（光学工程专业论文）sagnac光纤水听器研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 s a g n a c 干涉仪不仅可用于光纤陀螺中测量运动物体的角速度，还可用于测量非对称扰 动的互易性信号。本文对基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器关键技术进行了深入的理论及实 验研究。 本文首先分析了s a g n a c 光纤水听器对声信号的响应特性及其主要影响因素。结果表 明，s a g n a c 光纤水听器的声压相位灵敏度呈周期性变化，其变化周期与系统中延时光纤的 长度成反比，灵敏度高低与探头部分的传感光纤长度成正比。仿真分析结果还表明，在设 计实用型s a g n a c 光纤水听器时，应当尽量增加传感光纤的长度，根据需要选用适当长度的 延时光纤。同时，为降低系统噪声应当使用低相干光源，可以在系统中插入l y o t 退偏器以 减少偏振衰落的影响。 论文针对基于不同相位偏置调制方法的s a g n a c 光纤水听器信号解调技术进行了理论 分析与实验研究。并针对s a g n a c 光纤水听器阵列的特点，提出了基于主动相位偏置的脉冲 相位调制信号解调方案。该方案不仅可以消除光强波动的影响，降低对光源稳定性的要求， 还可以有效抑制低频电路噪声和光源强度噪声，对系统进行直流相位补偿。 本文还深入分析了s a g n a c 光纤水听器光路拾音及其哑元法抑制原理，并就哑元法对光 路拾音抑制的效果进行了实验研究。结果表明，拾音抑制系统工作的最佳范围是水听器对 所有信号的响应幅度之和不超出f o 万1 的区间，将偏置相位设在叫2 处可以保证拾音抑制系 统有较大的动态范围和较好的抑制效果。系统的光路拾音抑制能力随信号频率的增加而增 强，随信号相位调制幅度的增大而增强。在实验中，该方案对s a g n a c 光纤水听器中光路拾 音的抑制可以达到3 0 d b 。 。 本文对s a g n a c 光纤水听器的传感特性，信号解调技术及光路拾音抑制的研究结果将为 s a g n a c 光纤水听器的实用化奠定基础。 关键词：s a g n a c 干涉仪光纤水昕器传感特性相位偏量调制光路拾音抑制 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h es a g n a ci n t e r f e r o m e t ；ri su s e dt om e a s u r eb c i t ht h ea n g u l a rv e l o c i t yo fam o v i n gb o d y 、j l ，i laf i b e ro p t i cg y r o s c o p ea n dt h er e c i p r o c i t ys i g n a lo fa s y m m e t r i cd i s t u r b a n c e t h i sp a p e r p r e s e n t st h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nt h ek e yt e c h n i q u e so faf i b e r - o p t i c h y d r o p h o n eb a s e do nt h es a g n a ci n t e r f e r o m c t e r t h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fas a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n et oa c o u s t i cs i g n a l sa r c f i r s t l yd i s c u s s e d , a n dm a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa l ea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep h a s e s e n s i t i v i t yo ft h es a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n ec h a n g e sp e r i o d i c a l l y 1 1 1 ec h a n g i n gp e r i o di s i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a lt ot h el e n g t ho ft h ed e l a yf i b e ri nt h es y s t e m ，a n dt h es e n s i t i v i t yi s p r o p o r t i o n a lt ot h es e n s i n gf i b e ri nt h ep r o b i n gu n i t s i m u l a t i o n sa l s os h o wt h a tt h es e n s i n gf i b e r s h o u l db ea sl o n g e ra sp o s s i b l ew h e nd e s i g n i n gap r a c t i c a ls a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e , a n d t h el e n g t ho fd e l a yf i b e rs h o u l db es u i t a b l e t or e d u c es y s t e mn o i s e al o w c o h e r e n c el i g h ts o u r c e s h o u l db eu t i l i z e di fp o s s i b l e a n dal y o td e p o l a r i z e rc a nb eu s e di nt h es y s t e mt or e d u c et h e i n f l u e n c eo f p o l a r i z a t i o nf a d i n g t h i sp a p e l o f f e r sad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h es i g n a ld e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e so fs a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e sb a s e do nd i f f e r e n tm o d u l a t i o nm e t h o d so fp h a s e b i a s t a k ei n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es a g n a co p t i cf i b e rh y d r o p h o n ea r r a y , w e p r e s e n t e dap u l s ep h a s em o d u l a t i o ns i g n a ld e m o d u l a t i o ns o l u t i o nb a s e do na c t i v ep h a s eb i a s t h i ss o l u t i o nc a nn o to n l ye l i m i n a t et h ei m p a c t so fl i g h ti n t e n s i t yf l u c t u a t i o n 1 0 w e rt h e r e q u i r e m e n t sf o rl i g h ts o u r c es t a b i l i t y , b u ta l s oe f f e c t i v e l yi n h i b i tl o wf r e q u e n c yc i r c u i tn o i s ea n d o p t i c a lp a t hn o i s e 。a n dp r o v i d ed i r e c tc u r r e n tp h a s ec o m p e n s a t i o nf o rt h es y s t e m t h ep r i n c i p l eo ns a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e sp i c k u pa n dn u l lr u n gm e t h o ds u p p r e s s i o n h a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l ，a n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nt h ee f f e c t so ft h en u l lr u n g m e t h o do np i c k u ps u p p r e s s i o nh a v eb e e nc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m a lw o r k i n g r a n g eo fap i c k u ps u p p r e s s i o ns y s t e mi st h a tt h es m o f r e s p o n s ea m p l i t u d e so ft h eh y d r o p h o n e t 0a l ls i g n a l ss h o u l db ew i t h i nt h er a n g eo f 0 ，万】i ft h eb i a sp h a s ei ss e tt ob e 万2 ，t h ep i c k u p s u p p r e s s i o ns y s t e mw i l le n j o yar e l a t i v e l yl a r g ed y n a m i cr a n g ea n db e t t e rs u p p r e s s i o n t h e s y s t e m sp i c k u ps u p p r e s s i o nc a p a b i l i t yw i l lb ei m p r o v e dw i t ht h ei n e a s eo fs i g n a lf r e q u e n c i e s a sw e l la st h ei n e a s ei ns i g n a l sp h a s em o d u l a t i o na m p l i t u d e t h ep i c k u ps u p p r e s s i o no ft h e s a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n ec a nb ea sh i g ha s3 0 d bi nt h i se x p e r i m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h es e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e ，a n d s i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sa sw e l la sp i c k u ps u p p r e s s i o np s e n t e di nt h i sp a p e rw i l ll a ya s o l i df o u n d a t i o nf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fs a g n a cf i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e s k e yw o r d s ：s a g n a ei n t e r f e r o m e t e r , f i b e r - o p t i ch y d r o p h o n e , s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i c , p h a s eb i a sm o d u l a t i o n , p i c k u ps u p p r e s s i o n 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 光纤水听器的基本结构2 图1 2s a g n a c 光纤水听器结构示意图3 图1 3s a g n a c 干涉仪与m a c h - z e h n d e r 干涉仪信噪比对比图4 图1 4s s a 与m z s a 的n e p 对比图4 图1 5s a g n a c 水听器光路拾音抑制5 图2 1s a g n a c 水听器原理图7 图2 2 光纤环展开图9 图2 3s a g n a c 光纤水听器归一化相位灵敏度1 4 图2 4s a g n a c 光纤水听器声压相位灵敏度1 5 图3 1 基于3 3 耦合器的水听器系统原理图2 0 图3 2 基于主动相位偏置的水听器系统原理图2 1 图3 3 锯齿波相位调制及产生的相位偏置2 3 图3 4 输出信号( a ) 及频谱( b ) 2 5 图3 5 基于主动相位偏置的s a g n a c 光纤水听器阵列原理图2 6 图3 6 基于主动相位偏置的两基元s a g n a c 光纤水听器阵列2 9 图3 7 信号之间的时序关系3 0 图3 8 相位偏置信号电压扫描结果3 0 图3 9 直流相位漂移3 l 图3 1 0 主动相位偏置输出( a ) 原始信号及( b ) 频谱3 2 图3 1 1 解调后的输出信号( a ) 及频谱( b ) 3 2 图4 1 光路拾音产生原理示意图3 3 图4 2 光路拾音抑制原理示意图3 5 图4 3 两基元主动相位偏置光路拾音抑制方案结构示意图3 5 图4 4 偏置相位与系统拾音抑制能力的关系3 8 图4 5 调制信号频率与系统拾音抑制能力的关系3 9 图4 6 调制信号相位幅度与系统拾音抑制能力的关系4 0 图4 7 探头所测信号幅度与系统拾音抑制能力的关系：4 l 第m 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 8 光路拾音抑制实验系统图4 2 图4 9 光路拾音抑制实验系统实物图4 2 图4 1 0 双峰值计算干涉仪对比度4 3 图4 1 1 分组计算比例因子4 4 图4 1 2 平均比例因子4 5 图4 1 3 系统拾音抑制效果4 5 图4 1 4 相位偏置在2 兀3 处的拾音抑制实验结果4 6 图4 1 5 探头信号与拾音信号混叠后的拾音抑制效果4 6 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。 学位论文题目：垒g 旦垒盘红坐监整婴究 学位论文作者签名：j 么垦一 日期： 矽7 年 ，月2 7 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。) 学位论文题目：垒g 旦垒星羞红盔咀整婴塞 学位论文作者签名：王鑫 作者指导教师签名： 日期：2 7 年i 月矽日 日期：吲年1 月矽日 国防科学技术大学研究生院学位论文 昌= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = m = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 第一章绪论 光纤传感器是7 0 年代中期发展起来的一种新型传感器，它与常规传感器相比具有灵 敏度高、动态范围大、几何通用性好、抗电磁干扰、高绝缘强度、防燃防爆、易于遥测和 构成阵列等优越性能，更适合在爆炸、高温、腐蚀、强电磁等环境中使用，具有广阔的应 用前景。光纤传感器的军事应用一直得到各国军方的高度重视，光纤陀螺和光纤水听器已 被列入许多国家的重点军事研究项目i l 】。 s a g n a c 干涉仪由于其良好的互易性结构，早已被成功应用于光纤陀螺来测量运动物体 的角速度【2 】，除此之外，s a g n a c 干涉仪还可以测量非对称扰动的互易性信号【3 1 ，并且已经 逐渐应用于结构监测【4 】、管道侦漏【5 】等方面。检测声信号也是s a g n a c 干涉仪进行互易信号 测量的一种重要用途，可以作为设计光纤水听器的一种方案。 1 1 光纤水听器 声波是目前在海洋中能够远距离传输信息的最有效载体。在海洋中探测载有信号的声 波所形成的声场的时空结构，是进行水下探测、识别、通讯及环境监测等的重要手段，它 既可用于远距离军事目标探测，海底矿藏开发，鱼群探测，还可以用于海洋动力过程( 内 波、环流) 的遥测和海洋、陆地地震波检测等。因此，先进的水声探测技术对于国民经济， 国防建设和科学研究都有着重要意义。 光纤水听器是于七十年代末发展起来的一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声 信号传感器。它利用声波调制光纤中光波的强度、相位、偏振态或其它参量来进行声光 转换，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息，其灵敏 度与传统压电水听器相比高三个数量级。光纤水听器集光纤传感器灵敏度高、频带响应宽、 抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧、易于遥测和构成阵列等优越性于一体，是光纤传感 技术研究的重要方向之一，也是新一代水声传感器的主要发展方向之一，它在军事领域的 研究与应用受到了各国军方的高度重视t 6 f j s l 。 自从1 9 7 7 年美国海军实验室b u e a r o 等人发表了第一篇关于光纤水听器的论文以来， 已经经过了三十年的研究与发展【9 】 1 4 1 。特别是近年来，随着光纤通信及光电子技术的迅速 发展，光纤传感技术日趋成熟，光纤水听器也由实验室研究走向工程应用，成为现代光纤 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i i i i i=m= 传感技术发展的重要方向，也是水声传感技术的主要发展方向。 光纤水听器按原理可分为强度型1 5 1 、干涉型【1 6 1 、光栅型1 7 】等。其中强度型光纤水听器 的结构与信号检测相对简单，不存在干涉型光纤水听器中存在的信号相位波动及偏振态随 机变化导致的信号衰落等问题，但是检测灵敏度不及干涉型，也不利于组成阵列结构，有 较大的局限性，是早期光纤水声传感技术研究的主要内容。随着干涉型光纤水听器研究的 兴起，其关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域已经形成产品，光纤水听器的研究热点 已经从强度型转为干涉型。 干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造，利用声场对光纤中光波的传输相位 进行调制，经过光纤干涉仪，将这种相位调制检测并解调出来而实现声传感。能够实现干 涉型光纤水听器的光纤干涉仪结构主要有四种，分别是m a t h z e h n d e r 型干涉仪i l 引、 m i c h e l s o n 型干涉仪、f a b r y - p e r o t 型干涉仪【2 0 1 、s a g n a c 型干涉仪【2 l 】，如图1 1 所示 l 、m a c h - - - z e l m d e r 光纤干涉仪的基本结构 墨曲lrthd 朦瓣鬻潮 l 缓善；i ：。一。一? 筘i( 礤n i l雾一：7 劲；。弱耪一u ，：疆缓l 隧# 一凇蜥榜辱聱。， 凌翦魉测 黟獬鲻戮鬻黟鬻嬲缳 回m漩i 鳓，：翘 陌磊磊p辫：鬈赢二釜啦碰i o i 妒，一# 尊i 茹；荔钰赫巍爨缀荔箍秘鬻 2 、m i c h e l s o n 光纤干涉仪基本结构 - 蠢曩 3 、f a b r y - p e r o t 干涉仪的基本结构4 、s a g n a c 干涉仪的基本结构 图1 1 光纤水听器的基本结构 其中，f a b r y - p e r o t 型光纤水听器灵敏度非常高，但它的动态范围小，易受光路损耗变 化的影响，特别是信号解调复杂，不适于复用技术，用于水声传感的研究较少。目前，被 研究最多的是基于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，也是技术最为 成熟的干涉型光纤水听器 9 1 - 1 4 1 。但这两种干涉仪存在固有的问题，比如由于两干涉臂很难 保证长度一致，在有些应用中还会人为地加大两臂的光程差，这将会使双光路干涉仪中光 源的相位噪声转换为强度噪声；此外，两束相干光的光路不同，两束光的偏振态会发生随 机波动，很难保持一致，这将导致干涉信号的对比度降低，严重情况下对比度甚至为零。 图1 2 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1 1 0 0 k m 的延时光纤环，并对其进行声屏蔽，这样作用在探头上的扰动对光纤 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图i 2s a g n a c 光纤水听器结构不意图 环来说就是非对称的，而声信号本身就是有一定频率的周期扰动，因此可以进行声信号测 量。 s a g n a c 干涉仪是基于互易的双光束单光路结构，在水声探测中有其特有的优点。由于 s a g n a c 干涉仪光路的互易性，光源的相位噪声不会转化为系统的强度噪声；可用宽带光源 来代替窄带光源，大大降低系统成本；s a g n a c 干涉仪可以使用退偏器，以简单有效地解决 偏振衰落问题，从而大大降低系统的复杂性；用于声信号检测时，s a g n a c 干涉仪在低频端 的频响特性与海洋噪声随频率增大而降低的特点相符合，提高了对海洋噪声的抑制；其输 出信号经过简单的滤波即可得到声信号，无需复杂的调制解调过程；s a g n a c 干涉仪的探头 不需要参考臂，它的探头由一段光纤构成，不需要耦合器或反射镜，当基元数增大时，可 以大大减少阵列所需器件数，降低了系统构成的难度。这些特点使基于s a g n a c 干涉仪的光 纤水听器在某些应用中可能表现出更为优越的性能和工程应用价值，因此s a g n a c 光纤水听 器也正逐渐被人们所关注。 1 2s a g n a c 光纤水听器的研究现状 s a g n a c 干涉仪通常用于光纤陀螺来测量s a g n a c 效应引起的微小相移，但是s a g n a c 干 涉仪同样可以测量声音振动这样的互易性信号。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【3 1 ，他在文章中指出s a g n a c 干涉仪也可以用来检测互易性信号， 但要求信号满足两个条件：( a ) 扰动相对于光纤环的中心是非对称的；( b ) 扰动是动态的。 1 9 8 9 年，k k j e l l 等人对s a g n a c 干涉仪用于声信号测量时的噪声特性进行了认真研究网， 结果表明s a g n a c 干涉仪的噪声特性要优于m a c h - z e h n d e r 干涉仪，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 x i 0 。7 r o d 勉，已经非常接近 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 散粒噪声极限了。1 9 9 4 年，k n u d s e n 等人研制出推挽式s a g n a c 光纤换能器，主要用于探测 0 4 1 5 懈z 的超声波【2 3 1 。1 9 9 5 年k j e l lk r a k f f l l e s 等人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1 2 4 】【2 5 1 ，并就热噪声为干涉仪中主要噪声时，s a g n a c 干涉仪和m a t h z e h n d e r 干涉仪的信噪比进行了比较。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 a c h - z e h n d e r 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 a c h z e h n d e r 干涉仪要高几个d b ，如图1 3 所示。 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 a c h z e h n d e r 干涉仪更有优势，这一结论得到了实验验证。 星 兰 曼 黑 璧 图1 3s a g n a c 干涉仪与m a u c h z e h n d e r 干涉仪信噪 图1 4s s a 与忆s a n e pg 寸比 比对比图 早期的研究工作主要集中在单个探头的研究上。1 9 9 9 年，斯坦福大学的b j v a k o c 等 人首次提出一种基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器阵列【2 n ，全面分析了s a g n a c 光纤水听器 阵列( s s a ) 的性能，并与m a c h - z e t m d e r 光纤水听器阵列( m z s a ) 进行了比较，该项目在 l i t t o n 公司资助下进行。s s a 表现出独特的优势：它具有稳定的工作点；不会把光源的相 位噪声转换为强度噪声，而且它的频率响应特性与海洋环境噪声相匹配，如图1 4 所示。 同时s s a 还可以非常简单地实现比m z s a 更大的动态范围。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 j 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【凋，该阵列采用了对光路拾音不敏感的折叠延时光纤结构，实验与理论预期 相一致。传感器相位灵敏度在单端探测情况下为3 p r a d , f r i z z ，在平衡探测情况下可以达到 o 8 3 耐恐。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 2 7 1 ，该方案通过波导相位调制器可以对阵列中所有基元实现固定相位偏 置。2 0 0 2 年g s k i n o 等人介绍了基于偏振相位偏置的s a g n a c 水听器方案1 2 8 】，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 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 噪声极限。2 0 0 2 年b j v a k o c 在2 0 0 2 年o f s 上首次报告了基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听 器阵列的实验结果【2 9 1 。2 0 0 4 年m j f d i g o n n c t 在第二届欧洲光纤传感研讨会上做了题为 搿a c o u s t i cf i b e rs e n s o r a r r a y s ”的报告f h 】，以几乎同样的篇幅对基于m a c h z e h n d e r 干涉仪 和s a g n a c 干涉仪的光纤水听器阵列进行了详细报导，并指出s a g n a c 光纤水听器发展的下 一步主要工作是抑制光路拾音的问题，在不久的将来将会走向应用。2 0 0 5 年s t 印h a n eb l i n a 等人介绍了一种抑制光路拾音的方法啪】，用8 位的模数转换器可以实现1 8 6 d b 的拾音抑 制，并通过仿真指出如果用1 2 位的模数转换器，可以实现3 5 d b 的拾音抑制，如图1 5 所 示。2 0 0 6 年bc u l s h a w 撰文正式将s a g n a c 光纤水听器作为s a g n a c 干涉仪的一个正式应用 进行了介绍【3 。至此，基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器已经为国际光纤传感界所接受， s a g n a c 光纤水听器阵列的发展也展现出诱人的前景。 一芝 _ ：，| | j | j ；：淤纂：；| ； 掣m 脚l i 髯珥瑚峨喇l i m z 1 m ( 1 ) 、拾音抑制随探头感测信号幅值的变化( 2 ) 、时域上的拾音抑制结果 图1 5s a g n a c 水听器光路拾音抑制 在国内，s a g n a c 干涉仪用于声信号检测方面的研究正处于刚刚起步阶段，关于s a g n a c 水听器技术方面研究和进展的资料很有限，1 9 9 5 年王小宁和王光明从理论上分析了s a g n a c 水昕器的传感特性【3 2 】，比较了s a g n a c 干涉仪和m a c h - z e h n d e r 干涉仪。2 0 0 3 年北京大学李 吉红等人进行了基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器实验研究【3 3 】。2 0 0 4 年江毅和肖尚辉对 s a g n a c 光纤水听器的信号解调技术作了研究【蚓，进行了相关的原理性实验，结果表明可以 得到与输入信号相同的输出信号。关于s a g n a c 光纤水听器阵列的研究还未见报道。 1 3 本课题研究的意义及主要工作 本课题将对s a g n a c 干涉仪对互易信号检测的特性进行研究，并在此基础上针对s a g n a c 光纤水听器的主动相位偏置信号解调技术以及s a g n a c 光纤水听器光路拾音抑制技术进行 深入研究。重点对基于主动相位偏置的时分复用系统性能进行分析，对影响系统特性的关 键参数进行探讨，分析光路拾音抑制系统的工作原理，对影响系统拾音抑制的相关参数进 第5 页 鼍莹曩老 售(o)置盘8萋盒善 国防科学技术大学研究生院学位论文 行研究。 教研室多年来一直从事光纤水听器方面的研究，在这方面有着深厚的理论基础和实验 基础。随着研究的深入，基于m i c h d s o n 干涉仪的光纤水听器方案中相位衰落和偏振衰落 的问题也日趋突出，而基于s a g n a c 干涉仪的光纤水听器其独特优点可以被利用来解决这些 问题。本课题的研究不仅可以丰富教研室水听器研究内容，对现有技术进行有益的补充， 还可以探索一种光纤水听器的新设计方案，也为教研室以后要进行的s a g n a c 光纤水听器阵 列及复用技术的研究打下了一个良好的基础。 论文各章内容安排如下： 第一章绪论，对基于s a g n a c 干涉仪进行互易信号测量的光纤水听器进行介绍，分析 s a g n a c 光纤水听器的独特优点，回顾s a g n a c 光纤水听器的研究现状，最后提出本课题的 意义。 第二章s a g n a c 光纤水听器传感性能研究，从理论上分析s a g n a c 光纤水听器的工作原 理，对水听器传感特性与系统参数之间的关系进行研究，对s a g n a c 光纤水听器的设计和应 用提供理论指导。 第三章s a g n a c 光纤水听器信号解调技术，对各种不同信号解调方案在s a g n a c 光纤水 听器中的应用进行了讨论，分析它们各自的优点和不足。最后，提出了基于主动相位偏置 的脉冲相位调制技术及信号处理方案，并进行实验研究。 第四章s a g n a c 光纤水听器光路拾音抑制技术研究，分析s a g n a c 光纤水听器中光路拾 音的产生原理与基于哑元法的光路拾音抑制原理，对拾音抑制与有关参数之间的关系进行 研究，提出基于主动相位偏置的拾音抑制方案，并对含哑元的s a g n a c 光纤水听器拾音抑制 能力进行实验研究。 第五章结论及改进意见，就本文提出的方案及实验结果进行总结，并提出现有问题的 进一步研究与改进意见。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章s a g n a c 光纤水听器传感性能研究 与m a c h - z e h n d e r 、m i c h e l s o n 等干涉仪不同，s a g n a e 干涉仪用于水声信号探测时，其 声压相位灵敏度不仅与探头本身有关，还与探头在光纤环中的位置，所探测信号的频段以 及光源的中心波长等有关。本章将对s a g n a c 光纤水听器的传感原理进行深入分析，并根据 分析结果对s a g n a c 光纤水听器设计及使用中所涉及的关键技术进行讨论。 2 1s a g n a c 光纤水听器传感原理 d e l a yc o i l c w + 图2 1s a g n a e 水听器原理图 s a g n a c 水听器的原理如图2 1 所示，其核心部分为s a g n a c 光纤干涉仪，由光源( l a s e r ) 、 3 3 耦合器、延时光纤环( d e l a yc o i l ) 、探头( s e n s o r ) 、光电探测器组成。s a g n a c 环分为 延时光纤和探头两个部分。延时光纤仅是一段长光纤，一般长度大于1 0 k i n ，探头部分是 将光纤绕在一个由声敏材料制成的圆筒上，一般长度为1 0 m - 1 0 0 m ，由光源发出的光经过 3 3 耦合器后输出两束光分别从光纤环路的4 、6 两端注入，分为顺时针( c w ) 和逆时针 ( c c 、7 l r ) 两路在光纤环中相向传播，回到耦合器分别从l 、3 两端输出，经由光电探测器 转化为电信号。当未加声信号时，由于环形光路的互易性，两路光经历了完全相同的光程， 因此它们的相位也相同，此时相位差为零；当外界声信号作用在探头的传感光纤上时，由 于延时光纤的的存在，c w 和c c w 两路光到达传感位置会有一个时间闻隔，声场信号改 变，就会在水听器光纤中产生相位调制，s a g n a c 环中两柬反向传输的光之间会由于在探头 位置被调制的时间不同而产生相位差，再通过对输出信号的解调可以得到声信号。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2s a g n a c 光纤水听器压力灵敏度分析 s a g n a c 干涉型光纤水听器是由声波作用在传感光纤上，使得在光纤中传播光的相位发 生改变，测量相位的变化量从而得到待测声波信息。设声波方程为： p = e os i n c o o t ( 2 1 ) 其中只为声波振幅，q 为声波的角频率，p 为声波对光纤产生的声压。 光通过长度为三的光纤时，相位延迟为 妒= 肛( 2 2 ) 其中卢为光波在光纤中的传播常数，= n k o ，以为光纤纤芯折射率，为光在真空中传播 的常数，- - 2 衫厶，x o 为光在真空中的波长。当光纤受声压作用时，将引起光纤中光波 相位变化矽为【3 5 】 卸= 肚+ 筇= 肚+ 三塑d n ，l + 三塑d d d ( 2 3 ) 其中，刀为光纤纤芯的折射率，甩为光纤沿z 方向折射率的改变，d 为光纤直径。 ( 2 3 ) 式中，第一项为应变效应，为光纤受应力作用产生轴向应变，使光纤长度变化造 成的相位差；第二项为弹光效应，为光纤的应变引起折射率改变所导致的相位差；第三项 为泊松效应，为光纤的应变引起其直径改变所导致的相位差，通常可忽略不计。 考虑到水听器探头与声波波长的关系，设探头为光纤所绕成的直径为d 慨的光纤环， 受到波长a 的声波作用。声压对光纤中光波的相位进行调制，可分为三种情况讨论3 6 】： ( 1 ) 在低频段( 人 ) 时，声波给光纤一静水压力变化； ( 2 ) 在中频段( a ) 时，须考虑沿声波传播方向的声波压力梯度； ( 3 ) 在高频段( 人 的低频情况下。 设光纤环的总长度为l ，对于长为l 的探头传感光纤和长为厶的延时光纤来说，由于 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 和厶的长度要远大于它们中间的连接光纤，故此可以把光纤环的光路近似看作是仅是由 和厶两部分组成的。将图2 1 中的光纤环展开，如图2 2 所示，声信号作用在厶上。 c c w - c w 一 式中以为应变导致光纤长度变化产生的相位差，丸为弹光效应导致光纤折射率变 2 2 1 应变所引起，段上微小长度变化，对相位的影响【3 5 1 圈 ， 勺料熙泪 丸= 属址：风乞，：一p p ( 1 f - 2 ) ( 2 7 ) 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 变化对相位的影响【3 5 】 吮：，印：j 娑a n ( 2 8 ) 由于刀，则娑：毛，于是 丸= ，氏砌 ( 2 9 ) 利用相对介电抗渗张量岛与介电常量勺的已知关系： 岛2 吉2 吉 蛳叫扣寺一字 ( 2 1 1 ) 式q e 是某一方向上的折射率。对于熔融石英光纤，由于其各向同性，可认为 各向折射率相同，故可用露代替。 舻降剀 审，= 喜岛勺 基中p f 为材料的弹光系数，勺为应变张量。同时根埽我们的假设，光纤内部不存在剪 切应变，即气= 岛= 氏= 0 。因此我们只需考虑f ，= 1 ，2 ，3 的情况，声光材料的弹性系数为 既= 萎i 萎! 萎i c 2 4 ) 根据( 2 1 2 ) 式、( 2 1 3 ) 式、( 2 1 4 ) 式可得 ( 吉) w ，。= a 。q + a ：勺+ p 。：乞亍书e x l 2 a ) ( p 。+ 2 p 。：) ( 2 1 5 ) 国防科学技术大学研究生院学位论文 由于光波沿z 方向传播，故仅在x , y 方向上有影响，于是 设 勘= 一斟爿，三删咖和l + 2 p l ：) 将( 2 1 6 ) 式代入( 2 9 ) 式中得 九= 一垡坠掣 将( 2 7 ) 式和( 2 17 ) 式代a ( 2 4 ) 式，则，段光纤相位变化夕为 妒= 一l p p ( 1 e - 2 ) +鱼! ：丛二兰丝丛! ! 兰旦1 2 1 ： m o 2 2 e ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 ，1 8 ) ( 2 1 9 ) 将( 2 1 9 ) 式与声波方程( 2 1 ) 式代a ( 2 1 8 ) 式可以得到在传感光纤中距端点，处d 敏感段 受到声波作用所产生的相移为 即= 届曩咖k ，印( 2 2 0 ) 其中户为光波在光纤中的传播常数，p o 为声波振幅，吃为声波的角频率。 在s a g n a c 水听器中，由于c w 、c c w 光波不能同时到达感受声波的磁，因此它们在d 处产生的相移也不同，在图2 2 的情况下，c w 光要先于c c w 光到达讲处，因此有c w 光和c c w 光在刃产生的相移分别为 舻眦蜀s 纽卜( r 一警冲 ， d = 肚。只叫吃( 卜_ l - 1 切讲 2 ， 其中c 为真空中光速 由( 2 2 1 ) 式、( 2 2 2 ) 式可得任意时刻顺时针方向和逆时针方向的光波在光纤环内产生的 相移分别为【3 7 1 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 = = = = = = = i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iiiii = = = = = = = = = = = = 妨o ) = r 舢+ r 胱。异蛳吃( t 一丢栉h 磁 ( 2 2 3 ) 协舻r 舢+ r 泓鼬r 吃( 卜等疗) ，卜 仁2 4 ， i 主l ( 2 2 3 ) 式和( 2 2 4 ) 式得到两束光的相位差0 ) 为 妒o ) = 痧凹o ) 一谚矿o ) = r 眦昂s 叫q ( r ) ，卜r 眦晶咖c 吃( 卜竽刀小 _ _ ( - 赤) 眦昂c o s q ( ，一言刀) ) l 二。+ 赤眦最c o m 一等玎硎 = 眦嗉h 吧( ，一刎一c 叫) + 眦昂赤