（水声工程专业论文）基于光纤加速度计的矢量水听器研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee m p h a s e so fa c o u s t i cm e a s u r e m e n t st u n i n gt ol o wf r e q u e n c yd e t e c t i o ni ns h a l l o w w a t e r , u n d e r w a t e ra c o u s t i cd e t e c t i o nb yl a r g e - s c a l eh y d r o p h o n ea r r a yb e c o m e sr e s t r i c t e d e s p e c i a l l yf o ra p p l i c a t i o n sw i t hl i m i t e ds i z el i k es u b m a r i n ea n dw a r s h i p ，i tr e q u e s t st h e u n d e r w a t e ra c o u s t i cd e t e c t i o ns y s t e mt oh a v es m a l ls i z e h i g hs e n s i t i v i t ya n dw i d ef r e q u e n c y b a n d w i d t h t h em e a s u r e ds i g n a lo fv e c t o rh y d r o p h o n ei nas i n g l e p o i n tc o n t a i n sv e c t o r i n f o r m a t i o no ft h ea c o u s t i cf i e l da n di t so r i e n t a t i o na b i l i t yi sn o tr e l a t e dt ot h ef r e q u e n e bs oi ti s a p p l i e dt ot h eu s ei nl o w - f r e q u e n c yb a n d u n d e rt h ep r e m i s et h a tt h es e n s i t i v i t yc a nm e e t r e q u i r e m e n t so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rp r o c e s s e sat 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 y 、析n lt h ep u r p o s eo f b r o a d e n i n gt h eo p e r a t i o nb a n d w i d t h af i b e ro p t i cv e c t o rh y d r o p h o n eb a s e do naf i b e r - o p t i ca c c e l e r o m e t e ri s p r e s e n t e d t h e h y d r o p h o n eh a sap u s h p u l lm a s s s p r i n gs t r u c t u r e b o t hm a n d r e la n dd i s ks t r u c t u r e so f f i b e r - o p t i ca e e e l e r o m e t e rw e r ea n a l y z e dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h es a m ea c c e l e r a t i o n s e n s i t i v i t ya n ds t r u c t u r es i z e ，t h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h ed i s ks t r u c t u r ew a st o ol o wt om e e t p r a c t i c a ln e e d s ，w h i l et h em a n d r e ls t r u c t u r eh a v eao p e r a t i o nb a n d w i d t hw i d ee n o u g ht om e e t p r a c t i c a ln e e d s c o n s e q u e n t l y , c o n s i d e r i n gav a r i e t yo ff a c t o r s ，t h et h e o r yw a se x t e n d e dt o t h r e e - d i m e n s i o n a lm a n d r e ls t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es y s t e ms i m u l a t i o n w a sp r o c e s s e d z e r ob u o y a n c yi nt h ew a t e ra n dw a t e rt i g h t n e s so ft h es e n s o rw a s g u a r a n t e e db y p a c k a g i n g aw h o l ef i b e r - o p t i cv e c t o rh y d r o p h o n ew a sd e s i g n e da n dp r o d u c e dw h i c hc o m p r i s e d o fs e n s o r ， o p t i c s ，c i r c u i t r ya n ds i g n a lm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns y s t e m t h ea c c e l e r a t i o n s e n s i t i v i t ya n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o p h o n ew e r ei n v e s t i g a t 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 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e s o n a n c ef r e q u e n c yo ft h eo n e - d i m e n s i o n a lm a n d r e l f i b e r - o p t i ca c c e l e r o m e t e rw a s2 5 0 0 h za n dt h ea c c e l e r a t i o ns e n s i t i v i t yr e a c h e d2 8 d br er a d g o v e rt h ef r e q u e n c yr a n g eo f2 0 h z 2 0 0 0 h z f o rt h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a lv e c t o rh y d r o p h o n e ， t h ea c c e l e r a t i o ns e n s i t i v i t yr e a c h e d3 0 d br er a d go v e rt h es a m ef r e q u e n c yr a n g e t h ed i f f e r e n c e b e t w e e no n - a x i ss e n s i t i v i t ya n dc r o s s s e n s i t i v i t yw a s2 4 8 d b ，2 1 5 d ba n d2 3 2 d bs e p a r a t e l y , w h i c hr e s u l t e di nt h eg o o do r i e n t a t i o na b i l i t y k e yw o r d s ：v e c t o rh y d r o p h o n e ，o p t i cf i b e rs e n s i n g ，a c c e l e r o m e t e r , t h r e e - d i m e n s i o n a l 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图l l 位移型光纤矢量水昕器的典型结构3 图1 2 光纤直接连接质量块的结构3 图1 3 光纤微弯结构4 图1 4 弹性框体内部充满液体的结构4 图1 5 弹性盘结构及工作原理示意图5 图1 6 一维芯轴型结构5 图1 7 三维分立组合光纤加速度计6 图1 8 三维芯轴型结构6 图1 9 声压梯度型光纤矢量水听器结构6 图2 1光纤m i c h e l s o n 干涉仪1 1 图2 2 一维芯轴型光纤加速度计原理图。1 2 图2 - 3 缠绕有光纤的弹性柱体示意图1 4 图2 4 谐振频率和灵敏度随e 和变化的曲线1 5 图2 5 谐振频率和灵敏度随尺和日变化的曲线1 5 图2 6 谐振频率和灵敏度随m 和变化的曲线1 6 图2 7 一维弹性盘光纤加速度计。1 7 图2 8 弹性盘在轴向力作用下形变示意图1 7 图2 9 弹性柱体切变力的影响示意图2 4 图2 1 0 弹性柱体本身质量的影响示意图2 5 图2 1 1二维运动相互串扰的示意图2 5 图3 1系统基本结构框图。2 7 图3 2 三维全保偏光纤加速度传感器光学系统结构简图。2 8 图3 3加速度灵敏度随弹性柱体高度三及半径尺的变化关系3 0 图3 ：4 谐振频率随弹性柱体高度三及半径尺的变化关系3 0 图3 5 加速度灵敏度随弹性柱体杨氏模量e 及泊松比肛的变化关系3 1 图3 6 谐振频率随弹性柱体杨氏模量e 及泊松比乒的变化关系3 1 图3 7 基于光频调制的全保偏非平衡式m i c h e l s o n 干涉仪光路示意图3 2 图3 8 干涉仪的响应曲线。3 2 i i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 9p g c 解调原理示意图3 4 图4 1光纤矢量水听器探头结构及尺寸“3 6 图4 2 光纤矢量传感器实物图3 7 图4 3光纤矢量传感器封装图3 8 图4 4 光纤矢量水听器的固定装置3 9 图4 5一维光纤矢量传感器加速度灵敏度频率响应测试系统示意图3 9 图4 6 加速度灵敏度频率响应4 0 图4 7 声压灵敏度频率响应，4 0 图4 8 三维光纤矢量水听器加速度灵敏度频率响应测试系统示意图4 l 图4 9 三维光纤矢量水听器加速度灵敏度频率响应测试系统实物图。4 1 图4 1 0 三维光纤矢量水听器加速度灵敏度频率响应曲线4 3 图4 1 1指向性测试装置4 4 图4 1 2 三维光纤矢量水听器指向性4 6 图4 1 3 光纤矢量水听器湖上测试：4 7 图4 1 4 光纤矢量水听器的探头及测试系统：4 7 图4 1 5 光纤矢量水听器四个传感单元指向性图：4 8 表目录 表4 1 传感器材料特性参数：3 6 表4 2 光纤矢量水听器探头质量分布3 8 表4 3 三维矢量光纤水听器加速度灵敏度及其频响测试结果。4 1 表4 4 指向性测试数据4 5 i v 国防科学技术大学研究生院学位论文 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：日期：年月日 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：基王迸红加速廑盐的筮量丞咂矍硒窥 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 第1 页 日期： 日期： 年月日 年月 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 光纤矢量水听器在水声探测领域的应用 电磁波和光波能在空间有效地传播，是空中信息传递的有效载体。但它们在水中的传 播损耗比声波约大3 个数量级，因而不能成为水中远距离信息传递的有效形式。迄今为止， 声波仍然是海洋中远距离信息传输的最有效的载体。声场是一种矢量场，除声压等标量信 息外，还包含声压梯度、加速度、质点振速、声强流等矢量信息【1 1 。对水声场的测量，可 以通过对声压变化、水介质的振速和加速度等物理量的测量来实现。在物理上，对水声场 的矢量检测才是完全的检测，它对声场的完整描述是十分必要的。 声压水听器对水声场声压标量进行测量，空间响应为各向同性，不能辨别声波传播方 向；要获得声场的矢量信息，需将数十至数百个探测单元组成大规模阵列，利用阵列的波 束形成来获取水声场的完整信息。按照波束形成理论，阵列尺度越大，声波波长越短，则 分辨率越高。但是目前水声研究和应用的重点都在浅海海域，同时由于海洋的声传播特性 和声隐身技术的发展，海上目标探测的有效频段转向数百、数十赫兹甚至是几赫兹的低频， 这时声波波长往往达到数十、数百，甚至上千米，已与海洋深度相当。在这种浅海、低频 领域的情况下，对潜艇、舰船等尺度有限载体来说，利用大尺度阵列进行水声场探测就受 到了诸多限制。在这种情况下，矢量水听器显示了其水声检测的优良性能，它在一个点上 的测量信号就包含了声场的矢量信息，因而可以在一个点上实现对水声场的完全探测和获 得较大的空间信噪比增益。在应用中，它具有指向性与频率无关的优点，适合在低频段应 用；它可探测到声场的完整信息，从而解决了声压水听器阵列的左右弦模糊问题；它可同 时测得声压和矢量信息，通过这些信息的互相关处理，能极大地抑制干扰，提高信噪比。 矢量水听器的优越性得到水声界及相关应用领域的认可和高度重视，国内外的许多研 究机构都对此开展了多方面的研究【2 - l9 1 。在应用中重视的低频段，水声矢量信号的幅度很 小。在这种情况下，应用传统的压电型矢量水听器进行矢量信号检测己显困难，同时，它 易受干扰，传输距离受限，难以在海上长期稳定工作。为解决这些问题，人们开始基于光 纤传感的矢量水听器技术研究，包括强度调制型、相位调制型和光纤光栅型等。实际结果 表明：强度调制型灵敏度低；光纤光栅型信号检测系统工作频率低并且系统复杂；相位调 制型灵敏度较高，可实现良好的低频响应。与传统压电水听器系统相比，基于相干检测技 术的相位调制型光纤矢量水听器灵敏度高，信号经光纤传输损耗小( o 3 d b k m ) ，无串扰， 能在恶劣的水下、地下环境中实现长期、稳定工作。结合现有的光纤通讯技术，光纤矢量 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 水听器可以方便地组建拖曳阵、舷侧阵、岸基阵等各种水下全光阵列和大范围光纤传感网。 光纤矢量水听器的这些优良特性很好地克服了压电系统几乎所有的缺点，为浅海低频的水 声研究和应用提供了理想的技术途径，在以下领域展示了广阔的应用前景： 1 ) 浅海海域、低频水声场探测； 2 ) 在水下兵器试验场进行潜艇和舰艇的自噪声及辐射场测量； 3 ) 潜艇舷侧阵； 4 ) 鱼雷、自主攻击水雷、自寻深水炸弹等尺度受限载体的水声探测； 5 ) 石油勘探中的地震波检测。 1 2 光纤矢量水听器的研究现状 声场中的矢量包括质点振速、位移、加速度、声压梯度，根据目前相关领域的文献， 光纤矢量水听器能够实现直接测量的声场矢量有位移、加速度、声压梯度。在水声场中， 质点振速面、位移西、加速度五、声压梯度v p 几种矢量与声压之间存在如下的关系【l 】= 厅：l 厢 “= 一，刀 风c 0 西：一上历i m p o c o v p ：旦p 元 c o 厅：生p 元 口= 一，w 风c o 式中元为声传播方向的单位矢量。由上式可见：结合声压标量信息，上述矢量信息可通过 运算相互转换。振速矢量的幅度与频率无关，位移矢量的幅度反比于频率，而梯度和加速 度矢量的幅度正比于频率。为比较它们的实现方式，按照位移型、加速度型和梯度型加以 区分。 1 2 1 位移型光纤矢量传感器 对于位移型光纤矢量传感器，由于声场中质点位移的幅度小而且随频率增加而变小， 这对位移型矢量水听器对位移的灵敏度提出了较高的要求。现有文献显示，位移型光纤矢 量水听器主要有两种可能实现方式，如图1 1 所示。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( a ) 光纤非接触式结构 豳 ( b ) 基于光纤磁致效应的结构 图1 1 位移型光纤矢量水听器的典型结构 磁致 伸缩 材料 在光纤非接触式结构中，反射镜随声场一起振动，造成干涉仪光程差的改变，在耦合 器处返回的两束光发生干涉，应用相干检测技术得到相位变化，最终获得声场位移；在基 于光纤磁致效应的结构中，在声场作用下，磁致伸缩材料在磁场中运动并感知磁场变化， 引起绕在其上的光纤传感臂长度变化，改变干涉仪的相位差，同理获得声场位移。实际测 试结果显示，这两种结构的信号不稳定，难以达到实用化要求。 1 2 2 加速度型光纤矢量传感器 对于加速度型光纤矢量传感器，传感器结构对加速度灵敏度、工作频带和矢量性这三 个指标有着决定性影响。在各种类型的光纤加速度传感器中，最早提出的是单根光纤传感 结构，后来出现了光纤微弯型、弹性盘型、内部充液体型和芯轴型结构。以下分别简要介 绍这几种典型结构： 1 光纤直接连接质量块的结构 ( a ) 单光纤式 ( b ) 双光纤式( c ) 横向传感式 图1 2 光纤直接连接质量块的结构 光纤直接连接质量块结构如图1 2 所示。其工作原理是：在加速度引起的惯性力作用 下，质量块和框架产生相对位移，引起传感光纤长度变化。据文献报道，图1 2 ( a ) 结构的 光纤传感器，得到的谐振频率为1 8 8 5h z ，相位灵敏度为4 7 4r a d g 。可见，这种结构的光 纤加速度传感器灵敏度太低，不能满足实际水声探测的要求。 第3 页 2 光纤微弯结构 图1 3 光纤微弯结构 光纤微弯结构如图1 3 所示。其工作原理是：在加速度引起的惯性力作用下，质量块 发生位移，齿型槽压缩光纤产生形变，光纤长度发生变化，引起光相位发生变化。美国n r l 的j a b u c a r o 等人采用这种结构研制的传感器【3 7 1 ，其质量小于2 克，工作频段到了2 0 0 0 h z 以上，但最小可测加速度只有0 2 m g h z ，可见灵敏度很低，不能满足实际水声探测的要 求。 3 弹性框架内部充满液体的结构 西圄 图1 4 弹性框体内部充满液体的结构 内部充液体结构如图1 4 所示。其工作原理是：当系统在声场下进行受迫振动时，弹 性框架内壁不同位置受到液体不均匀分布的压力，压力梯度变化使绕制在芯轴上的光纤长 度发生变化，引起光的相位发生变化，从而测出声振动加速度。据报导【2 ，这种结构的灵 敏度可达6 3 0r a d g ，谐振频率达1 3 0 0 h z 。但这种结构须防液体渗漏，并且容易产生不确定 形变而影响矢量性。 4 弹性盘结构 弹性盘结构如图1 5 ( a ) 所示。这种结构有两种固定方式：边缘支撑和中心支撑。不论 是哪种方式，其工作原理都是：在加速度引起的惯性力作用下，两弹性盘发生形变，使得 环绕于弹性盘表面的光纤圈长度发生改变，引起相位变化，应用相干检测技术获得加速度 幅度。在各向同性压力作用下，作为光纤干涉仪两臂的光纤同时伸长或缩短，不能引起相 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 位变化，因而弹性盘结构对声压信号不敏感，如图1 5 ( b ) 。 传感臂2 u蟹 l f 磷 鳃 蕊融襁荔臀帮蓝 ( a ) 弹性盘结构示意图 ( b ) 弹性盘在加速度和压力作用下的形变 图1 5 弹性盘结构及工作原理示意图 这种结构的报导较多【1 7 - 2j ，灵敏度一般都在5 0r a d g 以下。这种结构要扩展到三维需 要用三个独立探头正交装放，使矢量传感器整体体积较大。 5 芯轴型结构 ( a ) 单柱体式 图1 6 一维芯轴型结构 ( b ) 推挽式 芯轴型结构如图1 6 所示，传感光纤缠绕在弹性柱体上。其基本工作原理是：在加速 度引起的惯性力作用下，质量块与框架间产生相对位移，压缩或拉伸弹性柱体，使其发生 轴向和径向形变，缠绕在弹性柱体上的光纤长度因而发生变化，进而改变光纤干涉仪的相 位差。 芯轴型结构有单柱体式和推挽式两种。推挽式结构中柱体总高度和传感光纤长度增加 了一倍，但声振动产生的惯性力f = m a 平分到了两个柱体上，因而灵敏度并没有增加，谐 振频率变为单柱体情况的互倍，。推挽式结构的优点在于其对称性好，具有良好的矢量性。 据报导【2 ，维芯轴型结构光纤加速度传感器的加速度相位灵敏度可达到1 0 4r a d g 。芯轴 型结构加速度计要扩展到三维，可通过三个一维传感器正交分立组合的方式实现，如图1 7 第5 页 尸一 国防科学技术大学研究生院学位论文 所示，也可通过三个一维传感器共用一个中心质量块的方式实现，如图1 8 所示口6 1 。显然 后者的结构更紧凑，体积更小。 图1 7 三维分立组合光纤加速度计图1 8 三维芯轴型结构 据文献报道，图1 7 结构的三分量光纤加速度传感器【2 3 】，工作频带为1 0 h z 8 0 0 h z ， 轴向灵敏度为3 8 d b ，最小可检测加速度为3 9 3 彬h z 。 1 2 3 梯度型光纤矢量传感器 在声场中，位移和加速度这两个矢量可直接检测，而梯度矢量的检测实际上是通过对 声场中两个接近位置的声压作差来进行，因此梯度型光纤矢量水听器检测到的信号为 z i p = v p e ，然后近似地求得梯度卯，它具有如图1 9 所示的典型结构。 图1 9 声压梯度型光纤矢量水听器结构 在这种结构中，声压梯度使光纤干涉仪两臂处具有压力差，缠绕于弹性柱体上的光纤 长度变化与声压成正比，引起干涉仪光程差发生变化。由于这种结构实质上是检测声压的 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 差值，并不是直接检测梯度，因此其几何尺寸不能太大，但其灵敏度又需靠尺寸来提高， 要求尺寸不能太小。声压梯度型光纤水听器可以看作两个声压水听器的组合，由式( 1 1 ) 可 得到其声压灵敏度为： 丝：旦三m p 一= 一，w “ p c o 1( 1 2 ) 其中为光纤声压水听器的声压灵敏度，一般为一1 6 0 d b ，即o 0 1r a d p a 。若声压梯度型光 纤水听器两臂的声中心相距l - - 0 1 m ，则外部尺寸需要0 2 m ，对于常用的1 0 h z 1 0 0 0 h z 频段，声压灵敏度约为1 0 一1 0 。3 m d p a 量级，即2 2 0 1 8 0 d br er a d p p a ，可见灵敏度比 较低。 通过上述比较可知，相对于声压梯度和质点振速矢量探测方案，声场中加速度矢量的 探测更有利于实现高灵敏度和较宽工作频带，因而本课题采用了加速度型光纤矢量传感 器，进行水声矢量传感研究。 上述传感器在物理上还只是一个测量加速度的矢量传感器，要满足水声探测的需要， 必须在解决光纤传感关键技术的基础上，参考压电矢量水听器对探头外部特性的要求2 训， 包括耐高水压，尺寸较小、线型好以减小阻力和流噪声，进行整体设计。另外，为保持水 介质和传感器对加速度信号良好的相位一致性，整个探头在水下必须实现零浮力以保证声 阻抗的匹配，保证良好的水声场矢量探测性能。 1 3 关键技术 加速度型光纤矢量水听器不是单一的器件，而是以光纤干涉仪为光学核心，以声场矢 量测量为目的的光纤传感系统，包括传感器、光学系统和信号处理系统。相应的关键技术 如下： 1 探头矢量传感技术 光纤矢量水听器探头是水听器系统工作的物理基础，它的灵敏度和探测的矢量性决定 了后期的信号处理能够实现的最高检测能力。探头的性能和其结构设计密切相关，关于探 头结构设计的主要类型已在前一节做了较全面的介绍。探测的矢量性，要求探头在设计的 敏感方向灵敏度高，而在设计的非敏感方向灵敏度尽量接近零。在设计的工作频带内，一 方面要保证探头具有高灵敏度，另一方面要使横向串扰低，这对探头设计提出了较高的要 求，也是本课题需解决的问题之一。 2 光纤相干检测技术 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 光纤干涉仪是光纤矢量水听器光学系统的核心。具有稳定的工作能力是高性能的光纤 矢量水听器最基本的条件，这对光纤相干检测技术提出了要求，主要包括偏振稳定性控制、 消除初始相差影响两个方面。 线偏振光在非保偏光纤中传播时，会发生不定量的偏振衰落而变为椭圆偏振光，这使 干涉仪的干涉信号产生无规律的涨落，导致光纤矢量水听器无法稳定工作。因此，保持偏 振性是光纤矢量水听器稳定工作的基本要求。据已有文献，在保持偏振稳定性问题上，主 要有两种技术方案：一是在探头两臂的末端设置法拉第旋转镜( f a r a d a yr o t a t i o nm i r r o r ) ； 二是采用全保偏光学系统。两种方案相比，法拉第旋转镜不仅价格昂贵，而且由分立元件 粘合而成，在实际应用中，其可靠性存在问题。而采用全保偏结构可以从根本上保证偏振 态的稳定，且无分立元件，更加可靠。 光纤加速度传感器的检测对象是加速度信号，但在实际工程应用中，无可避免地受到 环境中的温度、压力等干扰信号的影响，产生非期望的响应，对加速度信号的准确测量极 为不利。因此，消除初始相差影响是保证系统测量准确性的关键因素。为解决此问题，在 光纤加速度传感器领域，最早有人采用有源零差检测技术【2 9 】，但这一方法需要使用压电陶 瓷进行初始相位的跟踪补偿，压电陶瓷本身将带来振动噪声，而且它只适用于小信号检测， 而对于大信号检测则无能为力，即使是稍大的信号也将产生失真，这严重限制了其工程应 用的范围。目前国内外大都采用相位载波调$ i ( p h a s eg e n e r a t e dc a r r i e r , p g c ) 技术 3 2 - 3 6 】进行 相干检测，以达到消除初始相差的目的，这一方法首先由美国海军实验室( n a l ) 的a 。d d a n d r i d g e 等人。埘提出，最小可检测光学相位可达到1 0 - 6 r a d 。 p g c 调制技术有两种技术方案：基于压电陶瓷调制的外调制和基于光源光频调制的内 调制。外调制需要使用压电陶瓷，因此不可避免地带来机械振动噪声，并且无法实现水下 全光系统，不利于光纤矢量水听器优势的充分发挥。相对而言，在内调制方案中，除光源 调制外，不需另加调制源，不但能极大地避免机械振动噪声的干扰，而且易于组建水下全 光阵列，从根本上消除了水下电信号传输的问题，是一个较为理想的方案。 3 水声信号处理技术 一个高性能的矢量传感器系统，除了要具有高灵敏度的前端探测单元和精确的相干检 测系统外，还需要与之相配的信号处理技术。随着声场矢量传感器技术的发展，相继出现 了多种信号处理方法：声能流合成、相干干扰抑制、电子旋转、指向性锐化等 1 4 - 1 8 】。这些 方法的共同点是，通过对标量信息和矢量信息进行互相关处理，达到抑制干扰，提高信噪 比的目的。近年来，美国和俄罗斯正在大力发展这一技术，并在2 0 0 2 年推出了矢量传感 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 器产品，美国还专门开发了专用于水声矢量信号处理的集成d s p 。 光纤矢量水听器探测到的是水声场的加速度信号，在实际应用中，需要先将其加速度 矢量通过积分转换为振速矢量，然后再进行振速和声压的联合信号处理，得到水下目标的 方位角和目标强度等信息。联合信号处理包括声压与振速的互相关、波束旋转与波束锐化 等，其中声压与振速的互相关是最基本的处理方法，可得到水声行波场的声能流矢量，它 包含了水下目标的方位角和目标强度等信息。 由于光纤矢量水听器灵敏度高，信噪比高，特别对低频信号能进行有效的探测，因此 发展与光纤矢量水听器相应的水声场信号处理技术，对于目前低频段水下目标探测有重要 的意义。 1 4 本论文主要工作 对于光纤矢量水听器的研究，本教研室在国内起步较早，进行了较全面的理论分析工 作和实验验证，在实验室条件及海试中取得了理想的效果【2 8 。，为本课题的开展奠定了技 术基础。教研室已经研制的光纤矢量水听器虽然在灵敏度这一性能上达到实用要求，但是 谐振频率偏低导致工作频带窄，对较高频率信号的检测存在失真，因而应用范围受到限制。 本课题以提高探头谐振频率为目的，在保证系统加速度灵敏度达到实用要求的基础上，优 化探头选材及结构设计，并对整套矢量水听器系统进行了性能优化。 第一章绪论。明确目前低频浅海海域水声探测面临的问题及光纤矢量水听器研究的 重要性。比较各种类型光纤矢量传感器的典型结构、传感原理和性能特点。简要介绍影响 光纤矢量水听器综合性能的三大关键技术：探头矢量传感技术、光纤相干检测技术和水声 场信号处理技术。这些内容确定了光纤矢量水听器的研究方向，并为它的技术实现奠定了 基础。 第二章光纤矢量水听器理论分析。针对一维情况研究芯轴型及弹性盘型光纤加速度 计的工作原理，得到灵敏度、工作频带两大关键性能与结构设计参量的关系。并综合考虑 切向力、弹性柱体自身质量以及三维间串扰等影响因素，将对芯轴型光纤加速度计的理论 分析推广到三维一体光纤加速度计。 第三章光纤矢量水听器系统设计。光纤加速度矢量水听器是以光纤干涉仪为核心的 光纤传感系统，主要包括传感探头、光学系统、电路模块与信号处理系统。传感探头作为 换能器将水声信号转换为光相位信息，而光学系统、电路模块与信号处理系统实现对传感 器信号的高灵敏度相干检测。因此完整可靠的系统是保障矢量传感器的优良工作性能的必 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 要条件。本章首先介绍了系统基本结构及工作原理，然后重点进行了光学系统设计，并阐 述了信号处理系统中p g c 调制解调技术的工作原理。 第四章光纤矢量水听器系统的实验研究。以理论分析结果为基础，根据实际应用的 需要，设计并制作了包括传感器、光学系统和信号处理系统的完整实验系统。通过实验的 方法，对系统进行了较全面的测试和分析，包括加速度灵敏度的频率响应特性、等效声压 灵敏度的频率响应特性以及系统指向性等。实测结果显示：三维光纤矢量水听器在 2 0 h z - 2 0 0 0 h z 频段内加速度灵敏度响应平坦，与理论基本一致，交叉去敏度分别达到 2 4 8 d b 、2 1 5 d b 和2 3 2 d b ，具有较好的矢量检测性能。 第五章结论及需进一步研究的问题。总结了课题主要研究结果，并结合研究工作中 遇到的问题，给出了开展光纤矢量水听器系统下一步研究的若干建议。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光纤矢量水昕器理论分析 在光纤矢量水听器系统中，系统的灵敏度取决于信号检测系统灵敏度和探头加速度灵 敏度。光学相干检测技术保障了信号检测系统的高灵敏度，因而光纤矢量传感器的设计与 制作决定了系统的加速度灵敏度以及其它重要性能。考虑到水声探测的实际，传感器不但 要具有较高的灵敏度，还要具备较宽工作频带和良好的矢量性，这些是衡量矢量传感器性 能的三大指标。灵敏度和谐振频率存在着相互制约的关系，而工作频带受限于谐振频率， 从而灵敏度和工作频带存在着相互制约的关系。要对两者进行合理的选择和相应的参数设 计，首先必须了解它们相互制约的机理和影响因素。 在本章中，首先分别对芯轴型和弹性盘型两种光纤加速度计的一维结构的传感原理进 行理论分析，得出加速度灵敏度、谐振频率等性能参数的理论公式，分析其与结构设计参 数的关系。通过对比分析，总结两种结构的优缺点，并最终选取芯轴型进行进一步的理论 分析，得出三维情况下矢量水听器性能参数的理论公式。 2 1 光纤m i c h e l s o n 干涉仪 光纤m i c h e l s o n 干涉仪的基本结构如图2 1 所示。光信号由激光器发出，经3 d b 耦合 器平均分为两束，两束光分别经由传感臂和参考臂传输并被反射端反射，两束反射光在3 d b 耦合器处发生干涉后传至光电探测器。 当信号臂光纤受到外界因素调制而发生长度改变时，两臂的光程差就随之改变，进而 耦合器处两束反射光的相位差发生变化，干涉后的光强和原来相比有相应的改变。光电探 测器给出光强的变化，进而得到相位的变化，根据传感器的传感理论反推回去就得到外界 调制信号的强度，实现相干检测。 图2 1 光纤m i c h e l s o n 干涉仪 设光纤m i c h e l s o n 干涉仪的传感臂的光纤长度为三，则光在其中往返一次产生的相移 可表示为 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 西：2 n d 。 ( 2 1 ) 归一化相位变化可通过对式( 2 1 ) 求微商得到，它包含两部分的影响，分别是光纤长度 的变化缸和光弹效应引起的折射率变化血。 型：丝+ 笪 ( 2 2 ) 一= = 一_ - 一 t 厶厶， 妒l i t 上式忽略了光纤直径的改变对相位变化的影响，即泊松效应。这种影响与前两种影响 相比小2 3 个数量级，可以忽略。式( 2 2 ) 中的第二项，即光弹效应项，其大小为第一项的 2 1 ，且符号相反【2 引。 这样，归一化加速度灵敏度可以表示成如下形式 笪# a a = ( o 7 9 ) 旦l a a ( 2 3 ) 一= - i ，y - 一 二j - ， 其中系数0 7 9 就考虑了光弹效应项对相位变化的负向影响。相应的相位变化 矽= 0 7 9 华竹2 a l ( 2 4 ) 如果能通过理论推算得出加速度作用下的址值，就能得到光纤加速度计的加速度灵敏 度。在下面两节，分别针对一维弹性盘型光纤加速度计和一维芯轴型光纤加速度计进行灵 敏度的理论分析。 2 2 一维芯轴型光纤加速度计- 2 。2 1 一维芯轴型光纤加速度计的工作原理 芯轴型结构有两种方式，单柱体式和推挽式。在同样柱体尺寸的情况下，两种结构的 加速度灵敏度相等，后者的谐振频率是前者的虿倍，工作频带得到拓宽。更重要的是， 推挽式结构对称性好，可以获得良好的矢量性。 图2 2 一维芯轴型光纤加速度计原理图 第1 2 页 一ijo【p_e工orouojb -h，。二- 国防科学技术大学研究生院学位论文 作为m i c h e l s o n 干涉仪两臂的光纤分别绕在两实心弹性柱体上，质量块粘接在对称的 两个实心弹性柱体之间，弹性柱体固接在密封的外壳上，如图2 2 所示。无加速度信号作 用时，传感系统在重物块的重力、弹性柱体的弹性力以及光纤张力的作用下，处于最初的 平衡状态。 在惯性力作用下，质量为m 的重物块对两弹性柱体施以大小相等的压缩力和拉伸力 ( f = m a 2 ) ，使两个弹性柱体在轴向上分别缩短和伸长，导致柱体径向上分别膨胀和收缩， 进而引起缠绕在两弹性柱体上的光纤长度分别伸长和缩短，于是在光纤干涉仪上产生相位 差变化。，当系统受到垂直于柱体轴向的力作用时，两柱体产生等量的形变，相位差变化为 零。系统只对轴向上的加速度敏感，实现了矢量探测。 2 2 2 一维芯轴型光纤加速度计的灵敏度和谐振频率的理论分析 从简单的一维结构出发，首先根据弹性力学理论给出一些普遍的基本关系，然后结合 具体问题研究芯轴型推挽式光纤加速度传感器的特性，通过理论分析得到其加速度灵敏度 和频响与相关结构参数的关系。 在本课题所讨论范围内，弹性柱体的质量远小于质量块的质量，可将系统视为一个弹 簧振子。暂时忽略弹性柱体上光纤对系统的影响，对谐振频率和灵敏度进行简要的分析。 设弹性柱体的杨氏模量为e ，泊松比为，弹性系数为k ，质量块质量为朋，单个实心 弹性柱体半径为尺，高为鼠系统加速度为a ，质量块对弹性柱体的作用力为f = m a 。其中 杨氏模量定义为： e = 篇 ( 2 5 ) 由胡克定律，弹性系统的弹性系数 k = 州a h = e 斌2 h ( 2 6 ) 对推挽式双柱体结构，其弹性系数为单柱体的两倍，因而系统谐振频率为 f o = 去厝= 击辱 ， 当系统工作频率即声场振动加速度的频率厂远低于系统谐振频率石时，弹性柱体处于 一个近平衡状态。弹性柱体径向应变与轴向应变的关系为： 等一等 ， rh 联立( 2 6 ) - - 与( 2 8 ) 式，可以得到弹性柱体径向尺寸相对变化，也即所绕光纤长度匆的相 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 对变化： 坐：竺：一罢。( 2 9 ) 一= 一= 一一 i 7 ， l f r e t r r “ 因此，考虑光纤m i c h e l s o n 干涉仪两倍光程，可得系统相应的加速度相位灵敏度： m o = 譬( o ) = 0 7 9 x 2 x 等嚣。 ( 2 1 0 ) 其中以为光纤纤芯折射率，如为光源工作波长。 实际系统工作在非静力加速度作用下，加速度灵敏度响应是随频率厂变化的，其变化 规律是【3 8 】 譬( 力= 警( o ) f 0 2 p 岳) 2 + 2 ( 2 1 1 ) 口口v【， 其中q 为与阻尼有关的品质因子。 由以上公式可以看出，e 和是决定灵敏度和谐振频率的两个关键参数。在实际系统 中的弹性柱体上绕有光纤，e 和会因光纤束缚作用而发生变化，影响系统的灵敏度和谐 振频率。 如图2 3 所示，在弹性柱体上缠绕了光纤的情况下，弹性柱体可以看成一个各向同性 的弹性圆柱体，其外径为r ，高为日。 图2 3 缠绕有光纤的弹性柱体示意图 设光纤刚度系数主要由中心玻璃层决定，中心玻璃层半径为彤杨氏模量为勘因而 光纤刚度系数为 k f = ef 感? 第1 4 页 ( 2 1 2 ) 国防科学技术大学研究生院学位论文 缠绕光纤后的弹性柱体杨氏模量e7 ，弹性系数k7 ，泊松比7 为： e 2 k = = 1 一一2 u2 x 1 一一2 1 u 2 旦积z h u x ( 2 1 3 ) 其中，x = l + 旦掣1 k i i n ，是反映光纤对弹性柱体相对约束作用的常数，当炸1 ， 即无光纤约束时，有e7 = e ，_ ；当x 1 ，即柱体径向受到完全约束时，有f = 南e 。 可见在这两种极端情况下与弹性力学结果相符。 将e7 、代入式( 2 7 ) 和式( 2 1 1 ) ，可分析得到谐振频率和灵敏度随各相关参数的变化曲 线，如图2 4 - - 2 6 所示： 图2 4 谐振频率和灵敏度随e 和弘变化的曲线 ( = 1 3 0 ，m = o 0 8 k g ，r = 0 0 0 6 m ，日= 0 0 1 5 m ) 图2 5 谐振频率和灵敏度随r 和日变化的曲线 ( e = 8 m p a ，= 0 4 5 ，m = 0 0 8 k g ，n = 1 3 0 ) 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 6 谐振频率和灵敏度随m 和变化的曲线 ( e = 8 m p a ，= 0 4 5 ，r = 0 0 0 6 m ，日= 0 0 1 5 m ) 由以上分析可得知，光纤的约束作用使弹性系统等效杨式模量e7 增大，等效泊松比7