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远程大规模光纤水听器系统光纤拉曼放大技术研究

孙世林  
【摘要】:干涉型光纤水听器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、灵敏度高、便于复用组网、动态范围大和远程传输等特点而广泛应用于石油天然气勘探、水声物理研究和水下目标探测等。随着光纤水听器技术的日趋成熟以及应用需求的不断提升,光纤水听器阵列的规模不断扩大,光纤传输距离也扩展至数百公里。传输距离的提高与水听器阵列规模的不断扩大导致系统的光损耗急剧增加。为了实现光纤水听器对微弱声信号的有效探测,必须对远程传输的光信号进行有效的放大以补偿系统损耗。故满足光纤水听器系统增益、带宽、噪声特性等要求的光放大器设计至关重要。多波长的光纤拉曼放大技术具有增益带宽宽、噪声低等优势,并且可以通过合理选择泵浦光的数量、波长、功率实现任意的增益谱。因此,光纤拉曼放大器适合于对远程大规模光纤水听器中微弱模拟光信号的放大,对光纤拉曼放大器的研究具有着明确和急迫的应用需求。本论文研究了光纤拉曼放大器的基本特性,分别对脉冲光和连续光的拉曼模型做了数值仿真计算;深入研究了光纤拉曼放大系统中的非线性效应的影响,并提出了抑制方案;重点开展了远程大规模光纤水听器系统中光纤拉曼放大器的增益平坦的优化设计工作。本论文的主要结论和创新点归纳如下:1、在分别阐述脉冲光和连续光的拉曼放大理论模型的基础上,采用四阶亚当斯预测-校正法对连续光放大进行数值计算,提高了运算效率和计算精度;结合并行双向算法和四阶亚当斯预测-校正法对脉冲光放大进行数值计算,由于并行双向算法更符合光传播的物理本质,因此结合了该算法能更高效、精确地仿真脉冲光的拉曼放大过程,从而提高运算效率和计算精度。2、提出了采用并行双向四阶亚当斯预测-校正算法对光纤拉曼放大系统中的受激布里渊散射的理论模型进行数值计算。数值计算的结果表明前向泵浦的拉曼泵浦光对受激布里渊散射影响较大,后向泵浦的拉曼泵浦光对受激布里渊散射的影响一般可以忽略。实验证明了相位调制技术可以有效抑制光纤拉曼放大系统中的受激布里渊散射,并且抑制效果随着相位调制的调制幅度和调制频率的增加而增强。3、提出了两步法研究光纤拉曼放大系统中的调制不稳定性的理论模型,即首先忽略调制不稳定性计算信号光的拉曼增益沿光纤的分布;然后用计算所得拉曼增益分布取代非线性薛定谔方程中的光纤损耗项,求解修正后的薛定谔方程得出调制不稳定性的增益谱。数值计算的结果表明,调制不稳定性的阈值会随着拉曼泵浦光功率的增加而降低,在相同拉曼泵浦光功率下,相比于后向拉曼泵浦,采用前向拉曼泵浦的远程光纤系统有着更低的调制不稳定性阈值。搭建了实验系统测量光纤拉曼放大系统中的调制不稳定性增益谱和阈值,测试结果与数值计算结果吻合良好。4、理论和实验研究了光纤拉曼放大器的最优化设计。在泵浦波长固定和不固定两种情形下,采用遗传算法分别对净增益平坦化和任意输入信号谱的平坦输出的光纤拉曼放大器进行了优化设计。实验验证了具有两个固定波长泵浦源的光纤拉曼放大器对任意输入信号谱的光信号具有输出平坦化性能。5、搭建了100 km无中继16重波分和8重时分混合复用128基元光纤水听器系统。采用4支波长固定的拉曼泵浦光源,通过优化设计泵浦光功率,实现任意输入信号谱的输出平坦化,光纤水听器的相位噪声在1 kHz处达到~-90dB re rad/Hz~(1/2)。


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