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光纤法布里—珀罗水听器技术研究

牛嗣亮  
【摘要】:近年来,光纤水听器应用技术发展迅速,将在大型水下监测系统和新型水声装备中得到重要应用,基于分立元件组装的光纤水听器技术已不能满足实际工程应用大规模、高可靠成阵和批量化工业生产的要求。进行基于相干检测的高灵敏度光纤光栅(FBG)水听器研究和发展基于光敏光刻的光纤水听器集成制造技术是光纤水听器技术发展的前沿。在一根光纤上光刻一对光纤光栅即可构成光纤法布里-珀罗(F-P)谐振腔。这种结构由于较高的光学检测灵敏度和简单的制造工艺,成为新型光纤水听器研究的重要方向。本文在相关光纤光栅法布里-珀罗(FBG-FP)腔和FBG-FP传感器研究的基础上,针对光纤水听器的应用要求,进行光纤F-P水听器技术的深入研究。 论文从FBG-FP腔的光谱特性入手,深入研究了FBG及其构成的F-P腔的相位谱特性,设计了具有较强工程适用性的腔长测量方案;系统地描述了FBG-FP传感系统的干涉型解调方法,理论与实验研究了FBG-FP传感结构灵敏度的特性;建立了基于高反射率FBG的非对称F-P传感系统,实验分析了通过解调腔内多次反射光信号从而提高系统探测精度和灵敏度的传感特点;建立了干涉型FBG-FP传感系统的噪声模型,理论与实验分析了系统的相位探测精度,建立了接近理论最优噪声限的皮应变测量系统。最后,设计了基于差动探测的空气腔芯轴型FBG-FP水听器,实验研究了差动探测的增敏降噪效果,水听器的灵敏度和频率响应平坦性满足实际应用的需要。 论文的主要研究成果和创新点如下: 1.对FBG及其构成的FBG-FP相位谱特性进行了深入研究。针对光纤FBG-FP腔的特殊结构参数,首先推导了低反射率FBG线性相位谱的一般表达式,提出了高反射率FBG的三段线性相位近似方法,得到了简洁直观的相位谱数学表达式,为光纤FBG-FP腔光纤水听器的实验研究和工艺制造性能检验提供有效工具。然后基于FBG的分布反馈特性,以等效腔长为基础分析了FBG-FP腔的光谱特性,设计了分布反馈FBG-FP腔的等效腔长测量方法,得到了高精度的FBG-FP等效腔长测量结果,为光纤FBG-FP腔光纤水听器的光谱描述和信号解调提供准确参量。 2.建立了稳定信号解调的FBG-FP型水听器声传感系统。测量了裸光纤FBG-FP腔的声压灵敏度,理论与实验分析了传感系统的灵敏度构成,实验研究了FBG的扰动对传感系统稳定性的影响,综上研究为优化干涉型FBG-FP传感系统性能和FBG-FP型光纤水听器的增敏和结构优化提供了指导。 3.设计与建立了基于高反射FBG的非对称F-P传感系统。通过精确分离出在谐振腔中不同反射次数的光信号,利用多次光反射相位累积外界参量对光波的调制作用和腔内带通滤波效应改善干涉光的光谱结构,实现灵敏度和探测精度的同时提高。理论与实验分析了腔内不同阶反射光的解调、系统参数、腔内的带通滤波效应和光脉冲间隔对系统传感性能的影响,实验结果表明第4阶反射光的解调结果较第2阶的结果灵敏度高9.8dB,探测精度高3dB。该传感结构为满足光纤水听器探测性能和不同组阵应用要求提供了新的技术方案。 4.建立了干涉型FBG-FP传感系统的噪声模型,分析了两串联干涉仪臂差非平衡和两FBG光谱失配对系统相位探测精度的影响,特别地采用高斯波形近似方法分析了光谱失配对系统干涉条纹可见度的影响,对已有该类系统噪声的理论分析结果进行了有效补充和完善。针对外界环境对解调干涉仪的扰动,进行了基于参考干涉仪和参考光源的两种差动降噪方法的实验研究,结果表明参考光源方法在不增加阵列复杂度和不降低系统探测精度的同时,可以实现对单频和宽带的环境扰动40dB的降噪效果。最后,在前述研究的基础上建立了皮应变测量系统,采用4m腔长的FBG-FP干涉仪实现了接近理论最优的探测精度,在大于60Hz频段内的应变探测精度优于1.84pε/Hz1/2,为提高传感系统稳定性和优化探测性能提供了技术支持。 5.设计了基于差动探测的空气腔芯轴型的FBG-FP水听器,该系统结构实现了同时利用光学差动探测和推挽结构进行降噪和增敏的性能改进,实验测试了外径12mm、采用10m腔长的FBG-FP水听器,在80~2500Hz频段的平均声压灵敏度为-143.9 dB re rad/μPa,频率响应波动小于±0.8dB,该方案为制造紧凑结构的超细FBG-FP水听器和改善系统低频探测性能提供了基础。


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