（光学工程专业论文）光纤水听器系统噪声分析及抑制技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 光纤水听器系统逐渐走向大规模阵列应用阶段，其噪声问题作为系统的关键 技术问题，成为提升系统性能的瓶颈，本文对光纤水听器系统噪声问题进行了深 入的分析研究，解决了一些关键技术问题，将推动光纤水听器技术的进步。 在大规模水听器系统基本方案的基础上，分析了系统各种噪声的来源，针对 光频调制非平衡相干检测p g c 解调方案的光纤水听器系统，建立了包含各种因素 的相位噪声模型，揭示了各种噪声到系统最终相位信号输出的传递关系，为系统 各种噪声分析奠定基础。 对环形腔激光器的弛豫振荡进行了深入理论研究和试验测试，分析了弛豫振 荡噪声对p g c 解调的影响，提出了改变驱动功率来改变噪声峰位置，从而降低该 噪声对系统噪声影响的方法，并通过改进激光器结构参数和研制具有弛豫振荡抑 制功能的高性能驱动控制器，使弛豫振荡峰减小2 5 d b 以上，残余振荡小于3 d b ， 大幅度降低了系统噪声。 建立了非平衡干涉仪相位噪声的测试系统，结合大规模光纤水听器阵列的结 构和探测基元的参数特性，探索通过补偿抑制相位噪声的具体措施，提出主动相 位扰动自动参数获取的相位噪声抑制方法，有效抑制大相位噪声最高可达2 0 d b 以 上，解决了大规模光纤水听器阵列相位噪声抑制的一大难题，提高了系统的抗环 境干扰能力和探测性能。 研究了激光器的跳模现象对系统的影响，通过对激光器参数的调整和跳模过 程的测试，寻找被动抑制跳模的最佳结构参数，在一定程度上抑制跳模的发生和 降低跳模频度，在静态下8 小时跳模可降到5 次以下。通过对p g c 解调信号中跳 模过程的分析，探讨了主动抑制跳模的可能控制参量和主动跳模抑制的可能性。 通过电光偏振调制的研究，探讨光传输偏振噪声问题，提出了在时分复用p g c 解调系统中同步调制采样抑制偏振起伏的有效方法。提出了高相干光传输杂散光 相干噪声问题，给出了定量分析结果，为大规模光纤水听器系统设计和系统建造 中光传输噪声的控制提供了一项依据。 本论文的研究成果已在实际系统中得到应用。 主题词：光纤水听器噪声抑制弛豫振荡相位噪声跳模传输噪声 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 f i b e ro p t i ch y d r o p h o n es y s t e m sa r ed e v e l o p i n gi n t ol a r g es c a l ea r r a ya p p l i c a t i o n s a st h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e mo ft h es y s t e m ，n o i s ep r o b l e mi sb e c o m i n gab o t t l en e c kt o e n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，n o i s ep r o b l e mo ft h ef i b e ro p t i c h y d r o p h o n es y s t e mh a sb e e na n a l y z e da n d s o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e mh a sb e e ns o l v e d ， w h i c hw i l lp u s hf o r w a r dt h ea d v a n c i n go ft h ef i b e ro p t i ch y d r o p h o n et e c h n o l o g y b a s e do nt h eb a s i ch y d r o p h o n es y s t e ms c h e m e ，v a r i a n tn o i s es o u r c e sh a v eb e e n a n a l y z e d f o rf r e q u e n c ym o d u l a t e du n b a l a n c e dc o h e r e n td e t e c t i n gp h a s eg e n e r a t e d c a r r i e r ( p g c ) f i b e ro p t i ch y d r o p h o n es y s t e m ，ap h a s en o i s em o d e l i n c l u d i n gv a r i a n t n o i s ef a c t o r sh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h et r a n s f e rf u n c t i o no fd i f f e r e n tn o i s es o u r c e st ot h e f i n a lp h a s eo u t p u th a sb e e nr e v e a l e d ，w h i c hm a k e st h eb a s i so ft h es y s t e mn o i s e a n a l y s i s t h er e l a x a t i o no s c i l l a t i o no ft h ef i b e rr i n gl a s e rh a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l y t h ei n f l u e n c eo ft h er e l a x a t i o no s c i l l a t i o nn o i s et ot h ep g cs c h e m eh a s b e e na n a l y z e da n dan e wm e t h o do fc h a n g i n gp u m pp o w e rt oc h a n g et h en o i s ep e a k f r e q u e n c ys ot h a tl o w e rt h en o i s ei n f l u e n c eh a sb e e np r o p o s e d f u r t h e rm o r e ，b y i m p r o v i n gt h el a s e rs t r u c t u r ep a r a m e t e ra n dd e v e l o p i n gah i g hp e r f o r m a n c ep u m pd r i v e r w h i c hh a st h ea b i l i t yt os u p p r e s sr e l a x a t i o no s c i l l a t i o n ，t h en o i s ep e a kh a sb e e nr e d u c e d b y2 5 d b ，t h er e m a i n i n gn o i s el e s st h a n3 d b t h es y s t e mn o i s eh a sb e e ng r e a t l yr e d u c e d ap h a s en o i s et e s t i n gs y s t e mb a s e do nu n b a l a n c e di n t e r f e r o m e t e rh a sb e e n e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo fl a r g es c a l ef i b e ro p t i ch y d r o p h o n ea r r a y s y s t e ma n dt h es e n s o rp a r a m e t e rc h a r a c t e r ，r e a l i s t i cw a y st os u p p r e s sp h a s en o i s eb y m e a n so fc o m p e n s a t i o nh a sb e e ne x p l o r e d am e t h o do fa c t i v ed i s t u r b i n ga n da u t o m a t e p a r a m e t e ro b t a i n i n gt or e d u c et h ep h a s en o i s eh a sb e e np r o p o s e d i nt h eh i g h e s tc a s e ，i t c a nr e d u c et h ep h a s en o i s eh i g h e rt h a n2 0 d b ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c e a n da n t i - d i s t u r b a n c ea b i l i t yo ft h es y s t e m t h ei n f l u e n c eo ft h el a s e rm o d e h o p p i n gt ot h es y s t e mh a sb e e ns t u d i e d b y a d j u s t i n gt h ep a r a m e t e ro ft h el a s e ri nt h e t e s to ft h em o d eh o p p i n g ，w ec a nf i n dt h eb e s t p a r a m e t e rt or e d u c em o d e h o p p i n g a sar e s u l t ，t h em o d e h o p p i n gc a nb er e d u c e dt o l e s st h a n5t i m e si n8h o u r s b ya n a l y z i n gt h ep g c o u t p u ts i g n a lw h e nm o d e - h o p p i n g o c c u r s ，w a y st oa c t i v e l yr e d u c i n gm o d eh o p p i n gh a sb e e ns t u d i e d a ne f f e c t i v em e t h o db a s e do ns y n c h r o n i z i n gm o d u l a t i o na n ds a m p l i n gt or e d u c e p o l a r i z a t i o n i n d u c e df a d i n g ( p i f ) i nt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( t d m ) s y s t e mb y e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o n ( e o m ) h a sb e e ns t u d i e d t h en o i s ec a u s e db yh i g hc o h e r e n t s t r a yl i g h th a sb e e nd i s c u s s e da n dq u a n t i t a t i v er e s u l t sh a v eb e e ng i v e n ，w h i c hp r o v i d e sa b a s i si nc o n t r o l l i n gt h el i g h tt r a n s m i s s i o nn o i s ei nl a r g es c a l ef i b e ro p t i ch y d r o p h o n e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 s y s t e m a l lt h er e s e a r c hp r o d u c t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e nu s e di nr e a lf i b e ro p t i e h y d r o p h o n es y s t e m s k e yw o r d s ： f i b e ro p t i ch y d r o p h o n e ；n o i s es u p p r e s s i o n ； r e l a x a t i o no s c i l l a t i o n ；p h a s en o i s e ；m o d e h o p p j n g ；t r a n s m i s s i o nn o i s e ； 第i 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 干涉型光纤水听器阵列各种体系结构的性能比较1 3 表4 1 安静情况下的传感基元与不敏感基元的噪声相关系数5 3 表4 2 安静情况下传感基元与不敏感基元信号噪声相消后的相关系数5 4 表4 3 振动情况下水听器与不敏感基元的相关系数5 5 表4 4 振动情况下8 路水听器与不敏感基元信号噪声相消后的相关系数5 6 表8 1a 巾噪声测试结果9 1 表8 2 电路噪声测试结果9 1 表8 3 光强噪声测试结果9 2 表8 4 声光调制噪声测试结果9 3 表8 58 路时分复用通道间串扰( 单位：d b ) 9 5 表8 6 波分复用通道间串扰( 单位：d b ) 9 6 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 图2 图2 图2 图目录 法国、意大利与挪威2 0 0 2 年海试噪声4 美国2 0 0 3 年阵列海试噪声。4 水陆一体化光纤监测系统5 k x n x m 大规模光纤水听器阵列系统示意图1 9 光纤水听器阵列系统干端结构图。2 1 光纤水听器阵列系统湿端结构图。2 1 大规模水听器阵列p g c 解调信号处理系统原理框图2 2 d s p 程序流程图2 3 基于以太网和计算机集群的信号处理架构2 3 图2 7 采用内调制p g c 的光纤水听器系统示意图2 4 图2 8 干涉仪的响应曲线2 5 图2 9 信号频谱分布图。2 9 图2 1 0 数字化p g c 最大可解调信号幅度随信号频率变化曲线。3 0 图3 1光纤激光器弛豫振荡噪声3 8 图3 2 弛豫振荡产生机理示意图3 9 图3 3弛豫振荡仿真结果与实测结果对比。4 2 图3 4 弛豫振荡中心频率随抽运功率的变化4 3 图3 5弛豫振荡频率随腔内损耗的变化。4 3 图3 6 振荡频率随谐振腔总长度的变化。4 3 图3 7 存在弛豫噪声时干涉信号谱级4 5 图3 8 调整蛾后的解调信号改善情况4 6 图4 1存在9 0 0 伪信号的波束图及时间瀑布图4 8 图4 2 非平衡干涉仪中测量的相位噪声5 0 图4 3 传感基元与声压不敏感基元的灵敏度相应曲线5 l 图4 4 使用声压不敏感基元消除相位噪声试验结构5 1 图4 5安静环境下测得的光纤水听器信号及谱级5 3 图4 6 安静环境下传感基元与不敏感基元噪声相消后信号及谱级5 4 图4 7 光源存在振动时水听器信号及谱级。5 5 图4 8 与不敏感基元噪声相消后水听器信号及谱级。5 6 图5 1激光器多模测试结果。5 9 图5 2 激光器跳模测试系统5 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图5 3 跳模时的光强信号及干涉仪信号6 0 图5 4 跳模次数与抽运功率的关系曲线6 1 图5 5 跳模引起的解调数据突变现象一6 2 图5 6多次跳模引起的解调数据突变现象6 3 图5 7 试验系统原理图一6 4 图5 8 两种典型跳模现象发生时f a b r y p e r o t 干涉仪输出信号6 5 图5 9 典型跳模过程时干涉仪输出信号6 6 图6 1电光晶体相位调制器消除偏振衰落7 0 图6 2 在z 向加电场横向应用的电光调制。：7 1 图6 3空分复用系统中使用电光调制消除偏振衰落一7 2 图6 4 脉冲序列频谱分析图7 3 图6 5时分复用系统中电光调制消除偏振衰落一7 4 图6 6 。= 2 c = 1 6 c o o 时干涉光强各频率分量分布图7 5 图6 7 方案b 中各频率分量分布图7 6 图6 8 光纤传输噪声分析图7 7 图7 1 掺铒光纤环形腔激光器结构简图8 1 图7 2 软件流程图8 2 图7 3 掺铒光纤环形腔激光器实物图。8 3 图7 4 使用光电负反馈抑制弛豫振荡原理图。8 6 图7 5 使用光电负反馈抑制强度噪声的效果8 7 图7 69 8 0 n m 抽运激光器驱动电路的性能一8 8 图7 7 光纤环形腔激光器的功率稳定度一8 8 图7 8l - - 5 m 干涉仪的相位噪声一8 9 图7 9 工作状态不佳时每分钟跳模次数曲线。8 9 图8 1a d 噪声测试一9 0 图8 1a ，d 噪声谱级一9 1 图8 1电路噪声测试9 1 图8 2 电路噪声谱级9 l 图8 3光源噪声测试9 2 图8 3 光源噪声谱级9 2 图8 3声光调制噪声测试9 3 图8 4 光源强度噪声抑制谱级图9 4 图8 5 光源噪声抑制后干涉仪噪声谱图9 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图8 68 路时分复用通道l 与通道2 的信号串扰9 5 图8 7 波分复用通道1 ( 九) 与通道l ( 允，) 间的信号串扰。9 6 图8 8 单水听器基元相位噪声9 6 图8 9 时分、波分阵列中水听器基元相位噪声9 7 图8 1o 光源振动时相位噪声9 8 图8 1 1 光源振动噪声相消效果9 8 图8 1 2l k h z 、8 0 0 h z 、4 0 0 h z 频点处的阵列指向性1 0 0 图8 1 3 【5 0 0 h z1 0 0 0 h z 频段最小可检测信噪比对应的波束图和时间历程1 0 1 图8 1 4 【4 0 0 h z8 0 0 h z 频段最小可检测信噪比对应的波束图和时间历程图1 0 1 第v i 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 学位论文作者签名：器壑 日期：2 。8 年1 。月1 。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) 学位论文作者签名：鍪望 作者指导教师签名：二土挑、 日期：2 0 0 8 年1 0 月1 0 日 日期：2 0 0 8 年1 0 月1 0 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤水听器系统的研究现状及发展趋势 随着潜艇制造技术的迅速发展，潜艇的噪声日益降低，压电水听器在大规模 成阵方面受到多种因素的制约，使得电缆连接的拖曳探测系统和海底声纳警戒系 统的探潜能力受到了极大的限制，而光纤水听器除有极高的探测灵敏度外，还突 破了大规模成阵的系列技术瓶颈，为提高对潜艇的探测能力提供了一种有效手段。 光纤水听器发展于7 0 年代末，它是以光纤传感和光电子技术为基础的一种新 型水声传感器。其传感原理是利用声波调制光纤中光波的强度、偏振态、相位等 参量来获取声波的频率、强度等信息。光纤水听器具有很多优点，如灵敏度较高， 响应频带较宽，频响特性好，可以响应甚低频，动态范围大，抗电磁干扰和串扰 的能力强，全光，水下无任何电子设备，以光纤作为信息的传感与传输媒介，稳 定性高，耐高温，抗腐蚀，光缆无铜，体积小，重量轻，传输距离远，可利用光 纤多路复用技术，构成大面积阵列和大规模阵列等【i - 6 1 。这些特点使得基于光纤水 听器的水下声纳系统传感器网络与信息传输网络一体化，简化了系统结构，降低 了工程要求，在大幅提高系统性能的同时，减少了系统的代价。 在技术上，光纤水听器可分为强度型、偏振态型、相位干涉型和光纤光栅型， 光纤激光器型等【_ 】。由于强度型和偏振型结构比较简单，因此早期的水听器多为 前两种类型】，但它们的检测灵敏度远不如相位干涉型【1 3 】高。光纤光栅水听器和 光纤激光器型由于具有可以在一根光纤上实现多个水听器基元的诱人特点，近年 来成为国内外研究的热点【1 4 0 引，但目前实用化的光纤水听器均采用相位干涉型。 相位干涉型光纤水听器通过高灵敏度的光纤相干检测技术，将水声信号转换成光 信号，并通过光纤传至信号处理系统从而提取声信息，具有灵敏度高、便于复用 等诸多优异的特性，在国内外研究最多，技术最成熟。干涉型光纤水听器的结构 主要有四种类型：m a c h z e h n d e r 型干涉仪、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、s a g n a e 型干涉仪。f a b r y p e r o t 干涉型水听器对激光光源的相干长度要求非 常高；s a g n a e 干涉型水听器是互易的零程差干涉仪，其灵敏度随声波频率的降低 而降低的特性不适于水声低频测试，因此光纤水听器通常采用m a c h z e h n d e r 型和 m i c h e l s o n 型等光学结构。英国光纤水听器权威n a s h 在1 9 9 6 年指出【l 引，干涉型光 纤水听器最有可能构成未来的声纳系统。2 0 0 3 年n a s h 再次指出，干涉型光纤水听 器可以将灵敏度和复用效率达到一种最佳的组合，因此是现有的各种光纤水听器 阵列中使用最多同时也是最有发展前景的一种光纤水听器【3 3 1 。 在应用方面，自1 9 7 7 年美国海军实验室的c o l e 和b u c a r o 等人发表光纤水听 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 器的首篇论文【l0 1 以来，各发达幽家的海军研究部门以及有关研究和工业部门都相 继投入大量的人力和物力，积极从事光纤水听器研究和开发，主要的研究机构有 美国海军研究实验室( n r l ) 、海军水下系统中心( n u s c ) 、英国国防研究局 ( d e r a ) 、海军水下武器研究所( a u w e ) 等u - 3 。 七十年代末，美国的海军研究实验室( n r l ) 开始执行光纤传感器系统计划1 3 6 】 ( f o s s ) ，成为世界上最早的大规模光纤传感器研究计划，其最主要研究内容即 为光纤水听器，其研究目的是为了对付前苏联潜艇的威胁。光纤水听器的第一次 海上试验是美国为海军流动噪声驳船系统的噪声监测装置首次开发的塑料芯轴光 纤水听器，并于1 9 8 3 年7 月部署在巴哈马群岛，试验结果证实了光纤水听器具有 低于海况零( d s s 0 ) 的噪声特性。 1 9 8 0 年，美国海军实验室( n r l ) 进行了一次被称为“g l a s s b o a r d ”的塑料芯轴 型光纤水听器试验，1 9 8 1 年n r l 封装了第一个被称为“b r a s s b o a r d ”的光纤水听 器，该光纤水听器采用m a c h z e h n d e r 干涉仪结构，采用波长为0 8 3 微米的l d 作 为光源，传感光纤臂绕在塑料芯轴上，而1 0 米长的参考光纤臂绕在巾2 5 4 m m 5 0 8 m m 的压电圆柱上，构成有源零差解调相位跟踪器，测试结果表明该光纤水听 器频率响应平坦，声压相位灵敏度为1 4 0 d b ( 0 d b l r a d u p a ) ，在4 - 3 5 的温度 范围和0 - - - 6 8 9 4 k p a 的压力范围内，声压灵敏度不受温度和压力的影响，在o 1 h z 1 0 k h z 的频率范围内，光纤水听器的声阈检测灵敏度低于零级海况( d s s 0 ) 1 0 d b ， 在5 0 0 h z 时，低于海况零( d s s 0 ) 约1 3 d b 。 1 9 8 3 年1 9 8 6 年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳光纤水听器阵列的海 上试验，包括芯轴型和被覆型光纤水听器，显现了光纤水听器用于拖曳阵列的强 大生命力，并直接导致了美海军水下系统中心和海军实验室联合进行的全光拖曳 阵歹u ( a l lo p t i ct o w e da r r a y ) 计划。由g o u l d 公司海事系统分公司为美海上系统司 令部研制的全光拖曳阵列于1 9 8 8 年进行了海上试验，并取得了很大成功。同年美 海军实验室制订了潜艇用“光纤水听器系统标准【l l 】”。 1 9 9 0 年6 月，l i t t o n 制导与控制公司研制的芯轴型迈克尔逊干涉仪结构的光 纤水听器首次在6 6 8 级攻击潜艇上进行演示试验，工作频率为6 4 h z - - 一5 0 k h z 。结 果表明，光纤水听器及有关元件尽管工作在恶劣的条件下，仍能满足和超过潜艇 水听器系统所要求的性能指标，这是美国海军潜艇平面阵列开发的一个重大进展。 1 9 9 0 年1 2 月4 8 单元全光纤托曳阵海上试验【l2 1 ，试验表明光纤水听器阵列抗流噪 声的性能符合和优于相关的海军要求。 1 9 9 3 年2 月和1 9 9 3 年4 月，4 9 单元全光纤轻型面阵装艇湖上试验。1 9 9 6 年 美国海军研究实验室提出a o d s 概念【l9 1 ，a o d s ( a 1 1 o p t i c a ld e p l o y a b l es y s t e m ) ， 即全光可扩展系统，该系统采用时分波分复合复用，可拓展至2 5 6 单元，应用于 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 舰船拖曳或岸基检测，距离可达1 0 0 公里。按此概念，1 9 9 6 年5 月美国完成海上 3 2 元光纤水听器阵列的展开与验证试验。 1 9 9 7 年日本冲电气电子公司研制的光纤水声测试系统在以“冲电气海洋技术 i i ”( o k is e a t e c hi i ) 船为载体上进行了长期水下地震测试拉o j 。 1 9 9 8 年英国的防卫研究局( d e r a ) 开展了基于光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ，f b g ) 的光纤水听器研究，该系统采用波分复用技术( w d m ) 及光纤放大器 ( e d f a ) ，设计目标为极细光纤水听器拖曳阵列【2 l j 。1 9 9 8 年d e r a 与受荷兰皇家海 军支持的应用物理研究所( t n o t p d ) 联合进行了3 2 基元5 公里传输时分复用 ( t d m ) 光纤水听器阵列的系统设计与海上演示试验【2 2 】。在此基础上，p n a s h 等人 1 9 9 9 年报道了正在研制的基于3 2 时分复用和多路波分复用的水听器阵列系统幽j 。 法国、意大利与挪威合作于2 0 0 0 年测试了4 基元光纤水听器的频率响应、串 扰、噪声本底以及响应的方向性等指标【2 4 1 ，之后在2 0 0 2 年进行了3 2 基元l 公里 传输海上演示试验【2 5 】，试验表明系统光及电噪声低于零级海况( d s s 0 ) 1 5 d b 。系统 采用时分复用方案，并计划进行波分复用技术的开发，以满足将来的拖曳阵列的 应用。 2 0 0 0 年m h o u s t o n 与p n a s h 报告了一个大规模全光光纤水听器系统1 2 6 , 2 7 1 ， 该系统可以用于勘探地下石油或天然气储备，采用全光湿端光纤水听器，即水下 无任何电子产品；系统为9 6 基元光纤水听器，传输距离8 公里，具有1 2 0 d b 的动 态范围。随着基于时分及密集波分复用( t d m d w d m ) 和光纤放大器( e d f a ) 的全光 光纤水听器系统的不断发展【2 8 1 ，2 0 0 1 年7 月美国海军与利通公司签订远程供电全 光固定分布系统( r e m o t ep o w e r e da l lo p t i c a lf d s cs y s t e m ) 开发合同，其核心是全 光光纤水听器阵列系统 2 9 , 3 0 1 。 2 0 0 2 年美国海军研究实验室与英国q i n e t i q 公司( 前身为d e r a ) 联合提出光纤 光学海底固定阵列( f o b m a ) 系统概念【3 1 1 ，初步目标是完成9 6 基元基于时分及密集 波分复用( t d m f d w d m ) 和光纤放大器( e d f a ) 的全光光纤水听器系统，从而验证更 大规模( 5 0 0 基元) 光纤水听器阵列的可行性。在完成系统设计、传感器设计、阵 列机械设计、阵列构造及阵列声测试的基础上，于2 0 0 2 年在美国水声特遣部队与 美国海军水下武器中心进行了原型测试，测试系统含1 6 基元光纤水听器，水听器 平均灵敏度高达1 2 7 5 d b ( 0 d b = 1 r a d g p a ) ，在工作带宽2 0 h z - 1 0 0 0 h z 内灵敏度响 应起伏小于0 2d b ，当水听器工作在3 7 5 米水深时，灵敏度下降0 7 d b 。2 0 0 3 年， 研制完成基于1 6 重时分和6 重波分技术的两条4 8 基元构成的9 6 基元阵列【3 ”4 。， 光纤水听器采用空气腔芯轴结构，声压相位灵敏度为1 2 7 5 d b ，传输缆长4 0 k m ， 整个阵列测得的噪声低于海洋噪声。 各国在水听器阵列的研制过程中，采用的系统设计方案不尽相同，但在噪声 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 问题上均以低于海况0 ( d s s 0 ) 为主要目标。如图1 1 所示，法国、意大利与挪威在 2 0 0 2 年进行的3 2 基元1 公里传输海上演示试验【2 5 】中，系统光电噪声通过声压不敏 感基元( i n s e n s i t i v eh y d r o p h o n e ) 来测得，该噪声低于海况o ( d s s o ) 1 5 d b 。 的r 。 一 摹：确口4 0 0帕o8 0 0，o 口口l j 国口1 0 0 0 0口2 口。i o2 2 口2 铽 f r e q u e n c y ( h z ) 图1 i 法国、意大利与挪威2 0 0 2 年海试噪声 如图1 2 所示，美国在2 0 0 3 年研制完成的1 6 重时分和6 重波分技术的9 6 基 元阵列【3 2 3 4 1 测得的噪声系统噪声低于海洋噪声： f r e q u e n c y 【h z l 图1 2 美国2 0 0 3 年阵列海试噪声 根据近年来反恐工作的需要和大规模水听器阵列技术的成熟，光纤水听器逐 渐发展成为水、陆一体化的监控系统，为港口，舰艇，岸边的工业基地等重要部 门提供一体化的监测网，用来防范可能的水上陆上袭击。如图1 3 所示，在2 0 0 3 年9 6 基元阵列【3 2 。3 4 】的基础上，2 0 0 4 2 0 0 6 年英国q i n e t i q 公司在海底布放水听器 阵列和在陆地埋设光缆和光纤加速度计，实现了海陆一体化的立体监测系统。 第4 页 p，n蕃e话jtp磐口一心坼一olu母雌ct 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 ( 曲光纤陆地监测系统 f b 、7 | ( 听嚣阵列系统 ( c 1 水陆一体化系统 图1 3 水陆一体化光纤监测系统 我国从“七五”开始光纤水听器的研究，经过相关单位的攻关，在光纤水听 器关键技术上取得了较大进展。早期研究主要集中在探头的设计和增敏技术、抗 偏振衰落技术、信号检测技术、多路复用技术以及关键光纤器件工艺技术等方面 的研究，在进行大量基础研究和取得系列关键技术突破后，近十年来国内光纤水 听器系统技术也得到了快速发展，一系列关键技术取得重大突破u 捌”j 。 作为一种性能良好的水声信号探测系统，近年来光纤水听嚣在井中探测、海 上油气勘探、海洋资源开发方面有越来越多的应用。但由于应用领域的不同，光 纤水听器在结构性能上又有着一系列新的问题需要解决。目前在油气资源勘测研 究中，对光纤水听器系统在阵列规模动态范围、耐温耐压以及低频微弱信号探测 方面都提出了极高的要求，近年来，随着系列关键技术的突破，相关工作进入应 用试验阶段。2 0 0 2 年8 月中科院声学所、国防科大、西安石油勘探仪器总厂以及 天津大港油田集团地球物探公司联合在渤海进行了2 3 基元全光光纤水听器阵列试 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 验，以验证光纤水听器应用于海洋石油勘探及水声物理研究的叮行性；2 0 0 6 年 1 0 月，国防科大、国家海洋局第一研究所，东方物探西安装备分公司等单位在南 海联合进行了水听器阵列静态和拖曳实验，验证光纤水听器对海洋线地层高分辨 率探测的可行性；2 0 0 8 年5 月，由中石油东方物探公司，国防科大，天津海泰股 份有限公司等单位联合，在吉林松原油田进行了光纤水听器石油井下探测实验； 上述工作和一些国家项目的开展，表明我国光纤水听器已进入向工程应用发展的 新阶段，在这一阶段，系统的整体性能成为研究工作的主要内容。 到目前，光纤水听器技术经历了以下发展历程：7 0 年代末至8 0 年代初对光纤 水听器单元技术及信号处理方法的研究；到8 0 年代中期，主要为光纤水听器实验 室系统和复用、解复用、及信号处理方法的研究；8 0 年代末至9 0 年代中期，光纤 水听器阵列的海上演示系统；9 0 年代末至现在：基于大规模光纤水听器应用系统 的开发与应用。 1 2 光纤水听器系统关键技术 水声探测技术的基本要求，就是从复杂有噪声背景中提取微弱声信号。光纤 水听器的基本功能是进行水声信号的探测，它的主要性能由声压灵敏度决定，而 系统本底噪声通过声压灵敏度转化为等效噪声压，决定了系统对弱信号的探测极 限，限制了系统的探测性能。系统噪声包括光学相位噪声和其它由强度噪声产生 的等效相位噪声。 由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部信息，需要把光纤 水听器组装成阵列的形式应用，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现 对水下目标的定向定位和获得足够高的空间信噪比增益，以实现对低于环境背景 噪声数十d b 微弱目标信号的检测。在技术构成上，光纤水听器系统比压电系统复 杂的多，其应用优势只有在大规模成阵方面才能得到充分体现。未来军事领域应 用的光纤水听器将向着多节点、大监控范围的方向发展，每个阵列将包含几十甚 至上百个节点，覆盖几百公里的监控范围。目前，一套大型的光纤水听器系统将 是一个包含上万公里光纤，数千个光学器件的复杂光学系统，在应用上，要使这 样的系统实现其潜在的性能指标，需要解决大量的工程技术问题，除研究光纤水 听器探测基元外，还要对光源、光传输以及海量信号处理等各个方面进行系统全 面的研究。 1 2 1 光纤水听器基元技术 光纤水听器发展二十多年以来，人们已经在光纤水听器基元设计方面做了大 量的研究，这是光纤水听器系统研究最基础最专门的方面。在众多光纤水听器探 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 测基元技术方案中，干涉型光纤水听器是被证实具有较好的综合性能，发展较为 成熟，在一些重要系统中得到广泛应用，相位干涉型光纤水听器研究中应用较多 的主要为平面型和芯轴型基元结构。平面型光纤水听器一般采用m i c h e l s o n 或 m a c h z e h n d e r 干涉仪结构。该型结构主要分为碟式【3 8 ，3 9 1 、中央支撑碟式【4 0 】以及平 板式】三种。芯轴型结构光纤水听器可以通过增加缠绕于芯轴上的光纤的长度方 便地提高灵敏度，并且具有比其它结构更高的谐振频率，因而成为光纤水听器研 究的一个主要方向。目前应用的光纤水听器也大多采用芯轴型结构。芯轴型结构 大致可分为单臂缠绕式h 2 1 、推挽式口4 3 】、含空气腔圆柱式4 4 , 4 5 1 和刚性臂式m 4 7 1 四种 结构。 干涉型光纤水听器的灵敏度由声压相位灵敏度表征。声压相位灵敏度又称绝 对相位灵敏度，它定义为：由声信号引起的光纤水听器的干涉仪两臂的相位差西 与在声场中在水听器声中心位置处的自由场声压的比值。单位：弧度微帕 ( r a d l l p a ) 。 a ， m 。= 竺( r a d p p a ) ( 1 1 ) ?p 它的物理意义是：探头在声压尸( 单位：微帕) 的作用下，干涉仪两臂相位差的 变化咖( 单位：弧度) 。 光纤水听器的等效噪声压定义为沿水听器主轴方向传播的平面正弦行波入射 到水听器使其产生输出信号等于水听器1 h z 带宽固有噪声信号时的入射平面波声 压，用公式表示为： 天， 6 p = 兰包 ( 1 2 ) m p 式中：6 p 光纤水听器的等效噪声压，单位为p a ； 郦。光纤水听器1 h z 带宽固有噪声信号，它为系统中各种光学、电子学 噪声及解调误差有影响的总和，单位为r a d ； m ，光纤水听器的相位灵敏度，单位为r a d l a p a 。 6 p 是表征系统微弱信号探测能力的主要指标，由式( 1 2 ) 可见，在系统固有噪 声一定的情况下，水听器基元的相位灵敏度越高，其所对应的等效噪声压越小， 因此对微弱声信号探测能力就越强。因此，在系统的应用中，可以通过提高水听 器基元的声压灵敏度的方法来有效的提高系统的探测性能。但另一方面，受到系 统大信号解调能力和实际工艺的限制，提高光纤水听器灵敏度有一定的限度，在 这种情况下，提高系统对微弱声信号的探测能力只有通过降低系统自噪声来实现。 在一个实际光纤水听器系统中，光学噪声为系统自噪声的主要来源，对系统光学 噪声及抑制方法研究是本论文的主要工作。 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 2 2 光纤水听器信号检测技术 信号检测技术是干涉型光纤传感的关键技术之一，各种高灵敏度的干涉型光 纤水听器的核心为光纤干涉仪。光纤干涉仪的输出光强信号为 i = 五+ 厶+ 2 厶厶c o s ( t p , + ) ( 1 3 ) 其中厶，厶分