膜片封装下光纤激光水听器的低频动态响应

为了探究膜片封装光纤激光水听器中光纤激光器产生弯曲振动的机理,首先基于梁的横向振动理论建立了光纤激光器弯曲振动模型,之后根据实际的封装结构进行了有限元仿真,分析了光纤激光器的固有频率与光纤激光水听器频响之间的定量关系,最后批量封装了光纤激光水听器,进行实验验证。仿真及实验结果表明:光纤激光器两端采用一体化硬固定方式易使光纤激光器发生弯曲振动;当光纤激光器的一阶固有频率落在工作频段内时,在谐振峰附近,光纤激光器的中心波长发生非均匀漂移,此时在远离谐振峰的频段内,水听器频响的平均值约为-135 d B,谐振峰值约为-125 d B。本研究为光纤激光水听器封装工艺的后续改进提供了参考。     

光纤干涉仪输入光偏振态反馈控制理论分析

具有较大非平衡长度的光纤Mach-Zehnder干涉仪解调DFB激光器传感信号时,存在着偏振衰落现象,为了解决这一问题,提出了一种对干涉仪输入光偏振态进行反馈控制的方案,论述了具有反馈控制功能的干涉仪信号解调系统,推导了反馈控制系统的控制信号与干涉仪条纹可见度之间的关系式,分析了该系统在不同光信号输入情况下的工作状况,从理论上证明了利用该系统可在一定条件下使干涉仪的条纹可见度稳定在1附近,论证了该方案消除干涉仪解调传感信号时偏振衰落现象的可行性。     

基于流固耦合作用的分布反馈式光纤激光水听器

为了解决流固耦合模态使水听器工作频带变窄的问题,理论分析了流体对双膜片结构的分布反馈式光纤激光水听器固有频率的影响,基于有限元软件对水听器加固封装前后在空气中和流体中的模态和频响性能进行仿真分析,加工制作了水听器原型样品并开展了水声实验研究.实验结果表明,在2 500~8 000Hz的频率范围内,未经加固封装的水听器由于在该频段内存在多个流固耦合固有频率造成响应曲线起伏较大,而采取了加固措施封装后的水听器获得了-142.77±0.8dB的平均声压灵敏度,验证了流体对水听器频响性能的影响以及改善措施的有效性,实验结果与理论及仿真结果吻合较好.     

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.     

基于可调谐滤波器的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术的研究

研究了基于可调谐滤波器(TOF)的带中心波长自动跟踪光纤光栅动态波长解调技术。实验表明,解调仪特别适合在传感FBG(fiber Bragg grating)存在大幅度静态波长变化时对微幅度动态波长变化进行检测,动态波长检测分辨率为0.007pm/Hz。上电时,TOF对中心波长为1292.50~1308.50nm范围内的光纤光栅具有自动跟踪的能力,克服了TOF不稳定对系统的影响。     

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。     

低加速度灵敏度的分布反馈式光纤激光水听器研究

针对分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的加速度响应影响声压信号探测的问题,研制了一种聚氨酯端面增敏结构的DFB光纤激光水听器。建立了该结构水听器的加速度灵敏度理论模型,理论分析了套筒结构与水听器的加速度灵敏度的关系,仿真分析了水听器两端聚氨酯的弹性模量、泊松比以及高度的差异与其加速度灵敏度的关系,实现了对水听器各结构以及材料参数的优化,并制作了水听器原型样品与拖曳线列样阵,分别开展了加速度灵敏度测试和湖上动态拖曳实验研究。实验结果表明,该结构水听器在20~2000Hz频率范围内的加速度灵敏度在各频点均小于1.2dB,与理论分析结果较为吻合,在动态拖曳过程中的变速运动阶段也能对目标形成较高信噪比的稳定波束指向。水听器的抗加速度性能得到了有效预测以及实验验证。     

非平衡光纤Mach-Zehder干涉仪偏振衰落及相位噪声分析

研究了非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪因两束干涉光偏振态变化引起的偏振衰落和相位噪声问题.运用波导耦合理论和光纤偏振光传输理论,通过详细的推导,得到非平衡光纤Mach-Zehnder干涉仪输出光强、可见度以及相位噪声的表达式,分析了干涉仪可见度、相位噪声与干涉仪输入光偏振态之间的关系,提出抑制偏振衰落和相移噪声的方法.     

夹层式光纤激光水听器探头优化设计

为改善分布反馈式(DFB)光纤激光器水声探测性能,利用有限元软件ANSYS,以相对加速度灵敏度为目标函数,结构尺寸参数为设计变量,结构第一阶固有频率和探头声压灵敏度为状态变量,对夹层式封装结构进行了优化设计,对其声压探测及抗加速度机理进行了分析。分析表明,基于优化结果设计的探头在采用100 m非平衡干涉仪时,其声压灵敏度约为-135.1 dB,相对加速度灵敏度可达到-19.6 dB。结果表明,基于封装结构敏感部分分别承受声压激励和加速度激励时的不同响应机理,对夹层式封装结构关键部位尺寸进行优化设计后,通过合理选择承压梁与中间变形梁的厚度以及上下连接点的位置,封装制得的光纤激光水听器具有较高的声压灵敏度和良好的抗加速度性能。     

一种平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

阐述了一种平面薄板结构的平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头的工作原理,从理论和实验上分析研究了该探头的结构灵敏度、频率响应特性以及加速度响应特性。平面圆形薄板采用不锈钢,尺寸为:直径15 mm、厚度0.15 mm,探头为圆柱型,尺寸为:直径17 mm、长20 mm。对于该尺寸结构的FBG水听器,探头静态灵敏度可达23 fm/Pa,比裸光栅增敏7300倍;谐振频率为6.5 kHz,而且幅频特性在100 Hz~5.5 kHz频率范围内较为平坦;低频段加速度响应灵敏度为:58~75(fm·s^2/m),在1 m/s^2加速度作用下其输出等效(2.52~3.26 Pa)压力作用下的输出。该结构的探头也便于多路复用组成水听器阵列。该平面结构不仅可以组成光纤FBG水听器探头,同样可以组成光纤光栅激光水听器探头。对薄板的几何尺寸进行适当的调整,可实现不同量程、不同带宽的水声压力测量。