干涉型光纤水听器伪工作点控制检测方法

提出了一种用于干涉型光纤水听器信号检测的伪工作点控制方法.为了验证该方法的可行性,搭建了干涉型光纤水听器声压灵敏度测量系统,编写了实时信号采集和处理程序,对某一光纤水听器进行了测量.在频带20 Hz~2.5 kHz上,该光纤水听器的声压灵敏度为－156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±0.8 dB,与采用PGC调制解调方法测量的结果基本一致.由于传感部分不含有源器件,该方法实现了无源检测.另外,它还具有解调算法简单、检测频带宽等优点.     

干涉型光纤水听器相位载波调制-解调中信号混叠产生的机理及解决方案

信号混叠是制约基于相位载波调制-解调的光纤水听器系统走向应用的一个关键问题。对信号混叠产生的机理进行了详细的理论分析和仿真,结果表明,提高光源调制频率和降低探头灵敏度都无法有效解决光纤水听器实际应用中遇到的高频干扰引起的混叠问题。基于声学滤波器原理,提出了一种新颖的声低通滤波解决方案。设计并加工制作了一种简单的声低通滤波光纤水听器,在驻波罐中对其声压灵敏度频响进行了测量。实验结果表明,该光纤水听器在测量频带上具有较好的声低通滤波特性,低频声压灵敏度约为-140 dB(0 dB=1 rad/μPa),高频衰减大于20 dB,对高频干扰有较强的抑制能力。该方案十分简单经济,能从根本上有效地解决相位载波调制-解调中的信号混叠问题。     

对基于光纤光栅的两种水听器灵敏度的讨论

本文简单介绍了基于光纤光栅的光纤布喇格光栅(FBG)水听器以及分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的基本工作原理与信号解调的基本方法。在此基础上提出了FBG水听器和DFB光纤激光水听器波长漂移率、压力灵敏度系数、相位灵敏度与相位灵敏度级以及电压灵敏度的定义以及物理涵义.并且对干涉型光纤水听器与DFB光纤激光水听器在相位灵敏度以及物理涵义上的区别进行了说明.     

一种有源型光纤水听器原理与实验分析

分析了一种有源型光纤水听器的水声传感原理,在一段掺铒光纤中写入具有π相移的光纤光栅构成光纤激光器,水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位,采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息.水声探测实验表明,有源型光纤水听器的声压灵敏度为-166.5 dB(参考值1 rad/μPa).将不同工作波长的四元光纤水听器串接于一根光纤内组成水听器阵列,使用带通波分复用器将阵列发出的激光分离至各独立通道后检测出相应的声压信号,测得水听器之间的级串扰小于-60 dB,且单元水听器水声响应的动态范围不受影响.     

关于光纤水听器灵敏度的讨论

本文先简略介绍了干涉型光纤水听器的基本原理与检测信号的基本方法，由此给出了光纤水听器相位归一化灵敏度、相位灵敏度、电压灵敏度的定义。在分析它们的物理意义以及相互之间关系的基础上，给出一组能反映它们对应关系的一组数据，以及一光纤水听器探头频率响应曲线。     

二阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性

信号混叠是基于光纤水听器的现代声纳系统走向应用必须解决的一个关键问题.初步的实验结果已经表明,声低通滤波光纤水听器是解决信号混叠问题的一种简单且行之有效的方案.基于电一声类比理论,建立了声低屯瞬ü庀怂鞯牡推导胁瘟磕Ｐ?利用电路分析的方法对其频响特性进行了研究.结果表明,这种光纤水听器系统与典型的二阶低通滤波电路具有相似的频响特性.为了验证理论分析的正确性,设计制作了一个简单的声低通滤波光纤水听器,并在驻波罐中对其声压灵敏度频响特性进行了测试,实验结果与数值计算的结果基本吻合.该光纤水听器低频响应非常平坦,声压灵敏度约为-141 dB,测量共振频率为985 Hz,与理论值1270 Hz基本一致.共振频率处的声压灵敏度为-126.8 dB,衰减速率约为20 dB/倍频程,3000 Hz以后的灵敏度衰减幅度大于20 dB.     

光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度；对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

聚合物边孔封装无源光纤光栅水听器

报道了一种聚合物边孔封装的无源光纤光栅水听器的研究结果.采用边孔封装结构对裸光纤光栅进行了增敏封装,其静态压力灵敏度提高了17120倍,为光纤光栅的水声探测奠定了物理基础;利用可调谐窄带光源的线宽窄和其波长可调谐的特点,采用带工作点控制的强度调制方案进行信号解调,不仅实现了高精度的动态信号检测,并解决了温度变化对系统影响的问题.实验测量结果表明,所设计的光纤光栅水听器在500Hz频率处的声压灵敏度为-153.3 dB(0 dB=1 pm/μPa),且具有非常好的各向同性指向性,其最小可测声压为61 dB(0 dB=1 μPa/√Hz).     

数字化相位载波解调方案在光纤水听器系统中的实现

本文分析了干涉型光纤水听器内调制相位载波(PGC)调制解调的原理，提出了PGC调制解调的全数字化方案，通过计算机仿真，并在光纤水听器系统中实现了PGC的数字化解调。实验室光纤水听器与标准水听器对比测试以及实际海况试验都证明，数字化PGC解调技术在光纤水听器系统的实现对水声信号的检测是有效的。     

全光光纤水听器系统海上试验

阐述了光纤水听器拾取声压信号的基本原理。研制的光纤水听器探头尺寸为Φ22 mm×100 mm,相位灵敏度为-160 dB(参考值1 rad/μPa),波动小于3 dB,系统最小可测声压在1 kHz频点为43.5 dB,与零级海洋噪声水平相当。光纤水听器与标准水听器采集的宽带信号相关系数大于0.94,信号基本一致。23基元1 km传输全光湿端光纤水听器阵列于2002年8月在渤海进行了海上试验,相邻基元采集的气枪信号相关系数大于0.98,阵列具有良好波束指向性。光纤水听器关键技术的成熟为其走向应用奠定了良好基础。     

Pseudo working-point control measurement scheme for acoustic sensitivity of interferometric fiber-optic hydrophones

A novel pseudo working-point control measurement scheme for the acoustic sensitivity of interferometric fiber-optic hydrophones is described and demonstrated.The measurement principle is introduced in detail.An experimental system,which interrogates an interferometric fiber-optic hydrophone with this method,is designed.The acoustic pressure phase sensitivity of the fiber-optic hydrophone is measured over the frequency range of 20-2500Hz.The measured acoustic sensitivity is about-156.5dB re 1rad/μPa with a fluctuation lower than ±1.2dB,which is in good agreement with the results obtained by the method of phase generated carrier.The experimental results testify the validity of this new method which has the advantages of no electric elements in the sensing head,the simplicity of signal processing,and wide working bandwidth.     

波长和强度同时响应的锥形多模光纤温度传感器

通过将一段长为17 mm的多模光纤两端分别与单模光纤对芯熔接,然后对多模光纤部分进行拉锥处理,得到一种波长和强度同时对温度响应的锥形多模光纤温度传感器。实验研究了30 ℃~80 ℃范围内传感器的温度传感特性。实验结果表明:当环境温度发生变化时,该传感器在1 542 nm附近干涉波谷的波长和强度对温度的响应灵敏度分别可达到0. 041 nm/℃和0. 106 dB/℃,并且传感器干涉条纹的波长响应和强度响应之间呈良好的线性关系。基于传感器波长响应与强度响应之间的该线性关系,通过传感信号强度的检测即可实现干涉型光纤传感器的相位解调,该方法为传感解调信号提供了新思路,具有重要的参考价值。     

干涉型光纤水听器相位载波调制及解调方案研究

概述了直接调制光源产生相位载波的马赫－曾德尔（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）干涉型光纤水听器调制解调技术。重点在于通过严密的数学推导, 定量分析了直接调制光源伴生的调幅现象对于解调过程和结果的影响, 并有针对性地提出了解决办法。同时就采用直接调制光源的相位载波零差检测方案时, 设计中如何合理选择各相关参数, 以达到最佳匹配进行了原理性探讨。给出了有关实验结果, 这些理论分析和实验结果对于全光纤化水听器阵列的研究及检测系统的设计具有十分重要的意义。     

采用3×3耦合器的分布反馈式光纤激光传感器解调技术

为了实现分布反馈式光纤激光传感器(DFB FL)大动态范围、稳定解调,建立了基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调系统。对该系统所采用的对称解调算法(NPS)和反正切解调算法进行了深入研究。首先,介绍了基于3×3耦合器解调算法的原理及耦合器不对称时的调校方法。接着,对干涉仪所需最小非平衡路径长度的选取与系统强度噪声、激光器频率噪声的关系进行了分析。最后,针对NPS算法与反正切算法最大可解调信号幅度进行了分析对比,并研究了微分器对对称解调方法解调范围的影响。实验结果表明:NPS算法动态范围高于反正切算法,微分器的幅频特性不理想会减小解调动态范围。在采样频率为125 k Hz、信号频率为1 k Hz、干涉仪非平衡路径为100 m时,NPS算法与反正切算法的动态范围分别达到96 d B和90 d B。用解调前调校的方法,基于3×3耦合的解调方法动态范围大,能够实现稳定解调,满足工程应用要求。     

一种光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究

为了校准光纤光栅水听器的灵敏度,开展了光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究.本文首先介绍了光纤光栅水听器的工作原理;其次,采用可调谐激光器和带工作点控制的强度调制法,实现了光纤光栅水听器的信号解调和稳态测量;在此基础上,利用比较法建立了一种光纤光栅水听器校准系统,校准频率范围为20 Hz～10 kHz;最后,在该频率范围内对采用等效相移布喇格光栅研制的一只光纤光栅水听器的灵敏度进行了校准,对系统的测量不确定度进行了估算.结果表明,该系统可准确校准光纤光栅水听器的灵敏度,扩展不确定度为0.9 dB(k＝2).     

Investigation on the maximum signal handling capability of fiber optic interferometric sensor based on the digital heterodyne demodulation scheme

The maximum signal handling capability (MSHC) is an important parameter for the fiber optic interferometric sensor (FOIS) system. It is restricted by the heterodyne frequency (HF) and the digital quadrature demodulation algorithm (DQDA) in the digital heterodyne demodulation scheme. In this paper we systematically investigate the MSHC of the FOIS based on the digital heterodyne demodulation scheme through comparison of the HF-determined MSHC and DQDA-determined MSHC. When discussing the DQDA-determined MSHC, two widely used methods are included, which are arctangent and differential-cross multiply (DCM). The comparison results reveal that the arctangent-determined MSHC is 12 dB larger than the DCM-determined MSHC. The HF-determined MSHC is between the two types of DQDA-determined MSHC. If the DQDA is arctangent, the MSHC of the system is the HF-determined MSHC. If the DQDA is DCM, the MSHC of the system is the DCM-determined MSHC. Experiments are carried out and the results are consistent with the theoretical analysis. The conclusion in this paper can help us to estimate the MSHC of the FOIS system based on the digital heterodyne demodulation scheme more accurately and provide a useful guideline for the design of the FOIS system with large demodulation dynamic scale.     

干涉型光纤水听器数字化外差检测方法动态范围上限研究

阐述了干涉型光纤水听器外差检测的基本原理,对干涉型光纤水听器数字化外差检测方法动态范围上限进行了研究.理论分析了由外差频率决定的动态范围上限以及反正切、微分-交叉相乘(DCM)两种正交解调算法决定的动态范围上限,并进行了综合对比.分析结果表明,不同的外差频率所能达到的动态范围上限不同;相同的外差频率结合不同的正交解调算...     

基于独热码有限状态机的斐索干涉解调相位补偿方法

针对相位调制型超弱光纤光栅水听器阵列解调过程中发生的相位翻转现象,提出了一种基于独热码编码的有限状态机相位补偿方法,用来在现场可编程逻辑门阵列中对翻转信号进行实时修正.将解调信号相位及其补偿条件设计在独热码编码的有限状态机中,通过状态机内部状态的即时转移,实现高时钟速率下光纤干涉系统解调信号的相位补偿.对多种相位补偿方式在功能仿真和实验测试中的功耗、占用资源及时序等进行对比分析,结果表明基于独热码状态机的相位补偿方法,不仅可以正确地解决相位翻转问题,保证信号的完整性,同时还可以增加信号解调动态范围,使系统的逻辑延迟降低6%,在水声光纤传感解调系统的高吞吐率和高时钟频率应用环境下具有一定优势.     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。