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干涉型光纤光栅水听器关键技术研究

李东明  
【摘要】:以光纤光栅作为传感元件的水听器具有体积小、抗环境干扰能力强、便于光路复用等优点。在光纤光栅水听器的工程应用中,对其声灵敏度、轴向抗加速度性能、耐静水压性能都有较高要求。本论文研究了能够提高这些性能的无源光纤光栅水听器和有源光纤光栅水听器。 论文首先介绍了国内外光纤光栅水听器的发展概况。在第二章中分析了光纤光栅的传感原理。通过耦合模式理论和弹光效应理论分析了光纤光栅水声传感器的灵敏度。在第三章中对光纤光栅水听器增敏机理、非平衡干涉仪的信号接收和解调技术、耐静水压和抗加速度等关键技术进行了理论分析。 采用侧面压迫式和端面拉伸式两种增敏方法,研究、设计和制作的无源光纤光栅水听器探头在论文的第四章中做了介绍。采用环氧胶灌注和弹性膜片端面拉伸两种方法分别对光纤光栅传感器进行增敏。研究结果表明环氧灌注方案谐振频率过低(300Hz),频带内灵敏度频响起伏较大,且高频灵敏度过低(小于-205dB,OdB=1rad/μPa),制作工艺要求较高;弹性片端面拉伸方案采用铍铜材料的弹性膜片进行增敏,在100Hz~1000Hz频率范围内灵敏度为-175±2dB。对端面拉伸式增敏水听器样品进行了封装,并应用于水声信号的检测实验。实验表明,该水听器在灵敏度及频率响应指标上已经基本满足应用要求。 本文第五章研究、设计和研制了有源光纤光栅水听器,它具有高灵敏度和抗加速度特性。首先采用λ/4相移型掺铒光纤光栅构成DFB激光器,输出窄线宽激光。再利用弹性片增敏方法封装该有源λ/4相移型光纤布拉格光栅,构成了高灵敏度有源光纤光栅水听器。然后以两边对称的膜片构成封装结构来抵消轴向加速度干扰,提高水听器在运动情况下的检测能力,并通过对结构的优化大大提高了光纤光栅水听器的耐静水压能力。研究结果表明水听器在100Hz~1000Hz频率范围内灵敏度为-133.3±0.7dB(OdB=lrad/μPa),加速度灵敏度可做到-20dB(0dB=1rad/g)以下,耐静水压可达2MPa,相当于200m水深。实验表明,该水听器在灵敏度、抗加速度以及耐静水压性能上取得了良好的结果,具备较好的工程应用前景。 文章最后研究了利用无源和有源光纤光栅水听器组成阵列以应用于拖曳声纳和固定式声纳。还研究了系统降噪、掩埋声响应等技术,从设计、实验上验证光纤光栅水听器的工程实用性。


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