基于匹配干涉的光纖光柵水聽器陣列關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著水聲對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展和探潛需求的不斷提高，高可靠性大規(guī)模光纖水聽器陣列成為了高性能水下探測的重要手段?；谄ヅ涓缮娴墓饫w光柵水聽器陣列結(jié)合了光纖光柵技術(shù)小型化、高可靠性、低成本的優(yōu)點(diǎn)以及相干檢測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為大規(guī)模光纖水聽器陣列的主要技術(shù)方案。該技術(shù)的突破將為進(jìn)一步提高拖曳陣、岸基陣和舷側(cè)陣等聲納系統(tǒng)的陣列規(guī)模和可靠性奠定基礎(chǔ)，為水下探潛提供更高性能的水聲探測裝備?；谄ヅ涓缮娴墓饫w光柵水聽器陣列的關(guān)鍵技術(shù)是在一根光纖上制作

2、數(shù)十到數(shù)百個(gè)不同波長的光纖光柵對(duì)，形成多個(gè)光學(xué)相干單元，這對(duì)光纖光柵的制作、過程監(jiān)控和信號(hào)處理均有極高要求和難度。針對(duì)光纖光柵水聽器陣列的實(shí)際應(yīng)用需求，課題從光纖光柵的基本理論出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于匹配干涉的光纖光柵水聽器陣列的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)該方案中的抗偏振衰落技術(shù)、串?dāng)_分析及抑制和降噪等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，試制了4個(gè)小型化的光纖光柵水聽器并組成了4基元超細(xì)光纖光柵水聽器陣列，研究了陣列的基本性能。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、裴槍?duì)光纖光柵

3、波長匹配難題，采用預(yù)拉力法對(duì)光纖光柵的波長進(jìn)行控制。對(duì)光纖光柵刻?hào)挪ㄩL匹配進(jìn)行理論分析，得到Corning單模光纖刻制光纖光柵的波長變化量與施加預(yù)應(yīng)力的關(guān)系為-1.35nm/N。綜合考慮載氫和退火影響，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵波長控制和匹配光柵的制作，為刻制光纖光柵水聽器陣列提供技術(shù)支撐，保證系統(tǒng)光學(xué)部分的正常運(yùn)行。同時(shí)，針對(duì)窄線寬光源與光纖光柵水聽器陣列的波長失配問題，采用波長匹配的高反射率保偏光纖光柵對(duì)光纖激光器的波長進(jìn)行選擇，并對(duì)保偏光纖光

4、柵在不同輸入光偏振態(tài)條件下的光譜特性進(jìn)行測試分析，得到光柵的反射率與輸入偏振光的方位角成高斯分布，并制作了波長匹配的低噪聲高相干的單縱模環(huán)形光纖激光器，其相對(duì)強(qiáng)度噪聲和相位噪聲分別為120dB Hz和115@1? dB Hz kHz，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
　?、瓶蛊袼ヂ涫枪饫w光柵水聽器陣列系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)相干檢測的一大難題。傳統(tǒng)的干涉型光纖水聽器普遍采用法拉第旋鏡的方法來抑制系統(tǒng)的偏振衰落，但是由于光纖光柵水聽器陣列系統(tǒng)特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，

5、該方法無法適用。因此，尋求一種簡單易行的適用于光纖光柵水聽器陣列系統(tǒng)的抗偏振衰落方法是其最終走向?qū)嶋H應(yīng)用必須解決的難題。針對(duì)匹配干涉的光纖光柵水聽器系統(tǒng)的偏振衰落問題，本文首先對(duì)干涉型光纖光柵水聽器系統(tǒng)各點(diǎn)處的偏振特性進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)干涉條紋可見度與引導(dǎo)光纖雙折射、匹配干涉儀雙折射和FBG-FP腔雙折射的關(guān)系。最后對(duì)適用于干涉型光纖光柵水聽器系統(tǒng)的抗偏振衰落方法進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中，脈沖偏振切換法不止可以消除偏振衰落，其結(jié)合

6、剝層算法還可以抑制串?dāng)_，尤其適用于時(shí)分復(fù)用的光纖光柵水聽器陣列系統(tǒng)。
　?、枪饫w光柵串之間多次反射的串?dāng)_是影響光纖光柵水聽器時(shí)分復(fù)用數(shù)目的關(guān)鍵。針對(duì)串?dāng)_問題，推導(dǎo)了不同復(fù)用數(shù)的光纖光柵傳感器陣列不同時(shí)刻的光強(qiáng)干涉公式，仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試了串?dāng)_大小和光柵反射率及系統(tǒng)復(fù)用數(shù)的關(guān)系。對(duì)各個(gè)傳感器初始相位隨機(jī)性導(dǎo)致的串?dāng)_信號(hào)的不穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為光纖光柵水聽器陣列的設(shè)計(jì)和向大規(guī)模方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)

7、。
　?、柔槍?duì)光纖光柵水聽器陣列小型化應(yīng)用需求，對(duì)芯軸型光纖光柵水聽器基元的傳感機(jī)理和封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。研制了直徑為18mm和12mm的兩種光纖光柵水聽器，其聲壓相位靈敏度分別為-149.0dB和-145.7dB，在2.5kHz以下的測試范圍內(nèi)，封裝基元的頻率響應(yīng)平坦，波動(dòng)小于±1dB。研制了內(nèi)徑7.4mm外徑10mm的光纖光柵水聽器，聲壓相位靈敏度為-149.4dB，波動(dòng)小于±0.6dB，系統(tǒng)等效噪聲聲壓譜級(jí)為47.4dB。