（电子科学与技术专业论文）干涉型光纤水听器阵列消偏振衰落技术的研究.pdf

塑至盔兰竖主兰堡堡奎 a b s t r a c t f i b e r o p t i c i n t e r f e r o m e t e ra c o u s t i cs e n s o ri sag r e a tp r o s p e c to fu n d e r w a t e rm i l i t a r yu s a g e ， f i s h i n g ，a n ds e c r e tm o n i t o r i n g b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t y , a n t i _ d i s t u r b a n c eo f e l e c t r i cf i e l d ，a n dp a s s i v ed e t e c t i o n ，m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sa r et a k i n gi n t e r e s ti ni t sd e v e l o p m e n t ， w h i c hm a d oi to n eo ft h em a i nd i r e c t i o n so ff i b e r o p t i cs e n s o r s r e s e a r c h a st h e r ei si n c r e a s i n g i n t e r e s ti nm u l t i p l e x i n go ft h ef i b e r o p t i ca c o u s t i cs e n s o ra n di t sp o l a r i z a t i o nc o n t r o l ，t h i sp a p e r d e m o n s t r a t e ss o m er e s e a r c ho nt h e s et w oa s p e c t s i nv i e wo fe x i s t i n gs h n n a g e so fi n t e r f e r o m e t r i cf i b e r - o p t i cs e n s o r sp o l a r i z a t i o ni n d u c e d f a d i n g ( p i f ) ，af e wn e wp i fe l i m i n a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e d ，s o m et h e o r e t i c a la n a l y s i s a n d i m p o r t a n ti m p r o v e m e n t i sd o n et oe x i s t i n gp o l a r i z a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u e s t h e s er e s e a r c hr e s u l t s l a yaf o u n d a t i o nf o rc h i n e s ef i b e r - o p t i cs e n s i n gt e c h n o l o g yt of u r t h e rd e v e l o pa n dc o m et ot h e a d v a n c e dw o r l ds t a n d a r d s t h i sp a p e rd o e sat h e o r e t i c a la n a l 2 e s i st ot h ee l i m i n a t i o no ft h ep i fb yt h r e ed e t e c t o r sw i t h p o l a r i z a t i o na n a l y z e r so f d i f f e r e n td i r e c t i o n s i no r d e rt oo v e r c o m et h ed i t h e r i n go ft h es e n s i n g s i g n a l ，an e wa u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ( a g c ) p r o c e s s i s d e s i g n e d t h i sr e s e a r c hl a y s a g o o d f o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ed e v e l o p m e n to f t h ef i b e r o p t i cs e n s o ra r r a y b ya d d i n gh i g h - f r e q u e n c ym o d u l a t i o nt ot h es t a t eo fp o l a r i z a t i o ni n t h eo u t p u ta i mo ft h e s e n s o r ，an e wi n t e r f e r o m e t r i cf i b e r - o p t i cs e n s o rw h i c ho v e r c o m et h ep i fi sp r o p o s e di nt h ep a p e r w i t ht h e o r e t i c a la n a l y z e df r i n g ev i s i b i l i t yo fo 7 0 7 t h i sm e t h o di se a s i e rt og a i nh i g hs t a b i l i t y s e n s i n gs i g n a lc o m p a r e d t ot h ee x i s t i n gm e t h o d s t h ep a p e rd o e san e wt h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ec o n t r o lo ft h ei n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i c s e n s o r s v i s i b i l i t yb yi n p u tp o l a r i z a t i o ns t a t ec o n t r 0 1 t h et h e o r yc a nw e l le x p l a i nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si nt h eo r i g i n a lp a p e r , w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n d a d j u s t m e n to f t h i s m e t h o d b ys u m m i n ge a c h s e n s o r s i n p u tp o l a r i z a t i o n s t a t ef e e d b a c kc o n t r o l s i g n a l f o r i n p u t p o l a r i z a t i o nc o n t r o lo f t h ea r r a y , t h ep a p e rf o rt h ef i r s tt i m ep r o p o s e saw a yt oo p t i m i z et h ei n p u t p o l a r i z a t i o n s t a t eo f t h em u l t i p l e x i n gs y s t e m t h et h e n r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h ec o n t r o lr e s u l to f t h em e t h o di sa p p r o x i m a t et ot h ei d e a lv a l u eo f t h e a r r a y 。sl o w e s tv i s i b i l i t y , w h i c hg i v ean e wi d e a l f o r t h e p o l a r i z a t i o n c o n t r o lo f t h e f i b e r o p t i cs e n s o r a r r a y t h e p a p e rd o e san e w t h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h ee l i m i n a t i o no f t h ep i f b yu s i n gf a r a d y r o t a t o r m i n o r sf o raf i b e ro p t i cm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t r i cs e n s o r s at i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n go ft w o s e n s o r si s p r e s e n t e d t h ed e l a y - f i b e r c r o s s t a l ko ft h e s y s t e mb yr a y l e i g hb a c k s c a a e r i n g i s a n a l y z e da n dd e m o n s t r a t e d ，a n ds o m em e t h o d st h a tp o s s i b l yr e d u c et h ee f f e c to ft h er a y l e i g h b a c k s c a t r e r e dl i g h ta r es u g g e s t e d b yi n t r o d u c i n g ap o l a r i z a t i o ns w i t c h i n gi no n ea mo ft h es e n s o r ，an e wi n t e r f e r o m e t r i cf i b e r - o p t i cs e n s o rf o rs u p p r e s s i o no f t h ep i fi sp r o p o s e di nt h ep a p e rw i t ht h e o r e t i c a la n m y z e d f r i n g e v i s i b i l i t yo fm o r et h a n0 5 c o m p a r e dt ot h ee x i s t i n gm e t h o d s t h i sm e t h o di sc h e a p e ri nc o s ta n d s i m p l e r i nt h es t r u c t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st w od e m o d u l a t i o np r i n c i p l e so ff i b e ro p t i ch y d r o p h o n e ，m a i n l y a n a l y z e s t h e3 3c o u p l e rb a s e dd e m o d u l a t o rf o rf i b e ro p t i ch y d r o p h o n e s ，a n dc o m p a r e st w o t e c h n i q u e ， p o i n t so u tt h a tm e3 3c o u p l e rd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u eap r e f e r r e da p p r o a c hf o rm a k i n gu pa l l f i b e ri n t e r f e r o m e t r i ch y d r o p h o n e sa n dh y d r o p h o n e a r r a y si nt h ef u t u r e t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri so fs i g n i f i c a n c et ot h ei n t e r f e r o m e 廿i cf i b e r - o p t i cs e n s o r a r r a y a n dt h ee ! i m i n a t i o no f i t sp o l a r i z a t i o n - i n d u c e d s i g n a lf a d i n g i i !：一 绪论 本论文研究工作是国家自然科学基金项目“干涉型光纤水听器阵列消偏振衰落技术的 研究”科研工作的部分。其内容主要是针对光纤水听器存在的偏振态随机漂移引起的检 测信号衰落问题，在干涉型光纤传感器的消偏振态衰落技术方面提出了适用于阵列复用的 若干新的方案并进行了较深入的研究分昕。 太课题的具体研究内穿和研冗成果包括： 对单元光纤水占传感器的分集检测消偏振衰落方式进行了新的理论分析，证明了分 三路分集检测是最简单的分集检测的结构，并针对输出信号的波动，提出了一种新的自动 增益控制电路( a g c ) 米消除这种波动，并将分集检测技术麻用到阵列，完成了在m a c h z e h n d e r 干涉仪上时分复 h 二元阵买验的方案设计。 提 了适用r 阵州的两种顾理相同的i h 偏振衰落光纤干涉仪结掏通过理论分析得 到该结构能使光纤水听器的可见度稳定住o7 0 7 。该方案具有结构简单，稳定性高的特点， 对干涉型光纤抟感器的输入偏振态反馈控制方式进行了理论分析和研究，该理论分 析结果与国外实验结果一致，剪= i = j 光纤传感器阵列的偏振态反馈控制方式提供了分析基础。 研究了通过输入偏振态反馈控制技术用于干涉型光纤传感器复用阵列的方案，经初 步的理论分析证明控静j 再阵刊筹单元可能返剖的可见度最小值不为零，接近国外文献预 计的理想簋，经信号处理历可以使所育传感器的检测信号可址度均为l ，因此可获得整个阵 列的无偏振衰落的信号输山。 对光纤m i c h e l s o n 干涉仪加两个f a r a d y 旋转镜以抵消偏振态的变化进行了理论分析 和研究理论分析结果表明该结构能使光纤水听器的可见度稳定为l ，推导出由r a y l e i g h 后向散射对干涉仪的影响并将该方案嗣于时分复用二元阵，提出了改进的阵列方案设计。 研究了一种新型的消偏振衰落光纤干涉仪结构，通过理论分析可得到能使于涉仪检 测信号的可见度大于o j ，该结十句适合丁复用阵列，并完成丁庄m a c h z e h n d e r 干涉仪上时 分复用二元眸实验的力寨改汁， 概述了m a c h 。z e h n d e r 干涉型光纤水昕器两种不同的调制解调技术，着重分析了用3 3 耦合器组成的干涉型光纤水听器的解调原理，并比较分析了这两种方案的特点，指出采 用3 3 耦合器解调技术是将来构成全光纤干涉型水听器系统的优选方案。 本博士论文的内弈共分九章，包括以下三部分内容： 1 干涉型光纤水听器阵列的技术介绍及其发展历史和现状。 2 干涉型光纤水町器单元及其复用系统中偏振态控制技术的研究。 3 于涉型光纤水昕器解凋方案的研究 论文第一章即为第一部分，在广泛研究国内外光纤传感器参考文献的基础上，概括介 绍了光纤水昕器及其阵列技术的发展和研究现状及本论文的研究工作。 在双光束于涉型光纤传感器中，光纤干涉仪两臂偏振态变化引起的信号衰落是光纤传 感器实用化进程中必颈解决的一大难题，也是近几年来来国外干涉型光纤传感器包括光 纤水听器研究的热点之一。本文的第二部分包括第二章，第三章，第四章，第五章，第 童和镑十童姿中钉述了本对干涉型光纤传感器及其复刚系统的消偏振衰落技母的研究 绪论 成果。 本文第二章对干涉型光纤传感器的分集检测去偏振衰落技术进行了研究，得出了分三 路分集检测是最简单的一种结构，提出并设计了一种新的自动增益控制电路( a g c ) 来消 除输出信号的波动。 本文第三章提出了两种消偏振衰落的方法，通过在光纤干涉仪的输出端加高频调制并 在检测电路滤波的方式，可以在光纤干涉信号可见度略有下降的情况下较完全地消除干涉 型光纤传感器的偏振信号衰落问题。 本文第四章对国外所提出的在单元光纤传感器中通过信号反馈控制输入光纤偏振态使 光纤干涉信号可见度保持为l 的反馈控制技术作了新的理论分析。 本文第五章提出了把输入偏振态控制方式用于光纤传感器复用系筑的买现方案，在理论上 对该方案用于复用系统的最差情况进行了计算，证明了这一。方案的可行性。 本文第六章对国外所提出的在光纤m i c h e l s o n 干涉仪加两个f a r a d y 旋转镜以抵消偏振 态的变化进行了新的理论分析，分析了影响m i c h e l s o n 光纤水声传感器传感信号的因素，并 分析了时分复用光纤m i c h e l s o n 水声干涉仪中各种串扰对传感器的影响，提出了改进的阵列 方案设计。 本文第七章提出了用偏振态开关来消除偏振衰落的方案，在理论上对该方案进行，证 明可以使输出信号的可见度不低于o 5 。 论文第八章为本文的第三部分。在这一章里分析了干涉型光纤水卢传感器的弧种主要 调制解调方案，相位载波( p g c ) 方式和3 3 耦合器方式，并进行，比较，从中可以得出 结论，3 3 耦合器解调技术方案应该是将来构成大规模光纤水声传感器阵列，实现远距离 传输与检测的优选方案。 本文第九章对全文的研究 作和结果进行了总结。 浙t l 人学学位博 论文 第一章光纤水声传感器技术的发展和现状 1 1 光纤传感器 七十年代初以来，随着第一代低损耗光纤的研制成功，光纤技术在通信、传感和光信 息处理等方面得到了广泛的应用和迅速的发展。 1 9 7 7 年b u c a r o 等人发表了第一篇利用光纤实现卢信号传感的文章1 ，_ 二十多年米 光纤传感技术得到了世界各国的高度重视。光纤传感技术是以被测信号调制光纤中光波的 某一特性参量，例如强度、波长、相位或偏振态等，往接受端通过光电检测和解调获得所 需要的传感信息的。 较之其他原理的传感器光纤传感器有许多不可替代的突出优越性”j ：由于光纤材料 为石英介质，因此本质绝缘、耐高温高压、耐腐蚀、抗电磁干扰、防爆抗振、适合r 恶劣 环境中信号探测；光纤细小柔韧，易于弯f | 可以构成仃意形状的传感器结构，便r “i 内部结构复杂，形状特殊物体中物理、化学、0 ：物量的测革，容易实现传感器的小型化2 j 集成化：光纤传输损耗小，可以实现传感信号的远距离探测，易于构成传感传输网络和陋 列，能够实现真正的分布传感测量等等：光纤传感器还有可能实现多种传感信号的同时测 量，光纤传感器对声场、电场、磁场、温度、旋转、压力、电流、位移、流量及其他物删 量和化学、医学、生物等三十几种参量的检测部有较高的传感检测灵敏度13 1 - 1 0 l ，存许多 检测方面有很大的应有潜力。目前，光纤传感器住h k 、军事、医学、航空航天、交通、 科学研究等众多领域正在得到广泛的开发戍州。 1 2 光纤水声传感器 声波是目前在海洋中唯一能够远距离传播的一种波。住海洋中探测作为信号载体的卢 波所形成的声场的时空结构，是进行水f 探测、识别、通讯及环境检测等的手段，例如进 行远距离军事目标探测，海洋资源开发，鱼群探测及海洋动力过程( 内波、环流，) 的遥测 等。因此先迸的水声探测技术对于国民经济，国防建设和科学研究等都具有重要意义。 光纤水声传感器是于七十年代末发展起来的种新型水声传感器1 ，它集光纤传感器 灵敏度高、结构灵巧、耐恶劣环境、抗电磁干扰、易于遥测和构成阵列等优越性于一体， 在水下军事应用、鱼群探测和保密监听等方面有很大的应用前景，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。 光纤水声传感器是利用光纤自身的特性，使声波调制光纤中光波的强度、波长、相付 偏振态或其他某种参量来传感水下声波的一种传感器。 衡量光纤水声传感器的主要性能指标为灵敏度、动态范围、频响特性、耐静水压、加 速度响应、方向性等。 笙：童些堑查主堡壁墨垫查盟垄壁塑塑坚 一 灵敏度： 一般水声传感器的灵敏度( 伏，微巴) 是指单位声压r 两端产生的电压。光纤水声传感 器的灵敏度由光电检测本身可检测到的最小光变化和传感头对声压的敏感度两方面决定。 例如干涉型光纤水声传感器最小可检测光信号在1 0 1 0 “t a d 4 h z 之间，对声信号的 检测灵敏度则主要取决于传感头的结构与传感光纤的长度【3 l 。 从具体技术指标看，我们需要先把声接受机理及其灵敏度的表述方法作一简介。干涉型 光纤水听器对声场的接受可分为两步描述：首先，我们把光纤看成一个弹性体，当受到外界声 压作用后，径向折射率分布n ( r ) 和轴向长度都会发生形变，从而使光纤中传输的光波相付 m 产生a o 的变化，( a m a p ) ：其次，由于二光波相位的变化，引起光纤干涉仪输出光强产生 了变化。根据上述物理过程可以定义出2 个相应的参数。 i 归化压敏度 厶为： m 。= 面a o ( p a - 1 ) 这个定义表明，单位长度光纤在单位压力变化下产生的相对光相移。 2 如指m 为检相灵敏度，单位用r a d 表示，即光纤水听器检测系统能检测到的最小相 移，那么定义最小的可探测声场压力闽值匕m 单位为p a ，i t 它来表示光纤水听器接受 灵敏度为： 只扩生( 删 ”2 m f f , m o 7 式( 1 1 ) 中：a 表示光源波长，仃为纤芯折射率，为敏感光纤长度。 3 我们也常用声接受电压灵敏度s ，定义它为单位声压变化产生的水听器探测系统输出电压 值( v n a ) 。在使用时往往用分贝表示，如声压变化一个i 护d 产生1 伏输出电压时，作 为。分贝，实际系统测试值就可用分贝表示 s m = g r m o ，o q( 1 2 ) 式( j 2 ) 中：g 为光电检测器的响应度( 彳) ，r 为光电检测器的负载电阻( n ) ，0 为光 纤干涉仪输出平均光功率，q 为干涉条纹的对比度。 有了上述说明，我们给出一组表征9 0 年代初国际上干涉型光纤水听器达到的一些主要 技术指标1 1 1 1 ：当指定1 1 d o a 声压变化作为参考级，光功率为l m w 时，最小可检测声压( 实 验室) 达到一3 9 d b l t p a ，现场实验达到一3 0 一3 5 d b i t , p a ；灵敏度稳定性( 海水中) 达到 l d b ，动态范围达到1 2 0 d b 频带宽度从几胁低频端至几十七 出高频区。最近的报道 2 浙江夫学学位博卜论史 表明【9 l ，干涉型光纤水声传感器的水声检测灵敏度，n ，信号的低频段( 6 3 h z 1 0 0 0 h z ) 达到很高的指标，在6 3 0 h z 时达到了1 3 41 d b ( 0 d b 为1 v up a ) 。 开始进入全光纤阵列海上试用，从规模上达到大的阵列含有1 0 0 0 个光纤水听器，组成多 达4 0 个分支大面积分布【9 i 。 线性动态范围： 光纤水卢传感器的线性动态范围是指在信噪比大于1 ，信号不失真情况下光纤传感器 最大信号幅度和最小信号幅度之比。它与电路器件、电路设计、光路与光源的噪声、传感 头的线性范围有关。 频响特性： 水下由船只、海浪和回波信号产生的各种声波的频率范围在十几赫到上百干赫之间， 对于船只信号频率则多数为十几赫到十几千赫，因此一般的光纤水声传感器检测频率为十 几赫到十几千赫的范围。对于光纤水声传感器的复用系统，该带宽及相应的线性响应动态 范围还要小一些。在检测带宽之内，对检测声信号的带内起伏有一定的要求，该指标越小 检测到的信号越逼真、准确、可靠。 耐水静压： 水下静压在深水中是很大的，如在2 0 米水f 压强为2 垤c m3 ，因而往往将水听器封 装在坚固的外部容器内。 加速度响应； 由于加速度的变化同样会使光纤水声传感头传感加速度信息，在实际的水声信号测试 中，要求水声传感头不受加速度变化的影响，加速度响应越小越好。一般对于加速度响应 的测试是在传感头上加上与水声信号同频率的交变加速度，测量传感器输出信号的大小。 由于光纤细小柔韧，对加速度的影响的要求增加了传感头结构设计的难度。 方向性： 光纤水声传感器的方向性最理想的情况是各个方向的灵敏度响应一致。但由于实际光 纤水声传感头设计和制作的缺陷，往往对不同的方向有不同的灵敏度，显示出一定的方向 指向性。这也是在传感头设计中希望解决的一个问题。 自从8 0 年代以来，伴随着光纤通信技术带动的集成光学器件以及光纤激光器、光纤放 大器技术的高速发展，光纤水声传感器在传感结构、传感机理、检测手段、复用技术等各 方面都得到了迅速发展和完善，已有多种高性能光纤水听器系统问世，典型系统性能可达 到本底噪声低于海况零( s s 0 ) 3 0 d b ，动态范围超过1 2 0 d b ，并且从1 0 h z 到l o k h z 均有平 坦的频响，这样的指标是传统水听器无法比拟的【”1 。 光纤水声传感器种类众多。从传感机理来看，可以分为强度型和干涉型两类。 1 2 1 强度型光纤水声传感器 强度型光纤水声传感器是利用声波调制光纤中的光波强度来实现声传感的，其结构与 第章光纤水声传感器技术的发展和现状 检测相对简单，不存在干涉掣光纤水声传感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，但检测灵敏度不及干涉型光纤水卢传感器，也不利f 组成阵列结构， 有较大的限制性，是早期光纤水声传感技术研究的主要内容。 强度型光纤水声传感器的实现方案有好几种，包括偏振态型、传输模式型、微弯损耗 型、移动光栅型、反射系数型和半导体光纤水声传感器2 】。 随着干涉型光纤水声传感器研究的兴起，光纤水声传感器的研究热点已从强度型转向 为干涉型。本文的主要研究也是针对干涉型光纤水声传感器进行的，因此对强度型光纤水 声传感器不做详细讨论。 1 2 2 干涉型光纤水声传感器 干涉型光纤水声传感器是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的”“1 ”j 。 由于光纤是石英材料拉制出来的细棒声场直接作用到光纤上引起光纤中光波的相位 变化包括三个方面的影响：光传播常数口随光纤芯半径的变化，由f 石英材料分子的离子 极化和间距变化引起的光弹效应或者折射率效应以及由泊松比引起的长度效应。其中折射 率的变化主要包括轴向光弹效应和径向光弹效应导致的相位变化。光纤轴向长度变化的声 压灵敏度随着光纤塑料护套的增厚而线性减小，光纤折射率变化导致的相位变化与光纤塑 料护套的厚度关系不大，因此采用裸光纤可以提高光纤的声灵敏度。 进行光纤水声传感的另一种方式是制作光纤传感头，即将声波作用于更易引起变形的 结构上，使附在该结构上的光纤得到尽可能大的相位变化。这些结构的材料包括p z t 和聚 氯乙烯，二甲基丙烯酸甲脂等或很薄的空，心金属盒 3 i “3 3 】。传感头的制作可以是光纤的传感 灵敏度得到提高，改善光纤水声传感器的传感特性。 能实现干涉型光纤水声传感器的光纤干涉仪结构包括以下四种：m i c h e l s o n 光纤干涉 仪，m a t h - z e h n d e r 光纤干涉仪，f a b r y - p e r o t 光纤干涉仪和单根光纤干涉仪o l ，如图1 1 所示。 4 传感臂 吐：粥匾叶衩衄必； 参考臂 一 ( a ) 传感臂 检测器 镜面 塑婆盔堂堂堡竖主堡苎 一 一e 声 检测器 部分透光反射镜 部分透光反射镜 ( c l 、 r c 2 、 圆避； ( d ) 图11 干涉型光纤水声传感器的结构示意图 a ) m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪( b ) m i c h e l s o n 光纤十涉仪 ( c i ) ，( c 2 ) f a b r y p c r o t 光纤干涉仪( d ) 单根光纤干涉仪 在图1 1 所示的m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪结构中，从激光器出射的光经过第一只光纤 耦合器分为两束光分别经过光纤干涉仪的传感臂和参考臂传感臂光纤的光相位受到所测 物理量的调制，而参考臂光纤中的光相位不受所测物理量的影响t 两束光经过第只光纤 耦合器后进行干涉，即可测出所感应的物理量。一般两只光纤耦合器的分光比为1 ：i 。在 图1 1 所示的m i c h e l s o n 光纤干涉仪结构中，从激光器出射的光经过光纤耦合器分成两路， 分别进入出射端面镀有反射镜面的传感臂和参考臂光纤，两束光经过端面反射后仍同到光 纤耦合器中合成干涉，在光纤耦合器的另一端检测传感信号。在图1 1 所示的f a b r y - p e r o t 光纤干涉仪包括c 1 和c 2 两种结构。在结构c 1 中采用了一个y 形光纤耦合器，激光器出射 的光通过光纤耦合器进入带有两个反射镜面的段传感光纤中，其中个反射镜面在光纤 内。另一个反射镜面在光纤出射端光纤中的光大部分被这两个镜面来同反射，每次反射 都只有一部分透射出光纤内反射镜面由y 型耦合器输出形成多路干涉。结构c 2 原理与结 构c 1 相同。但用了两个光纤内反射镜面，省略了光纤耦合器，在光纤的出射端检测多路反 射出来的干涉光。图1 1 中的单根光纤干涉仪有两种实现的方式，一种是采用单模光纤， 光纤中传输的光与其菲涅尔反射两次后出射的光进行相干，由于这两束光所经过的受到调 制的光程不同，干涉后产生了受声场调制的干涉信号；另一种方式是选择具有合适的传输 模式的多模光纤，声场作用于不同模式产生不同的相位变化，使模式之间的干涉受到卢场 的调制，通过光的输出强度分布图案检测声场。单根光纤干涉仪可以消除前三种干涉仪中 普遍存在的干涉信号的相位随机漂移，也省却了光纤耦合器等复杂结构，但其检测灵敏度、 检测效果都不及前三种形式的干涉仪结构，因此较少采用。 光纤干涉仪具有很多突出的优越性，但除了单根光纤干涉仪外，各种光纤干涉仪也存 在着一些共同的问题。首先，由于多模光纤同时有几个或多个模式在传输，每根光纤中的 不同的模与模之间也会有干涉，将引起干涉仪干涉信号的混淆，因此光纤干涉仪中应采川 单模光纤。其次，由于光纤纤芯极细，外界的温度、压力和振动的轻微波动都会使光纤中 所传输光的相位受到环境因素的调制作用，表现为光相位的迅速随机飘移导致的光纤干涉 仪的输出不稳定，给信号检测带来了困难。此外，普通低双折射率光纤的不完善性和外界 因素也使光纤中光的偏振态沿光的传播方向不断变化，影响了光纤干涉仪检测信号的可见 度。 第一章光纤水声传感器技术的发展和现状 从以上结构可以看出，m i e h e l s o n 和f a b r y - p e r o t 光纤干涉仪结构中都有部分光返回到 激光器中，这将影响激光器的工作稳定性。因而特别是在使用半导体激光器光源时，应当 加光隔离器。因此采用m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪结构类型可以降低成本。但由于m i c h e l s o n 光纤干涉仪的光程是m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪的两倍，其水声灵敏度也比m a t h z e h n d e r 光纤干涉仪高一倍。f a b r y p e r o t 光纤干涉仪有可能达到很高的灵敏度，但它要求激光器有 很长的相干长度，这一要求对h e n e 激光器较易实现，对于半导体激光器则很难达到。即 使半导体激光器的相干长度足够，由于半导体激光器的相位噪声随光程差而增大干涉后 的检测效果也难以保证。因此光纤水声传感器中最为常用的是m a c h - z e h n d e r 光纤干涉仪结 构。 干涉型光纤水声传感器的信号检测技术是光纤传感器技术研究的重点问题之- - i “i ，为 了消除双路光纤干涉仪中存在的光波相位受环境影响产生的随机漂移，最初是把光纤干涉 仪放在实验室光学平台的真空室内，相位跟踪零差检测技术的出现使光纤干涉仪能够走出 实验室的限制，而外差检测和p g c 等检测方式的出现才使光纤水声传感器的检测既能够 达到所需的灵敏度又能够实现遥测并适于组阵。干涉型光纤水声传感器的检测解调方式士 要有有源零差式、零差相位载波( p g c ) 式、外差式、3 3 耦合器被动检测等检测方式1 3 4 3 7 i 。 其中光纤水声传感器零差检测技术灵敏度最高旧，在声信号频率工 4 0 0 h z 时灵敏度优 于1 0 _ 6 阳d 、厂瓦，并有较盘f 的线性度和较低的谐波失真，不足之处是需要有源的相调器 和复位系统，不利于光纤水声传感器的遥测应用和多路复用，并在复位时引入附加的瞬时 噪声。p g c 检测适合于复用系统和被动检测田i 在光程差为零时，其灵敏度接近1 零筹n 式，在正 2 k h z m y o l o - 6 f 耐、厂瓦，实用性较强。 1 3 光纤传感器多路复用技术 光纤传感器复用系统可_ 【f j 于许多实际传感测量场合f j ”，例如用于监控生产制造，化学 反应和电力发电过程中的不同物理量，以及一些地质勘探等需要多个单元传感器检测的场 合。全光纤传感器复用系统优于普通的电子复用，数据收集网络，一是由于光纤的宽带传输 特性，使复用系统可能支持数量众多的传感单元，实现更高的复用度；二是因为网络无源 工作，不含电有源器件，保留了光纤抗电磁干扰的特性。光纤传感器复用系统增加了光纤 传输使用效率，使用更少的光源和检测系统，减低了成本，增强了光纤传感技术的竞争优 势，并能实现全光纤水声传感信号遥测和方向性探测。因此光纤水声传感器的复用技术是 近几年来该领域研究与发展的主要方向之一1 8 l _ 。 一般的光纤传感器复用系统包括一个光源，一根输入光纤和一根输出光纤以及若干跨 接在两根传输光纤之间的传感单元( 传感阵列头) 和一个接收检测处理器。 在具体传感应用时，光源和接受器及相关的电子系统都放在远离阵列头的控制台里。 传感头是电无源，放在检测现场。一个理想的复用系统总是可以通过输入和输出光纤进行 寻址。每个传感器都以传感到的物理量或物理场的信息来编码光波信号，再由输出通道传 至接受器中进行解调和附加处理。实际上为了寻址可能不止根输入光纤和一根输出光纤。 用于光纤传感器复用系统的寻址方式多种多样，主要有时分复用( t d m ) ，频分复用 ( f d m ) ，波分复用( w d m ) ，相干复用和偏振复用等h 1 “l 。每一种复用方式的复用原理 6 塑坚奎堂堂焦堡主丝苎 一一一一一 是不同的，但各种复用方式都需要在检测时对各单元传感器信号解复用，并且都会在解复 用后在各单元之间引入一定的信号互串扰。 1 3 1 时分复用技术 光纤水听器多路复用可以通过不同的体系结构来实现，各国的研究人员根据各自的技 术优势分别发展了多种多路复用技术。其中最早被采用的是时分多路复用( t d m ) 技术 【- “z u ，它的工作原理是根据光脉冲经由阵列中各个节点处的单元光纤水听器返 r j f b j ，会冈 光程差而存在时间上的差异，当向阵列注入间隔相同，光波频率略有差异的相干激光脉冲 对，从每个节点处返回的光脉冲回波相位与前一个节点处的光脉冲回波相位之差携带r 此 节点处单元光纤水听器所探测到的有关信息，而发射这两个脉冲之间的间隔由于光程差造 成的时间延迟相等，会同时到达光电探测器端，由于两脉冲是相干的，会在光电探测器端 发生干涉，利用干涉信号变化可获得有关的水声信息。同时，利用返回时间可确定信号源 的位置，当向阵列中注入间隔时间大于单个脉冲从光程最远处返同所需时间的连续光脉冲 时，通过高速数字电子技术可将经同一光电探测器检测出的来自不同单元水听器的信号较 好的分开，完成多路复i i 信号的解复_ e j 。 采用时分多路复片j 技术光纤水听器阵列从结构上大体可分为两类，一类为反射掣结构 另一类为透射型结构。它们的结构示意图分别如图1 2 和图1 3 所示。 圈i2反射型时分复用结构的光纤水听器阵列小意图 图13 透射型时分复用结构的光纤水听器的阵列示意图 反射型结构的光纤水听器只需一根光纤作为光脉冲信号的发射与接受总线，但每个节 点的单元水听器需后置一反射装置，使携带有该节点处水声信息的光脉冲信号沿原路返列。 透射型结构的光纤水听器阵列有两条总线，一条为信号发射总线，另一条为信号接受总线， 从而不需反射装置。阵列中各节点之间的光纤还起延时的作用，使得从各节点返回的光脉 冲不会在时域发生重叠，保证信号处理所需的时延。 时分复用结构的光纤水听器阵列的信号处理一般利用光学外差法，每次向阵列中注入 一个频率略有差异的光脉冲对，频差通常有布喇格光栅移频产生，利用光学开关对较长相 干长度的激光进行斩波或附加的延时光路对单个光脉冲复制得到相干的脉冲对，使得脉冲 对之间的时间间隔能保证从每个节点处返回的第一个脉冲与前一个节点出返回的第二个脉 冲同时到达探测器，实现外差检测。另外也可以利用零差法实现时分复用系统的信号处理。 时分复用结构的最大复用能力，及阵列中摄多可容纳的节点数主要受光功率和信号采 样率的限制，目前复用单元数最多的是英国的国防研究局1 9 9 2 年报道的1 6 单元平面阵列 ，更大的复用能力有望通过时分复用和波分复用技术相结合来实现。 1 3 2 频分多路复用技术 光纤水听器的频分多路复用( f d m ) 技术一般是指相位产生载波( p g c ) 的频分复用 l i p 静j 载波频分复用1 2 2 “1 ，其基本原理是将由水声信号引起的各单元光纤水听器光学干涉信 号的相位变化分别用不同频率的载波进行调制，每个载波频率对应一个节点处的单元光纤 水听器，相邻载波频率之间的频差大于水声信号的频带上限的二倍，阵列中各节点信号被 同一光电探测器检测后，利用一系列中心频率与各载波频率相对应的滤波器将其分开，而 后可采用多种信号处理技术将调制到载波上的干涉信号解调出来，实现解复用的目的。 相位产生载波技术的特点是水声信号与高频载波信号共同对干涉信号的相位进行调 制。从理论上已证明，每个节点处水听器探测到的水声信号在频域上被移到以载波频率为 中心的两侧边频位置。因相邻载波频率间隔大于水声信号的频带上限的_ 二倍，因此不会发 生信号的串扰。一个典型的9 单元频分多路复用结构的水听器阵列如图1 4 所示。 i 制频率为 必源 一 i 制频率为 一l ) ，l d 光源 莒- il 。 图i4 频分多路复用光纤水听器阵列结构示意图 在一个m x n 的频分复用式光纤水听器阵列中，共有m 个l d 光源和n 个光电探测 器，实现对m x n 个单元光纤水听器的复用。每个l d 光源的驱动电流被不同频率的高频 载波信号调制，由于l d 中f p 谐振腔的长度会受到载波调制电流的温度效应影响而发生 改变，从而影响l d 光源输出激光的光波波长，使之发生与调制频率相同的振动，利用阵 列中不等臂长的干涉仪结构单元光纤水听器，将调制l d 光源驱动电流引起的发光波长的 变化转换成为光学干涉信号相位的变化，实现对相位的调制。每个光源驱动n 个单元光纤 水听器，而每个探测器同时对来自m 个水听器的信号进行检测。每个探测器的输出信号用 m 个带通滤波器并联进行滤波，带通滤波器的中心频率分别对应某一高频载波的频率，通 带带宽为各载波频率之间的频差。相位被载波调制的水声信号可利用被动零差法、主动零 差法、以及合成外差法等解调出来。 采用相位产生载波的频分复用技术的光纤水听器阵列规模受制于l d 光源注入阵列中 的光功率，部分受制于带透滤波器的带宽。美国海军研究实验室在其对外展示的光纤水听 器阵列中大多采用的是相位产生载波的频分复用方案，其中包括4 9 节点的平面阵列和拖曳 阵列，以及1 6 节点的海底竖直声监控阵列【2 3 1 。 8 浙江大学学位博士论文 1 3 3 相干多路复用技术 光纤水听器的相十多路复_ l h 采用的是远端光程匹配技术来实现的 2 5 - 2 $ 】。这种技术的特 点是阵列中的单元光纤水听器均采用不等臂长的干涉仪结构，而且各干涉仪的臂长差均1 i 相同，并要求光源发：n 光的相t 长度小r 各干涉仪最小臂长差，使其均不能满足相干条制： 阵列信号的接受端串联一叮变臂蚝的匹配干涉仪，臂长的调整范围能涵盖阵列所有十涉仪 的臂长差。通过调整匹配干涉仪的可调臂长度，分别对阵列中的每个干涉仪进行光稃匹配， 使得在某一时刻阵列 只有个t 涉仪与匹配f 涉仪串联满足相干条们。典型的相1 多路 复用结构见图l5 口”。 由小等臂长十涉仪构 nj 变臂k 的匹酣干涉仪 i5 相干多路复用光纤水听器阵列结构小意图 光程匹配的实现是指阵，j 中干涉仪的长= 光臂与匹配干涉仪的短光臂k 度之和等r 阵争l 中干涉仪的短光臂与姐削十涉仪的k 光臂长度之和。由丁阵列中各干涉仪的臂长均不相刚， 因此利片j 臂长等可以唯f j l 、定椠一= f 涉仪在阵列中所处的位置。当调整匹配干涉仪的u n 目 臂长度，与阵列中的某二f 涉仪实现光程匹配时光电探测器测得的干涉信号即为该t 涉 仪所在节点处光纤水明器感应的水声信号。调整匹配干涉仪利用扫描方式分别与阵列中的 每个干涉仪进行光程匹配，便叮测得