拖曳线列阵用光纤水听器的研究

报道了光纤水听器用于拖曳线列阵的研究结果。在保证光纤水听器声相位灵敏度的前提下, 优化设计了光纤水听器的结构,降低了光纤水听器的加速度灵敏度36dB。实验测得在20-1600Hz 频段,该光纤水听器的相位灵敏度为-162．7dB,频段内灵敏度的起伏为±0．7dB,加速度灵敏度小于-30dB。     

分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵实验研究

为了进一步增大光纤拖曳阵的探测距离,研制了缆径为16mm的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵.阵元在10~2 000Hz频率范围内的平均声压灵敏度为-142.7dB(re 1rad/μPa),波动幅度小于±2dB.基于声光调制器的时分、波分联合复用技术实现了32元光纤激光水听器的多路复用,各个阵元之间以及各个通道之间的串扰均小于-40dB,并完成了静态和动态拖曳湖上实验.实验结果表明,研制的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵无论是在静态,还是在6~16节的动态拖曳状态,都能对目标形成稳定的波束指向,与GPS轨迹记录完全一致,展现了分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵在工程上的应用前景.     

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.     

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).     

湿端结构极简的低噪声低串扰光纤光栅水听器阵列

由于湿端极简化,光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决;光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列,水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案,系统本底相位噪声达到■,等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅,结合8空分×2波分×8时分复用结构设计,系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。     

应用于拖曳细线阵的光纤水听器研究

研制了一种直径为13 mm的空气腔推挽式双臂对称补偿结构的光纤水听器,介绍了该光纤水听器的工作原理,优化设计了光纤水听器结构。在小直径情况下,保证了较高的声压灵敏度,同时获得了较低的加速度灵敏度。实验测得在80～2500 Hz频段内,该光纤水听器的平均声压灵敏度为-142.5 dB,灵敏度的起伏小于±0.8 dB,加速度灵敏度小于-20 dB。实验结果表明,研制的空气腔推挽式双臂对称补偿结构的光纤水听器,能很好地满足拖曳细线阵的使用要求。     

带加速度补偿的DFB光纤激光水听器

针对分布反馈式光纤激光水听器在用于水声探测时极易受加速度效应干扰的问题,设计了一种双膜片对称结构的光纤激光水听器,对该水听器的抗加速度性能进行了研究.建立了双膜片结构水听器的加速度灵敏度理论模型,分析了水听器各部件的尺寸大小、材料参量与水听器加速度灵敏度的关系,实现了对水听器结构的优化设计;加工制作了分布反馈式光纤激光水听器原型样品,并进行了实验研究.测量结果表明,在2.5~10kHz的频率范围内,该结构水听器的平均声压灵敏度为-132.6dB,波动幅度不大于±0.5dB,加速度灵敏度小于-28dB.该水听器在保证了较高声压灵敏度与平坦的响应曲线的同时,抗加速度性能也得了有效改善,可大大提高光纤激光水听器阵列在运动状态下对远距离目标探测的信噪比.     

光纤水听器远程全光放大系统相位噪声研究

光功率冗余不足及相位噪声增加是制约光纤水听器传输距离及探测性能的关键因素。基于光纤水听器全光模拟传输系统，建立远程放大相位噪声模型，设计大有效面积低损耗光纤组合传输链路，在100 km传输4波分×8时分复用系统中，远程放大引入的相位噪声仅为-98.1 dB@1 kHz(1 kHz为频率)，优于常规单模光纤4.3 dB，模型的有效性得到了验证。将模型应用于150 km传输系统，对远程增益单元位置进行优化，获得了-93.2 dB@1 kHz的远程放大噪声性能。所提噪声模型及优化方法可应用于不带电中继的光纤水听器系统设计及研制中，对增大全光传输距离及提升远程探测性能具有重要意义。     

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).     

低频高灵敏度中性浮力式MEMS矢量水听器

由中北大学研制的微机电系统(MEMS)矢量水听器具有小型化、低频性能好、灵敏度高、指向性好、价格低等特点,但目前该水听器对该低频水声信号的低频探测能力不够,所以进一步提高其灵敏度对水听器的未来的发展至关重要。在声学研究的基础上,提出了中性浮力微结构并确定其参数,该结构加大了外力的有效作用面积,从而提高水听器的灵敏度,采用ANSYS有限元对水听器性能进行仿真,为了验证其可靠性,在驻波场测试水听器的性能。结果表明,该水听器的灵敏度-175dB,频响范围为20~500 Hz,满足对远距离船舶辐射噪声的探测要求,灵敏度响应曲线的起伏在±1.5dB以内,具有良好的"8"字型指向性,凹点深度为48.8dB。     

新型光纤光栅水声传感器的研究

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感-解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100~200 dB re 1μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。     

拖线阵的阵形畸变与左右舷分辨

能否利用信号处理方法在单根普通线列阵上实现对目标的左右舷分辨是一个具有实用价值的研究点,文中利用线列阵在拖曳过程中产生的阵形畸变现象来解决单根普通线列阵的左右舷分辨问题。首先建立了拖线阵两种可能的阵形畸变模型:阵列呈圆弧状和阵列呈横向随机误差的类直线阵;然后分析了这两种畸变情况对拖线阵波束形成带来的问题;指出了畸变阵从原理上破坏了直线阵列处理中固有的对称性,按照畸变后的阵形进行波束形成,即可完成对目标的左右舷分辨。在合适的水听器位置标准偏差下,镜像源抑制比能达到10 dB以上,并且能显著改善波束形成效果。仿真实验研究充分证明了以上结论。     

水听器非轴线布放时的拖线阵流噪声响应

对拖线阵流噪声理论做出两项改进.(1)对Corcos/Carpenter两种压力起伏模型以及相应的拖线阵流噪声响应进行了全面的比较; (2)讨论了有限水听器非轴线布放时的拖线阵流噪声响应,并导出了噪声功率谱的解析表达式.结果表明,这两种压力起伏模型的波数谱、流噪声响应具有一定差别;流噪声响应与拖曳速度、套管外径以及轴线偏移距离有着密切关系.基于Carpenter模型的数值分析表明,拖曳速度提高一倍,噪声功率谱增加约24 dB,且随着套管外径的增大而减小、轴线偏移距离的增大而增大.套管外径以及轴线偏移距离对高频噪声的影响要大于其对低频噪声的影响.     

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。     

一种耐静压分布反馈式光纤激光水听器探头设计

大深度工作环境下,静水压会引起分布反馈式光纤激光水听器反射中心波长漂出解调系统的复用窗口,使水听器无法解调目标声压信号;不同的静水压也会引起分布反馈式光纤激光水听器灵敏度的变化,影响光纤激光水听器阵列的一致性。基于电力声类比理论,提出带静压补偿的分布反馈式光纤激光水听器探头,建立结构的声压传递函数,分析各结构参数对传递函数的影响,为分布反馈式光纤激光水听器探头频率响应平坦化设计提供理论依据。加工制作了耐静压分布反馈式光纤激光水听器样品进行测试,在0 kHz～10 kHz频率范围内声压灵敏度波动范围不大于±2.4 dB,2.3 MPa内出射激光中心波长漂移量不大于0.06 nm,对深水光纤激光水听器的研究具有指导意义。     

矢量拖线阵水听器流噪声响应特性

针对传统拖线阵流噪声理论的局限性, 建立了完善的矢量拖线阵流噪声理论分析方法, 可全面准确地揭示矢量拖线阵流噪声响应特性. 基于细长圆柱的湍流边界层压力起伏Carpenter模型, 采用波数-频率谱分析方法对矢量拖线阵流噪声响应特性进行了理论研究, 导出了圆柱形矢量水听器流噪声响应的声压和振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 定量分析了流噪声响应功率谱与拖曳速度、水听器尺寸、套管尺寸和材料等参数之间变化规律; 另外, 还讨论了圆柱形矢量水听器偏离护套轴线时矢量拖线阵流噪声响应, 导出了流噪声响应的声压、径向和轴向振速自功率谱及其互功率谱的解析表达式, 数值计算结果表明: 轴线偏移距离对声压和轴向振速的高频噪声的影响要大于对低频噪声的影响, 而对径向振速的全频段噪声都有明显影响, 且对振速分量影响要远大于对声压影响.     

侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器

研究了采用侧面压迫式增敏和端面拉伸式增敏的无源光纤光栅水声传感器。采用灌注和弹性片端面增敏两种方案分别对光纤光栅传感器进行增敏。研究结果表明灌注方案谐振频率过低(300Hz),高频灵敏度过低(小于-205dB),且制作工艺要求比较复杂;弹性片端面增敏方案采用铍铜片进行增敏,在100～1000Hz频率范围内灵敏度为(-175±2)dB。对端面增敏传感器进行了封装,并应用于水声的检测实验。实验表明,该传感器在灵敏度及灵敏度频响指标上已经可以满足应用要求。     

基于线阵InGaAs光电二极管阵列的光纤光栅传感解调

采用线阵InGaAs光电二极管阵列和体相位光栅并结合空分复用和波分复用技术,对光纤光栅传感进行解调.设计了基于线阵InGaAs光电二极管阵列和体相位光栅的光纤光栅传感解调系统,通过系统测试和性能分析,该解调系统解调带宽42 nm,信噪比30 dB,波长偏移测量精确度±15 pm,功率测量精确度为±0.3 dB.基于线阵InGaAs光电二极管阵列和体相位光栅的光纤光栅解调系统不但尺寸小,功耗低,而且具有较高的解调速度.     

密集切趾光纤光栅阵列制备及其准分布温度传感的实验研究

针对小范围热源温度探测的需求,在线制备了密集切趾的光纤光栅阵列,采用光波长时域反射解调技术和光时域分段解调技术对切趾光栅阵列传感网络信号进行解调,实现了对小范围热源温度变化的精确测量。模拟了高斯切趾光栅的旁瓣抑制效果,结果显示高斯系数G=4时,可获得较好的谱型和较高的旁瓣抑制比。采用在线光栅阵列制备系统制备了旁瓣抑制比为20.74 dB的密集切趾光栅阵列,温度实验结果显示,传感网络的时域分段精度可达1 m,空间分辨率可达10 cm,温度灵敏度为10.15 pm/℃。该系统可应用于电缆廊道、地铁等环境下的小范围热源温度探测。     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英文）北大核心CSCD

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。