e r 干涉仪的 水听器探头结构，一个探头需要两个光纤耦合器和两段光纤；图1 2 ( b ) 为基于 m i c h e l s o n 干涉仪的水听器探头结构，包含一个光纤耦合器、两段光纤和两个反射 镜；而基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器探头结构( 图1 2 ( c ) ) 却十分简单，只要 第4 页 蘸釜爹冲。一 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 环结构，方便地将系统的动态范围提高到1 8 0 d b 以上，甚至更高。这一特点对海 洋石油勘探等相关应用有特别重要的意义。在此类应用中，既要测量直达强信号 又要测量从多个地层反射回来的弱信号，两者之间的声强级差别在1 6 0 d b 以上， 对水听器的动态范围要求很高。 7 、频率响应适合水声测量 s a g n a c 光纤水听器在低频段对信号的响应度与信号频率成正比，这一特点使 得s a g n a c 干涉仪特别适合于水下声探测，因为海洋背景噪声在一定范围内随频率 的减小而增加。因此，s a g n a c 光纤水听器在低频段具有更大的有效动态范围【5 引。 其次，它的频率响应特性还与声信号在水下传输的损耗特性相适应，可以起到自 校准的作用，在一定范围内可以恢复原来的波形。 表1 1 中，我们对s a g n a c 干涉仪和m z 干涉仪两种干涉仪特性的比较。 表1 1 干涉仪特性对比 m z 干涉仪s a g n a c 干涉仪 信号衰落 大无 偏振衰落 大很小 相位噪声会被转化为强度噪声不会转化为强度噪声 探头结构复杂、器件多简单，器件少 动态范围 大很大 信号解调复杂简单 光源高相干，昂贵宽带光源，便宜 频率响应 平坦随信号频率变化 综上所述，s a g n a c 光纤水听器与m z 光纤水听器相比在技术上存在一定优势。 但是，在光纤水听器发展早期过程中，研究的重点是光纤水听器基元技术。对于 相位衰落和偏振衰落问题有很多方法可以解决，因而在m z 型光纤水听器中这两个 问题表现得并不突出。相反，基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器一个基元就要求有 一段相当长的延迟光纤，在单基元系统中，显然很不方便。但是，随着光纤陀螺 技术的不断发展，人们对s a g n a c 干涉仪有了越来越深入的认识；加之光纤水听器 技术向阵列应用方向发展，使得 l z 干涉仪的抗相位衰落和偏振衰落问题处理起 来就变得相当复杂。而对于s a g n a c 光纤水听器阵列，一个阵列带一段长延迟光纤 显然已不是问题，此时它的优势开始体现出来。近几年来，s a g n a c 光纤水听器受 到了光纤传感界的关注，重新成为光纤水听器研究的一个热点方向。下面我们对 s a g n a c 光纤水听器的发展作一个全面的总结。 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 3 s a g n a c 光纤水听器的发展现状 基于s a g n a c 干涉仪的光纤声传感的概念最早由e u d d 于1 9 8 3 年提出【1 5 1 。但 是人们对用s a g n a e 干涉仪进行声音传感并没有引起太大重视。 19 8 9 年k k r a k e n e s 和k b l o t e k j a e r 等人对用于声传感的s a g n a e 干涉仪的噪 声特性进行了认真研究d t j ，在一个基于3 3 耦合器的s a g n a c 干涉仪中，在1 0 k h z 处测得噪声等效相移为2 5 1 0 _ 7 r a d s q r th z ，已经非常接近散粒噪声极限了。 1 9 9 3 年s k n u d s e n 和k b l o t e k j a e r 又对光源相位噪声对s a g n a c 干涉仪性能 的影响进行了研究m 】，理论分析表明当s a g n a c 干涉仪用于互易性测量( 如声信号 测量) 时，噪声功率与光源相干时间成比例，对于光纤和半导体二极管的典型值， 噪声等效相移为0 1 1 0 7 r a d h z 怩，理论与实验结果相吻合。这些研究表明，虽然 s a g n a e 干涉仪在低频段响应不如m z 干涉仪，但是它在低频段具有良好的噪声特 性，可以弥补这一不足。 1 9 9 4 年s v e r r ek n u d s e n 和幻e l lb l o t e k j a r 报导了基于s a g n a c 干涉仪的超声换 能器 4 9 1 ，实验测得该换能器的噪声等效声压在o 4 1 m h z 频带上为3 6 - 4 3 d br e 1l l n p a h z u 上。 1 9 9 5 年蜀e l lk r a k e n e s 和蜀e l lb l o t e k j a r 指出在光纤传感中除了要考虑散粒噪 声外，还应考虑光纤中温度引起的热噪声 5 0 5 1 】。并就s a g n a c 干涉仪和m z 干涉仪 中的热噪声和信噪比进行了比较，研究结果表明这两种干涉仪总体信噪比几乎相 当，只是在低频段m z 干涉仪的信噪比比s a g n a c 干涉仪稍高一些，而在高频段 s a g n a c 干涉仪的信噪比则比m z 干涉仪要高几个d b 。在实际应用中光纤的热噪声 将占主导地位，这种情况下s a g n a c 干涉仪要比m z 干涉仪更有优势。同年他们对 此进行了实验验证，结果与理论相吻合。这些研究使人们对用s a g n a c 干涉仪进行 声音传感充满信心。 基于s a g n a c 干涉仪的声信号传感技术研究，早期工作主要集中在单个干涉仪 的研究上，过长的延迟光纤仍然是阻碍s a g n a c 光纤水听器发展的问题。 针对s a g n a e 干涉仪对声信号的响应特点，一种基于s a g n a c 干涉仪的分布式光 纤传感应运而生【5 2 5 4 1 。在分布传感中，本身就要求有很长的光纤，这就解决了 s a g n a c 干涉仪对声信号传感时要求较长延迟光纤的问题。基于此技术的分布式传 感在管道检漏和安全预警等方面具有一定的应用市场。由于该类型s a g n a c 声传感 与本论文研究目标相去甚远，并且仍然是利用是单个s a g n a c 干涉仪进行传感，所 以在此不再进一步讨论。 1 9 9 9 年，斯坦福大学的b e n j a m i nj v a k o c 等首次提出一种基于s a g n a c 干涉仪 的光纤水听器阵列的概念【鲐】。文章全面分析了s a g n a cs e n s o rh r r a y ( s s a ) 的性能， 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 并与基于m z 干涉仪的光纤水听器阵列进行了比较，指出s s a 在声信号传感上表 现出独特的优势。在阵列情况下，几公里的延迟光纤已经不是什么大问题。此后， 关于s s a 的研究工作全面展开，并受到光纤传感界的普遍关注。 1 9 9 9 年b e n j a m i nj v a k o c 报告了两基元的s a g n a c 传感阵列的结构和性能，该 阵列采用延迟线对相位调制不敏感的折叠结构【5 6 】。传感器相位灵敏度在平衡探测 情况下可以达到o 8 3 p r a d 4 t t z 。 2 0 0 0 年p a v e la f o m i t c h o v ，报导了基于s a g n a c 干涉仪的超声测量阵列的研究情 况【5 7 1 。 2 0 0 1 年g s i ( i n o 等介绍了基于偏振相位偏置的s a g n a c 水听器方案，该方案 可以实现任意相位的偏置，还可以减小光纤放大器导致的噪声。实验表明可探测 信号接近散粒噪声极限。 2 0 0 1 年b e n j a m i nj v a k o c 完成了其关于s a g n a c 光纤水听器阵列的博士论文 【5 8 】。论文综合了1 9 9 9 年以来在s t a n f o r d 大学开展的相关研究工作，着重分析了在 阵列应用情况下s a g n a c 光纤传感阵列的时分复用能力，结果表明在保证1 2 9 d b 信 噪比的情况下，s a g n a c 光纤水听器阵列基元数可以达到几百个，制作一条大规模 高灵敏度的s a g n a c 光纤水听器阵列完全可能。论文还分析了两个实际应用条件下 s a g n a c 光纤水听器和m z 光纤水听器的动态范围。在潜艇舷侧阵应用中，s a g n a c 光纤水听器阵列具有超大的动态范围，在系统信噪比为1 1 0 d b 的情况下，m z 光纤 水听器阵列仅能时分复用6 0 个，而s a g n a c 光纤水听器阵列可时分复用的探头数超 过8 0 0 个。而在岸基阵应用中，两者的水平相当，采用平坦响应探头时，m z 光纤 水听器阵列表现占优；如果采用低通水听器探头，则s a g n a c 光纤水听器阵列性能 占优。 2 0 0 1 年韩国的k ih oh a n 等人提出了一种具有固定相位偏置的s a g n a c 光纤传 感阵列方案【5 9 1 ，该相位偏置通过波导相位调制器可以对阵列中所有基元实现固定 的相位偏置。但对于该方案没有进行深入的研究，对光源强度变化、电路低频噪 声等问题没有提出有效解决方案。 2 0 0 2 年b v a k o c 在2 0 0 2 年o f s 上做了报告了基于s a g n a c 干涉仪的1 6 基元 时分复用光纤水听器阵列的实验室实验结果，这是基于s a g n a g 干涉仪的第一条光 纤水听器阵列 6 0 】。但是报告内容仅包含阵列的结构图，没有实物照片，并且对阵 列信号的测量仅限于输出时分复用脉冲系列和信号幅度与输入偏振态的关系。 2 0 0 3 年b j v a k o c 等提出了基于偏振相位偏置的折叠结构s a g n a c 光纤传感阵 列方案【6 1 1 ，该方案采用复杂的光路实现了折叠结构与基于偏振的相位偏置技术的 结构，传感光纤仍然可以使用单模光纤。 2 0 0 4 年m j f d i g o l m e t 在第二届欧洲光纤传感研讨会