（通信与信息系统专业论文）光纤水听器基元特性及pgc检测方法研究.pdf

光纤水听器基元特性及p g c 检测方法研究 摘要 海洋中蕴含着丰富的资源 世界上许多国家尤其是几个主要强国都对海洋开发进 行了巨大的投入 中国作为世界上人口最多的国家在海洋开发方面起步晚 而且技术 比较落后 光纤水听器能够有效的拾取海洋中的声波信号 是海洋油气开发与海洋军 事应用必不可少的装置 在多种光纤水听器中 研究和应用最多的是干涉型光纤水听 器 它具有动态范围大 频带宽 灵敏度高等特点 相位生成载波调制解调技术是干 涉型光纤水听器应用最广泛的一种信号解调技术 因此 课题对干涉型光纤水听器基 元和基于相位生成载波调制解调技术的检测方法的研究具有重要意义 论文主要研究了带空气腔的芯轴式干涉型光纤水听器基元特性以及基于相位生成 载波调制解调技术的检测方法的改进方案 具体内容包括以下两方面 一方面 采用弹性力学理论研究了基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的带空气腔的芯轴 式光纤水听器基元特性 分析了基元的材料和几何尺寸对基元的相位灵敏度的影响 接着利用有限元法分析了水听器基元的相位灵敏度特性 谐振频率特性 频响特性和 基元空间指向性特性 另一方面 对基于相位生成载波调制解调技术的检测方法提出了改进方案 分析 了新方法中的解调结果和最低采样频率 对于新方案中出现的问题 提出了解决方法 在理论分析的基础上 利用m a t l a b 建立新方案的仿真模型 仿真并分析了门限值 的大小对解调结果的影响 系统解调输出的动态范围 系统解调输出的频率响应特性 和系统解调输出与输入的线性度特性 仿真结果验证了改进方法的正确性 关键字 基元特性 相位灵敏度 相位生成载波 采样频率 门限值 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r ea b u n d a n tr e s o u r c e si nt h eo c e a n m a n yc o u n t r i e s e s p e c i a l l ym a j o rp o w e r s h a v em a d eah u g ei n v e s t m e n to nt h eo c e a n a st h ew o r l d sm o s tp o p u l o u sc o i l r l t i y c h i n a s t a r t e dl a t ei nt h em a r i n ed e v e l o p m e n ta n di t st e c h n o l o g yw a sr e l a t i v e l yb a c k w a r d f i b e r o p t i ch y d r o p h o n ec a l le f f e c t i v e l yp i c ku pa c o u s t i cs i g n a l so ft h eo c e a na n d i ti s e s s e n t i a lf o rm a r i n eo i l g a sd e v e l o p m e n ta n dm a r i n em i l i t a r ya p p l i c a t i o n s i nav a r i e t yo f f i b e r o p t i ch y d r o p h o n e p h a s ei n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i ch y d r o p h o n e 晰mt h e m o s t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nh a sal a r g ed y n a m i cr a n g e f r e q u e n c yb a n d w i d t h s e n s i t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c s p h a s eg e n e r a t e dc a r r i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya sas i g n a l d e m o d u l a t i o nm e t h o di sw i d e l yu s e df o rt h ei n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i ch y d r o p h o n e t h e r e f o r e t h es t u d i e so nt h ei n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i ch y d r o p h o n ee l e m e n ta n dt h e d e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ep h a s eg e n e r a t e dc a r r i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g yi nt h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tm e a n i n g i n t e r f e r o m e t r i cf i b e r o p t i ch y d r o p h o n ee l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p r o v e dm e t h o d b a s e do np h a s eg e n e r a t e dc a r d e rw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r i n c l u d e st h ef o l l o w i n gt w o a s p e c t s o nt h eo n eh a n d t h ee l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm a n d r e lh y d r o p h o n eb a s e do n m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rs t r u c t u r ea n dw i t ht h ea i rc a v i t yw a ss t u d i e du s i n gt h et h e o r yo f e l a s t i c i t y t h ei m p a c to fe l e m e n tm a t e r i a l sa n dg e o m e t r yo nt h es e n s i t i v i t yo f t h ep h a s es h i f t w a sa n a l y z e d t h e n t h es e n s h i v i t y r e s o n a n tf r e q u e n c y f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dd i r e c f i v i t y c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i b e r o p t i ch y d r o p h o n ee l e m e n tw a sa n a l y z e du s i n gt h ef i n i t ed e m e n t m e t h o di n t h ep a p e r o nt h eo t h e rh a n d a l li m p r o v e dm e t h o db a s e do np h a s eg e n e r a t e dc a r r i e rm o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e d t h er e s u l to ft h ei m p r o v e dp g c d e m o d u l a t i o nm e t h o da n dt h em i n i m u ms a m p l i n gf r e q u e n c yw e r ea n a l y z e d a n dt h e p r o b l e m si nt h en e wp r o g r a mw a sb e t t e rs o l v e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo fi m p r o v e dp g c m e t h o dw a se s t a b l i s h e du s i n gm a t l a bb a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h ei m p a c to f t h r e s h o l ds i z eo nt h ed e m o d u l a t i o nr e s u l t s s y s t e md y n a m i cr a n g e s y s t e mf r e q u e n c y r e s p o n s ea n dl i n e a r i t yo ft h es y s t e mw e r es t u d i e db ys i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f y t h ec o r r e c t n e s so ft h ei m p r o v e dm e t h o d k e yw o r d s p r i m i t i v ec h a r a c t e r i s t i c s p h a s es e n s i t i 啊锣 p h a s eg e n e r a t e dc a r t i e r s a m p l i n g f r e q u e n c y t h r e s h o l d 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁了匕 1 1 光纤传感器概述 光纤传感器技术是2 0 世纪7 0 年代随着光导纤维和光通信技术发展起来的一种新 型传感技术 近3 0 年来 随着光纤传感技术的迅速发展 以光纤作为传输介质或直接 以光纤作为敏感元件的光纤传感器在工业生活中得到了广泛应用 光纤不仅可以作为 光纤通信系统中传输光信号的媒介 而且光纤中传输的光波的特性参量 如光强 相 位 频率等对外界环境中的温度 压力 电磁场等因素都能敏感 使得光纤传感技术 成为众多传感技术中的一个重要研究方向n 1 1 1 1 光纤传感器的原理及分类 光纤传感器由光源 传输光纤 传感探头 光电转换和信号处理等部分组成 光 源发出的光波经过传输光纤到达传感探头 受到外界环境中被测物理量的调制 然后 携带有调制信息的光波通过光电转换后变为电信号 最后经过解调便可以得到被测物 理量的信息 根据光纤是否参与传感 光纤传感器可分为两大类 非本征型和本征型 光纤只 作为介质传输光波 其它敏感元件作为传感探头的传感器为非本征型 而本征型光纤 传感器是利用光纤作为敏感元件 有时外界环境中的被测物理量直接对光纤内传输的 光波特征进行调制 有时则是通过某种换能器间接对光纤内传输的光波特征进行调制 按照光纤中被调制的光波的特征参量分 光纤传感器可分为强度调制型 相位调 制型 偏振态调制型 波长调制型和频率调制型n 1 强度调制型光纤传感器用光纤中 输出光强的变化来表示外界环境中的被测物理量 多采用多模光纤 强度调制型光纤 传感器结构简单 成本低 灵敏度有限 相位调制型光纤传感器用光纤中光波的相位 变化来表示外界环境中的被测物理量 一般从双光束或多光束干涉信号中解调出相位 信息 多采用单模光纤 相位调制型传感器结构多样化 灵敏度高 偏振态调制型光 纤传感器用光纤中传输光波的偏振态变化来表示外界环境中的被测物理量 该种光纤 传感器工作不够稳定 检测困难 波长调制型光纤传感器用光波波长的改变来表示外 界环境中的被测物理量 它多利用宽带光源 光纤光栅 f i b e rg r a t i n g 传感器是其典 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 型代表 波长调制型光纤传感器小巧 易复用 抗干扰能力强 频率调制型光纤传感 器用光波频率的改变来表示外界环境中被测物理量 主要是基于多普勒 d o p p l e r 效 应 克尔效应 受激拉曼散射 受激布里渊散射等口3 1 1 2 光纤传感器的特点 与传统的压电传感器相比 光纤传感器有很多独特的优点乜 3 1 1 尺寸小 质量轻 便于小型化设计 2 灵敏度和分辨率高 可用于微小形变的探测 3 无源性 抗电磁干扰能力强 可工作在强电磁场环境 4 可用于高温 腐蚀 易燃易爆等恶劣环境中 5 便于复用和组成传感网络等 光纤传感器应用领域非常广泛 很容易推广应用到多种物理量的测量 这使得光 纤传感器的研究成果在许多领域都有广泛的应用 目前光纤传感器已应用于很多领域 如航天 航海 电力传输 交通 机械 医学 生物等 具有非常广阔的应用前景h 吲 1 2 光纤水听器概述 水听器是水声传感器的简称 主要用于大面积水域中声信号的检测 它在国民经济 和国防军事等多个领域中都有重要应用哺3 如可用作地震波探测 石油勘探 海洋渔 业等旧1 同时它还是海军反潜声纳的核心部件 与传统水听器不同 光纤水听器具有很多优异功能 足够应付来自水下静音技术 不断提高的挑战 因此受到了各国海军的重视 此外光纤水听器在石油 天然气等资 源勘探中的应用前景也非常广阔 用光纤水听器采集地震波信号 通过信号处理可以 获得待测区域的资源分布信息 海洋勘测时 光纤水听器可以布放在海底 陆地勘测 时 光纤水听器可以吊放到勘测井中 光纤水听器还可以用在水声物理研究中 用来 研究海洋环境中的海洋噪声 混响 声传播特性等 光纤水听器还可以制作鱼探仪 用于海洋捕捞作业 由光纤水听器构成的水下声检测系统 可以用来记录海洋生物发 出的声音 进而研究海洋生物以及对海洋环境进行监测等 相位干涉型光纤水听器的检测灵敏度高 应用最广 本文主要针对相位干涉型光 纤水听器的一些技术进行研究 2 第一章绪论 1 2 1 干涉型光纤水听器的技术要求 干涉型光纤水听器对光源有很高的要求 激光器的光源应该具有稳定的频率和振 幅 同时还应有高度的单色性 频率不稳定将导致相位噪声 在比较低的频率 低于 0 1 h z 1 0 m h z 上相位噪声将会使背景噪声电平明显地增加 而且这种噪声与干涉 仪两臂的光程差有关 随光程差增加而增加 光源应具有高度的振幅稳定性 由于振 幅噪声信号与声致相位调制信号无法区分 在干涉仪的工作带宽内 微小的振幅噪声 都将导致相位漂移 只能采用限制振幅噪声的方法来消除干扰 在干涉仪工作带宽外 光强漂移将表现为干涉仪标度因数的变化 一般采取适当的滤波以减小其影响 光源 还应具有高度的单色性 以达到足够的相干长度 在干涉型光纤水听器的结构中 光纤水听器的探头将直接感受声场信号 因此探 头的结构将直接影响光纤水听器的性能 探头的结构应满足实际工作条件的要求 如 水深 工作频带内的频率响应 方向性等要求 目前光纤水听器探头的结构类型主要 有 芯轴型 平面型和椭球型等几大类 还应该采取措施阻止光信号向光源回馈 防 止回馈的光波对光源造成影响 引起光源频率的不稳定 使其无法正常工作 通常 光源与耦合器之间应增加隔离度不小于4 0 d b 的光隔离器 以隔离回馈光 干涉仪要发生干涉 两束光的偏振态方向应保持一致 但由于光在光纤中传输可 能会出现双折射现象 这样从光纤输出的光的偏振态将随机变化 这就影响了两束光 叠加时的干涉效果 使输出的信号呈随机消隐状态 导致偏振衰落 目前抗偏振衰落 的方法主要有以下几种 全保偏光路 偏振态调制 f a r a d a y 旋转镜法 偏振分集接收 输入偏振态控制和偏振切换等 在研制全光纤型光纤水听器的过程中 人们提出了一些新的检测方法 如全光纤 系统的无源相位载波技术 p g c 时域反射测量与外差技术相结合的检测新技术 脉 宽检测信号处理新技术等 目前 干涉型光纤水听器的检测技术仍然是研究中的关键 技术 1 2 2 光纤水听器的国内外研究动态 光纤水听器在战术上的巨大优点 使其受到了西方国家海军的高度重视 美 英 法 日 加 澳等西方国家已大力研究多年 正在走向应用阶段 并己部署生产装艇 设备 美国军方早将光纤水听器列入重点研究项目 7 0 年代末斯坦福大学和通用电器公 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 司在美国海军资助下开展了光纤水听器研究 经过几十年的研究和实验 调幅型光纤 水听器动态范围已达到1 6 0 d b 能检测到声信号引起的小于0 o l 埃的位移信号 此灵 敏度足以探测1 0 0 h z 1 0 k h z 的深海噪声 而干涉型的光纤水听器可检测到小于1 0 e 7 弧度的相移 最小可探测的声压已超过人耳的极限 1 0 m 长的光纤水听器测声灵敏度 比一般压电水听器高两个数量级 可以说光纤水听器的问世开创了水下测声的新局面 光纤水听器的实用化是构成光纤水听器阵列 随着光电器件的发展 美英等国已 经解决了光纤水听器成阵的主要技术问题 开始研制装艇设备 以美国为例 1 9 9 0 年 成功地完成4 8 元拖线阵实验 1 9 9 3 年成功地完成了5 6 元 每元为一面阵 舷侧阵实验 光纤水听器阵列研究涉及的技术范围很广 主要有多路复用技术 偏振态控制技术和 大功率线宽窄的光源等 多路复用的方法很多 光纤水听器阵列主要采用频分复用 时分复用和频分时分多路复用 由于频分多路复用具有对光源功率要求较小 要求的 耦合器较少 串扰小等优点 美国的4 8 元拖线阵实验和5 6 元 每元为一面阵 舷侧阵 实验皆是采用频分多路复用 偏振态控制技术国外研究了许多方法 目前最实用的方 法是采用三态偏振掩膜和法拉第旋转镜 美国的4 8 元拖线阵实验和5 6 元 每元为一面 阵 舷侧阵实验皆采用三态偏振掩膜来减小由于偏振态变化而带来的损失 由于光纤水听器与国防军事密切相关 国外对我国进行了严密的技术封锁 国内 对光纤水听器真正有计划的研究比国外晚了十多年 而且它涉及到的相关学科多 对 光电子工业基础有很高的要求 在这方面 目前我国与国外的差距比较大n 我国对光纤水听器技术的研究启动于九十年代初 研究主要集中在探头的设计以 及增敏技术 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 八五期间已研制出具有较好性能的光纤水听器 中船7 1 5 所还成功地进 行了四元光纤水听器阵列实验 就中船总系统而言光纤水听器技术指标接近实用 阵 列研究采用了国外先进的频分多路复用和p g c 解调技术 但在偏振态控制和降低光源 噪声等重要技术方面还要采取有效措施 并需要较大幅度增加阵列规模 完成技术先 进 单元性能稳定 有一定规模的光纤水听器阵列 九五期间电子2 3 所在上海吴淞口 1 0 3 航标附近水域进行了国内首次的全光纤干涉型水听器单元样机水下实验 实验历 时五天 其间被试样机连续工作体现了一定的水域适应能力 测到并记录了过往船只 产生的水声信号和附近水域军舰的声呐信号 2 0 0 2 年国防科大 中科院声学所等单位 在渤海进行了3 2 基元全光光纤水听器阵列试验 验证光纤水听器应用于海洋石油勘探 及水声物理研究的可行性n 2 1 引 就目前国内的科研成果而言 与国外相比还有很大的差距 只是通过近十几年极 4 第一章绪论 为有限的人力物力的投入对干涉型光纤水听器的传感机理及信号处理系统有了一定程 度的认识 但从总体水平来看 基本上仍处于原理性探索和实验室研制阶段 光纤水 听器及其阵列系统是光机电一体化的复杂系统 要想最终达到实用 还有许多技术难 关需要攻克 如光纤水听器各种调制机理的研究 光纤水听器探头力学结构的研究 光纤水听器信号处理方案的选取 光纤水听器组阵方式研究 光纤水听器抗恶劣环境 与抗信号随机衰落的研究 多路复用技术研究 特殊有源器件 无源器件的研究等等 都决定了投身于这一领域的科技工作者仍然要经历漫长的艰苦探索 1 3 论文工作的主要内容及意义 课题主要完成了以下几方面的工作 1 介绍了干涉型光纤传感器的基本原理 分析了基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的光 纤传感器中信号调制原理 推导了p g c 检测方法的数学模型 这些内容是本课题的理 论基础 2 采用弹性力学理论研究了基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的带空气腔的芯轴式光纤 水听器基元特性 求解了基元的相位灵敏度 分析了基元的相位灵敏度的影响因素 3 采用有限元法建立了水听器基元在声场作用下的模型 求解并分析了基元模型 的灵敏度特性 谐振频率特性 频率响应特性和基元空间指向性特性 4 提出了基于相位生成载波调制解调技术的检测方法的改进方案 阐述了新方法 中解调系统的结构原理 分析了新方法中的解调结果和最低采样频率 解决了改进方 案中出现的问题 在理论分析的基础上 采用m a t l a b 搭建新方案的仿真模型 分 别仿真并分析了门限值 的大小对解调结果的影响 系统解调输出的动态范围 系统 解调输出的频率响应特性和系统解调输出与输入的线性度特性 仿真结果验证了改进 方法的正确性 本文中研究了基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的带空气腔的芯轴式光纤水昕器基元特 性 提出了基于p g c 检测方法的改进方案 这些内容对光纤水听器的结构设计和信号 解调具有重要的理论指导意义 哈尔滨 t 程大学硕十学位论文 第二章干涉型光纤传感器原理 2 1 光纤相位调制原理 置于被测环境中的敏感光纤由于受到外界物理量的调制 光纤中的光相位发生变 化 通常有应力应变效应和温度效应 光纤中传输的光的相位变化取决于光纤的长度 折射率及其分布和光纤的横向几何尺寸 假设光纤中传输的光是单色光 光纤折射率 分布随外界环境变化保持恒定 下面分析由长度 折射率和波导尺寸的变化引起的相 位变化 光通过长度为l 的光纤后 出射光波的相位延迟为口1 2 万三 凡 k o l 2 1 式中k o 为光在真空中的传播常数 九为光在真空中的波长 刀为光纤纤芯的折射率 可 以看出 光纤相位变化的来源有三部分 光纤长度的变化 纤芯折射率的变化 光纤 导光频率或波长的变化 前两个主要是由光纤的物理变化引起的 与光纤的应变效应 和弹光效应有关 后一个来源与前两个相比很小 可忽略不计 因此光纤中光相位的 变化可以表示为 k o n l t 正 三 血 刀 k o n a l k o a n l l 2 2 如果光纤不经过增敏处理 光纤的长度相对变化量与光纤的折射率的相对变化量 对光纤中光波相位的影响程度相当 且符号相反 就使得光纤中总的相位变化非常小 但传感光纤经过增敏处理以后 如将光纤与某种敏感材料组成一个传感探头时 光纤 上的应变情况就不同了 这时候光纤轴向的应变被增强了几个数量级 但是径向上的 应变则很小 结果是光纤折射率的相对变化量要远远小于光纤长度的相对变化量n 6 l 亦即光纤中的光相位的变化主要取决于光纤长度的改变 若只考虑光纤受轴向应变的情况 假设纵向 z 向 受到的应变大小为占 则总 的应变矢量s 表示为n 1 5 一股 占 i 一心i l 乞j 2 3 其中 是光纤材料的泊松比 为横向应变与纵向应变的比值 公式中的负号表示横向应 变和纵向应变方向相反 纵向拉伸时 径向将压缩 根据弹光效应 光纤材料在应变 6 场作用下折射率将产生变化 大小为 a 砉 t2 善助乃 q 4 其中所是光纤的弹光张量的系数 由于没有切应变 s 4 岛 气 0 只计算f j 1 2 3 的情况即可 因为光纤材料是均匀各向同性介质 它的弹光张量可以表示成如下的形 式 la 1局2p 1 2l 岛 lp 1 2 a lp 1 2 i 2 5 p t 2p 1 2p l l j 其中的f 值1 2 3 分别表示x y z 三个方向 哮 训 p i 2 a 1 p n k 2 6 从而得出传感光纤中某一点径向折射率的变化于该位置光纤受到的轴向应力之间的关 系 a n 1 2 1 3 专k y 嘿乞 2 7 豌 去1 2 瞻2 u p l l p t 2 2 8 其中p c 为弹光系数 光纤相对折射率的变化导致的相位变化为 a o 三血 k o l 一 破乞 2 9 光纤相对长度的变化导致的相位变化为 a o 上 k o n a l k o n s l 2 1 0 则光纤中总的相位变化为 a o a o a o 工 k o n s l 1 一致 2 1 1 此外 光纤的温度效应也可以对光纤中光波的相位产生调制 温度效应对相位的 调制主要考虑对a n 和址的作用 如下式表示 a o a t t o z a n 丁 刀址 丁 2 1 2 温度效应引起的相位变化主要跟光纤干涉仪所处的外界环境对系统的影响有关 通常 温度效应导致的相位变化比较缓慢 可以在解调中采用信号处理的方法加以解决 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 i 2 2 光纤干涉仪的基本原理 干涉型光纤传感器系统中 敏感光纤完成相位调制 干涉仪则完成相位到光强的 转换任务啪1 光纤干涉仪的基本原理是 光源发出的光被耦合器分成两束或多束 沿 不同的路径传播 再通过耦合器汇合后到达同一探测器 假设两束光的光强分别为 和 厶 当它们经过不同的路径后产生相位差时 两束光在干涉仪中就会产生干涉 干涉 场中各点的光强可用下式表示n 7 侧 i 厶 2 1 1 t 1 2c o s c 2 1 3 式中织表示待测信号引起的相位变化 甄表示外界环境产生的相位差和初始相位差之 和 由公式 2 1 3 可以发现 信号引起的相位变化织的改变将导致干涉光强发生变 化 反过来 若能检测到干涉仪中光强的变化 就能确定两束光的相位差 从而得到 待测物理量的大小 2 3m i e h ei 0 1 3 光纤干涉仪的结构与原理 m i c h e l s o n 光纤干涉仪结构如图2 1 所示 由光源 光电检测器 m i c h e l s o n 干涉 仪 光隔离器 2 2 光纤耦合器 反射镜以及信号臂和参考臂 晗 构成 通过测量干 涉仪两臂中的光波的相位差就可以获得需要的相位信息 m i c h e l s o n 干涉仪是一种反射 式干涉结构 光波分别两次通过光纤信号臂和参考臂 图中隔离器用来隔离反射光 降低反射光对光源的影响 光源经过隔离器后 被2 x 2 光纤耦合器分成光强相等 频 率相同的两束光分别射入到光纤信号臂和参考臂中 m i c h e l s o n 光纤干涉仪的信号臂会 受到外界被测物理量的调制 参考臂则不受外界的影响 因此两臂之间将产生一个被 外界物理量调制的相位差 光波被干涉仪两臂端的反射镜反射 经过光纤耦合器发生 干涉 光电检测器把干涉信号转变成电信号输出 然后经过信号处理解调出其中包含 的相位信息 便能够获得外界被测物理量瞳羽 倍号臀 h l 反射镜 1 叫 图2 1m i c h e l s o n 光纤干涉仪结构和原理参考图 8 骥 第二章干涉型光纤传感器原理 2 4m ic h eis o n 光纤干涉仪中信号的调制 假设m i c h e l s o n 干涉仪两臂的相位差为o t 则光纤干涉仪输出端的干涉光强为 2 3 j 一 b e o s o t 2 1 4 式中4 是与干涉仪输入光强 偏振器和耦合器插入损耗有关的直流项 刀与光纤干涉 仪输入光强 光纤耦合器的分光比和干涉仪的消光比等有关 b 枷 七 1 为干涉条 纹可见度犯4 j 相位差m t 由三部分组成 调制光源产生的相位差 信号引起的相位差以及外界 环境漂移引起的相位差和初始相位之和 可以写成 o 矽o 织 f f 2 1 5 其中 o 表示调制光源产生的相位差 织 表示信号作用产生的相位差 f 表示外 界环境影响产生的相位差 初始相位差以及其它因素产生的相位差之和 光频调制p g c 解调系统中 m i c h e l s o n 干涉仪两臂的光纤长度不相等 当光源频 率被调制时 光源频率将发生变化 从干涉仪两臂中输出的两束光波就会存在相位差 且相位差是输入光频率v 的函数 假设干涉仪两臂光程差为 则相位差可以表示为 矽 2 r 2 n l 拳v c 其中刀是光纤纤芯折射率 c 是光速 如果用江 oe o s c o d 的电流信号调制光源的频率 则光源的瞬时频率为 v 1 o a v c o s m c t 式中加表示光频变化最大量 则相位被调制 4 7 r n l 毫a v c o s 吐f c 假设 c 4 z r n l 宰血 c 令 唬 由以上各式可得 i a b c o s c e o s m c t 织 o 吮 把初始相位死并入 假设矿 识 c p o t 得到 9 2 1 7 2 1 8 2 1 9 2 2 0 2 2 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 a b e o s c e o s c o j 缈 2 2 2 不难发现 通过调制光源的频率 在干涉仪中实现了相位载波 而且该相位载波 使干涉仪工作的初相位以确定的方式在一个较大的范围内变化 当选择合适的参数c 就可以让干涉仪对信号识 的平均响应达到一个稳定的值 从而就可以消除初相位 f 变化导致的信号衰落的影响 2 5p g c 检测方案的数学模型 p g c 检测方案的目的为了解调出待测信号 下面根据检测方案框图来进行p g c 解调方法的推导 2 3 图2 2p g c 检测方案框图 由图2 2 知道 将幅度分别为g 日角频率为 和2 的信号与干涉仪的输出信 号混频 得到的结果分别为 g a c o s c o o g m o c c o s c o o t c o s 9 t b gc o s c p t 一1 j 2 t c c o s 2 k 1 c o o t e o s 2 k 1 c o o t k l b gs i n c p t 一1 j 2 川 c c o s 2 k 2 c 0 0 t c o s2 k c o o t h ac o s 2 c o o f h b j o c c o s2 c o o t c o s9 t 船c o s 一1 2 j 2 女 c c o s 2 k 1 c o o t c o s 2 k 1 c o o t 七暑l b hs i nc p t 一1 j 2 川 c c o s 2 k 3 c o o t c o s 2 k 1 c o 幻 分别通过低通滤波器l p f l 和l p f 2 后 得到 1 0 2 2 3 2 2 4 第二章干涉犁光纤传感器原理 一b g j l c s i n q t 2 2 5 一b h j 2 c c o s 伊 t 2 2 6 采用微分交叉相乘技术 低通滤波器l p f l 和l p f 2 输出的信号分别通过微分电路 得 到 交叉相乘后输出分别为 一b g j l c 缈o c o s 伊o b h j 2 c 孽o t s i nq o t 一b 2 g h j l c j 2 c q t s i n 2 缈 f b 2 g h j l c 2 c c p t c o s 2c p t 两路信号经差分放大器 可得 b 2 g h j l c j 2 c 伊 f 再经积分运算放大器后输出 b 2 g h j i c j 2 c q o t 2 2 7 2 2 8 2 2 9 2 3 0 2 3 1 2 3 2 式 2 3 2 包含了待测信号的信息和外环境所造成的低频相位漂移噪声 通过高通滤 波器滤去噪声项 就得到了待测信号 为了减小输出结果对参数c 的依赖 选择载波 信号的幅度 使以 c j 2 c 出现最大峰值 这样当c 稍有变化系统输出结果变化不大 此时有c 2 3 7 r a d 经过一系列的信号处理待测信号被解调出来 只是其幅值变化了 一个系数 2 6本章小结 本章介绍了光纤相位调制和光纤干涉仪的基元原理 分析了m i c h e l s o n 结构的光 纤干涉仪结构原理和m i c h e l s o n 结构的光纤干涉仪中相位调制机理 推导了相位生成 载波调制解调技术的数学模型 哈尔滨 j 程大学硕士学位论文 第三章干涉型光纤水听器基元特性研究 3 1 声场作用下的干涉型光纤水听器基元研究 本文研究的光纤水听器基元是基于m i c h e l s o n 干涉型结构 图3 1 为其结构原理图 图3 1 基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的光纤水听器结构图 图3 1 是带空气腔芯轴式光纤水听器结构原理图 其中位于基元中心处的是芯轴 光纤缠绕在芯轴上作为参考臂 芯轴的外层是空气腔 这样参考臂上的光纤就不受外 界声场的影响 空气腔的外层是弹性筒 光纤缠绕在弹性筒上作为传感臂 感受外界 声场的作用 基元结构如下图所示 参考臂传感臂 图3 2 水听器基元机构图 下文采用弹性力学理论对该水听器基元的声压灵敏度进行理论推导 为了便于分 析问题 我们对图3 2 的水听器基元结构作简化处理 简化后的基元结构如图3 3 所示 第三章干涉型光纤水听器基元特性研究 卜i 一h 叫 图3 3 简化的光纤水听器基元图 图中我们忽略芯轴和弹性筒两端的骨架厚度 芯轴与弹性筒具有相同的长度h 光纤干涉仪的信号臂与参考臂分别有间距均匀紧密的单层光纤缠绕在上面 光纤的长 度为l 忽略光纤的直径对基元尺寸的影响乜7 i 假设芯轴的半径为r 弹性筒的内外 半径为a 和b 因为芯轴的杨氏模量很大 故可忽略光纤缠绕时光纤与芯轴之间的相 互作用 基元被放在自由声场中时 由于声源距离基元很远 当基元的尺寸和声信号的波 长相比非常小的时候 可以近似认为声场均匀的作用于基元的外壁 把声场近似看成 静压力 大小为p 作用方向为径向 相比较而言 声场对基元两个端面的作用所引起 的形变远远小于径向压力的作用导致的形变心7 1 所以 理论推导时忽略声场对两个端 面的作用 得到如图3 4 所示的分析模型 图3 4 a 水听器基元侧面声场作用图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 4 b 声场作用下水听器基元端面俯视图 图3 4 水听器基元声场作用图 3 2 光纤水听器的声压灵敏度 与传统的压电水听器不同 光纤水听器的声压灵敏度主要采用相位灵敏度来表示 即由声场引起的光纤水听器的干涉仪两臂的相位差a c p 与声场中引入水听器前存在于 水听器中心位置处的自由声压的比值来确定乜8 单位为弧度 帕 r a d p a m 鲤 p 3 1 其实在声学工程中 更习惯于用相位灵敏度级m 来表示光纤水听器的相位灵敏度 定 义为 光纤水听器的相位灵敏度与其基准值的比值 以1 0 为底的对数再乘以2 0 瞳引 单位为分贝 d b m 2 0 1 9 m p m 3 2 其中m l r a d k t p a 是基准值晗引 通常我们提到的光纤水听器的相位灵敏度均指相位 灵敏度级 下面讨论弹性筒在声场作用下的形变引起光纤长度的变化从而导致光纤中光波的 相位变化渤1 具体分析如下 由弹性力学理论 极坐标下的应力函数为缈 假设应力函数妒只是半径r 的函数 即有p 9 r 由水听器基元的轴对称性知 应力分量为 1 4 第三章干涉型光纤水听器基元特性研究 1d f a q2 一 厂a r d 2 矽 2 萨 0 3 3 式中q 为径向正应力 为切向正应力 为剪应力 相容方程为 v 4 吲妥d r 弓鸟d r2 删 3 4 公式 3 4 是一个四阶常微分方程 用逆解法求解 它的通解为 矽 a l n r b r 2l n r c r 2 d 3 5 其中a b c d 为待定常数 将公式 3 5 代入公式 3 3 得到应力分量表达式 为 q 等 即 2 l n 2 c 一7 a b 3 2 l i l 2 c 3 6 0 其中常数a b c 由边界条件确定 由于正应力分量只是r 的函数 不随0 而变化 而且剪应力分量又不存在 所以应力状态是对称于通过芯轴中心的任一平面的 因此 应力为轴对称应力 对于平面应力情况 弹性力学中极坐标系下的物理方程和哥西方 程分别为 去 q 一 岛 吉 一 q 3 7 吉 塑 g 二 岛 争t 鲁rro 珏 挈o r 三r 等一等 廿r 3 8 哈尔滨 r 程大学硕十学位论文 其中 为径向正应变 岛为切向正应变 为剪应变 为径向位移 为切向位 移 e 和 分别为弹性筒的杨氏模量和泊松比 g 为剪切弹性模量 把公式 3 6 代 入公式 3 7 不难发现正应变分量也都只是r 的函数 不随p 而变化 而且剪应变也 不存在 可见形变也是轴对称的 由公式 3 6 3 7 和 3 8 得 蚱 i 1 卜 1 兰r 2 1 一 所 1 n 一1 1 3 1 0 b r 3 9 也k j y 2 1 c r i c o s 0 k s i n o 4 b r o 一 月 一 s i n o k c s 9 3 1 0 其中a b c d h i k 由应力和位移边界条件确定 由轴对称问题知 u e 0 则b h i k 0 则 材 i 1 一 1 丝 2 1 一 d 3 1 1 根据基元本身的特点和上文建立的声压作用理论模型 得到如下的边界条件 qi 6 0 i 肛巾o 0 q 3 1 2 qi 6 一 尸 q 1 7 其中p 为声压场的静压力 o r 为弹性筒上缠绕光纤的附加径向压力 把公式 3 1 2 代入 3 6 得 由公式 3 1 3 得 兰 2 c o 口2 3 1 3 吾 2 c 一 尸训 则平面应力问题的径向位移为 驴一去宰南 尸 州 1 州譬 1 刊 3 1 5 由于弹性筒周长的变化 导致的光纤弹力的变化远远大于q 因此我们忽略q 导致 的弹性筒周长的变化 则径向位移变为 1 6 j r 坶 雾 第三覃干涉型光纤水听器基兀行性研究 驴一去 南讯 等 1 刊 3 1 6 所以由于声压场的作用引起的基元形变导致的基元弹性筒周长的变化大小为 2 矾k 2 万幸丢采南球1 了a 2 1 一膨 2 万幸土木 r j b e ba 研 1 口2 1 一 6 2 z 一2 7 7 3 1 7 则由于基元形变引起的光纤长度的变化导致的光相位的变化为 三孚址 t 2 x n n 万c 3 1 8 a 其中刀为光纤纤芯折射率 五光波的波长 n 为缠绕光纤的匝数 考虑到光纤中相对 折射率的变化与相对长度的变化方向相反 则光纤中总的相位变化为 死 竽缸一2 x l n n6 c 1 一见 3 1 8 b 本课题研究的水听器基元是基于m i c h e l s o n 干涉仪结构 总的相移是单程相移的两倍 m 1 即 矽 2 a o 那么光纤水听器的声压灵敏度为 矽 2 a q o 一 一 p p 丸e而b 羽 口2 1 p 6 2 3 1 9 其中匝数n 由缠绕光纤的长度确定 假设缠绕光纤的长度为l 则 三 代入公 z 厅d 式 3 1 9 得 a r o 2 a 仍 一 一 pp le矿1 了 1 a 2 1 一 6 2 3 2 0 水听器基元的材料参数如下 芯轴材料的杨氏模量e 7 0 g p a 泊松系数 鸬 0 3 弹性筒材料的杨氏模量e 2 x 1 0 9 p a 弹性筒材料的泊松系数 0 3 5 缠 绕光纤的长度l 5 9 m 基元的长度h 2 3 m m 芯轴的半径r 9 m m 弹性简的内 外半径分别为a 1 0 5 m m b 1 2 7 5 m m 光纤包层直径d o 1 2 5 a m 光纤纤芯的杨 氏模量毛 7 5 1 0 1 0 g p a 光纤纤芯折射率n 1 4 5 6 光波的波长名 1 5 5 1 0 m 对于通常的掺锗光纤有p c o 1 7 把上面的参数代入公式 3 2 0 得 a q 1 4 0 5 4 2 1 0 2 r a d p a p 再根据公式 3 2 即可得出光纤水听器基元的相位灵敏度为 1 3 7 0 4 d b 从公式 3 2 0 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 中不难发现带空气腔的芯轴式光纤水听器基元的相位灵敏度主要受到以下几种因素的 影响 光纤的纤芯折射率以和波长五 还有缠绕光纤的长度三 以及表征弹性简材料 特征的杨氏模量e 泊松比 和确定弹性筒形状的内半径a 外半径b 3 3光纤水听器基元相位灵敏度的影响因素 改变缠绕光纤的长度工 把其他参数值代入公式 3 2 0 和 3 2 得到相位灵 敏度随缠绕光纤长度三的变化曲线如图3 5 所示 7 00 10 20 30 4050 60 70 80 91 i o e l 0 t 图3 5 相位灵敏度随缠绕光纤长度的变化曲线 由图3 5 可以发现 增加弹性筒上缠绕光纤的长度可以提高相位灵敏度 而且相 位灵敏度随着缠绕光纤长度的增加呈线性增大 当缠绕光纤从l 米增长到1 0 米时 相 位灵敏度可增大2 0 d b 同样 我们可以改变弹性筒材料的杨氏模量和泊松比 观察相位灵敏度的变化情 况 如图3 6 和3 7 所示 1 3 0 3 5 量 1 柏 幂 1 筐 墓 1 4 5 8 0 1 5 5 1234567891 0 弹性筒杨氏横量 p a e o o b 图3 6 相位灵敏度随弹性筒杨氏模量的变化曲线 伪 伪 m 懈 伽 伤 盂豁低捌霉 第三章干涉犁光纤水听器基元特性研究 量 薏 暮 图3 7 相位灵敏度随弹性筒泊松比的变化曲线 由图3 6 和3 一可以看出 为了提高光纤水听器基元的相位灵敏度 应该尽量选取 杨氏模量和泊松比都比较小的材料来制作弹性筒 不难发现 在本文的模型分析中改 变泊松比的大小对相位灵敏度的影响相对较小 泊松比从o 1 变化到0 5 时 相位灵敏 度只减低不足l d b 相反弹性筒材料杨氏模量的变化对相位灵敏度的影响较大 当杨 氏模量从1 0 1 0 9 减小到1 1 0 9 时 相位灵敏度增大了大约2 0 d b 改变弹性筒内半径a 的大小 分析得出相位灵敏度的变化曲线如图3 8 所示 一一 99 5 1 01 0 51 11 1 51 21 2 5 弹性筒内半径 m m 图3 8 相位灵敏度随弹性筒内半径的变化曲线 观察图形可以发现 在弹性筒外半径大小不变的情况下 增大弹性筒内半径的大 小 即弹性筒的壁厚度变小 可以增加水听器的相位灵敏度 当弹性筒内半径从9 5 m m 增大到1 2 5 m m 时 相位灵敏度增大了约2 5 d b 上文从理论求解结果中分析了几种因素对光纤水听器基元结构相位灵敏度的影 响 其中增大弹性筒外壁缠绕光纤