涂吉祥 黃俊斌 顧宏?duì)N 唐 波 毛 欣

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

光纖激光水聽(tīng)器解調(diào)干涉儀相位噪聲研究*

涂吉祥 黃俊斌 顧宏?duì)N 唐 波 毛 欣

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

為了減小外界因素對(duì)光纖激光水聽(tīng)器系統(tǒng)中邁克爾遜解調(diào)干涉儀的干擾,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了溫度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度與解調(diào)干涉儀相位噪聲之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明:日常溫度變化對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲影響可忽略不計(jì);振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度變化對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲影響明顯。減振器對(duì)抑制解調(diào)干涉儀相位噪聲有明顯效果,降低全頻段噪聲10dB以上,降低低頻段噪聲15dB以上,可提高光纖激光水聽(tīng)器系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)微弱信號(hào)的能力。

光纖激光水聽(tīng)器; 邁克爾遜干涉儀; 相位噪聲; 降噪

(Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Class Number TN253

1 引言

光纖水聽(tīng)器主要有兩種類型:干涉型光纖水聽(tīng)器和光纖激光水聽(tīng)器[1]。干涉型光纖水聽(tīng)器以干涉儀為水聲敏感部分,聲場(chǎng)作用在干涉儀光纖上,導(dǎo)致干涉相位發(fā)生變化,通過(guò)相位解調(diào)提取目標(biāo)聲信號(hào)[2]。光纖激光水聽(tīng)器以光纖激光器作為水聲敏感部分,聲場(chǎng)作用在光纖激光器諧振腔上,導(dǎo)致諧振腔長(zhǎng)度發(fā)生改變,干涉儀作為信號(hào)解調(diào)部分,將接收到的光信號(hào)進(jìn)行干涉,產(chǎn)生水聽(tīng)器干涉脈沖信號(hào),將聲場(chǎng)引起的光相位變化改變?yōu)楣鈴?qiáng)度變化,以便于光電轉(zhuǎn)換后通過(guò)信號(hào)解調(diào)提取目標(biāo)聲信號(hào)[3]。

光纖激光水聽(tīng)器是繼干涉型光纖水聽(tīng)器后發(fā)展起來(lái)的,尚未見(jiàn)到大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)道。目前對(duì)光纖干涉儀的噪聲研究也主要針對(duì)作為水聲敏感部件的測(cè)量干涉儀[4]:在前期主要通過(guò)探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化、封裝和物理隔離減振等方法降噪,其制造工藝復(fù)雜,成本較高[5];在后期主要利用各種補(bǔ)償算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使用上有一定的局限性[6]。而在目前已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中,對(duì)光纖激光水聽(tīng)器系統(tǒng)中解調(diào)干涉儀的降噪研究并不多見(jiàn)。因此本次實(shí)驗(yàn)使用邁克爾遜干涉儀作為信號(hào)解調(diào)部分,研究溫度和振動(dòng)對(duì)光纖激光水聽(tīng)器解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響,并采用物理減振方法降低解調(diào)干涉儀相位噪聲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:溫度對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲影響較小,可忽略不計(jì);振動(dòng)對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲影響很大,需抑制振動(dòng)噪聲。采用減振器可使光纖激光水聽(tīng)器解調(diào)干涉儀全頻段相位噪聲降低10dB以上,低頻段相位噪聲降低15dB以上,降低了水聽(tīng)器系統(tǒng)的本地噪聲,使系統(tǒng)能檢測(cè)到更微弱的目標(biāo)信號(hào)。

2 原理

光纖激光水聽(tīng)器傳感系統(tǒng)采用光纖激光水聽(tīng)器作為水聲敏感部件,以邁克爾遜干涉儀作為解調(diào)部件,主要光路原理如圖1所示。

圖1 水聽(tīng)器系統(tǒng)解調(diào)干涉儀原理圖

泵浦光源輸出波長(zhǎng)為980nm附近的泵浦光,經(jīng)過(guò)隔離器波分復(fù)用器進(jìn)入光纖激光水聽(tīng)器。目標(biāo)聲信號(hào)作用在光纖激光水聽(tīng)器上,改變水聽(tīng)器諧振腔長(zhǎng)度,使水聽(tīng)器輸出波長(zhǎng)在1550nm附近隨聲壓變化的光信號(hào)。光信號(hào)經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器和隔離器2進(jìn)入邁克爾遜干涉儀。

隔離器1用于隔離水聽(tīng)器諧振腔反射回的980nm泵浦激光以保護(hù)泵浦光源;隔離器2用于隔離邁克爾遜干涉儀反射回的1550nm激光,防止激光進(jìn)入光纖激光水聽(tīng)器諧振腔造成激光器功率不穩(wěn)甚至產(chǎn)生振蕩脈沖[8]。

3dB耦合器的輸出端口3和3×3耦合器的輸出端口8不使用,為了減少兩端口的反射光對(duì)系統(tǒng)的干擾,將兩端口處的光纖纏繞成很小的圓環(huán)以增大光的傳輸損耗,極大地減小兩端口的反射。

光信號(hào)通過(guò)3dB耦合器和3×3耦合器分成兩路進(jìn)入邁克爾遜干涉儀的兩條非平衡光纖臂。兩路光信號(hào)經(jīng)兩臂末端的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后,從2、5、6端口輸出,三路光信號(hào)進(jìn)行合束干涉。干涉后的光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器接收和數(shù)據(jù)采集卡采樣后,可采用基于3×3耦合器的干涉解調(diào)技術(shù),提取水聽(tīng)器所接收到的聲信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)方案

目前的研究已經(jīng)表明:溫度和振動(dòng)是影響整個(gè)光纖激光水聽(tīng)器傳感系統(tǒng)測(cè)量精度的重要因素[8]。但溫度和振動(dòng)對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響研究幾乎未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。因此,本論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度和振動(dòng)分別對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響。

3.1 溫度實(shí)驗(yàn)方案

解調(diào)干涉儀作為解調(diào)系統(tǒng)的一部分,一般位于光纖激光水聽(tīng)器系統(tǒng)的干端部分,干端一般固定在船體等水面平臺(tái)上[9],溫度變化較大,因此研究溫度對(duì)干涉儀相位噪聲的影響是有必要的。

實(shí)驗(yàn)采用上海博訊實(shí)業(yè)有限公司制造的GZX-9076型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱作為加熱箱,將干涉儀放入加熱箱中央,用等長(zhǎng)的跳線將干涉儀的三個(gè)出光端口和一個(gè)進(jìn)光端口與探測(cè)采集系統(tǒng)相連,加熱箱箱門(mén)與箱體之間采用橡膠條密封,因此跳線可以從箱門(mén)與箱體中間穿過(guò)而不受損,同時(shí)也不影響其密封性能。為了使干涉儀受熱均勻,不封裝干涉儀,并放置在柵格形塑料架上,如圖2所示。

將干涉儀放入加熱箱中,啟動(dòng)加熱箱,設(shè)置目標(biāo)溫度T=12℃,當(dāng)箱內(nèi)溫度達(dá)到12℃并穩(wěn)定后,關(guān)閉加熱裝置,迅速讀取、存儲(chǔ)相位噪聲原始數(shù)據(jù)。因?yàn)榧訜嵯涿芊庑暂^好,溫度短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變,關(guān)閉加熱箱是為了減小內(nèi)部風(fēng)扇等部件運(yùn)行時(shí)的噪聲對(duì)干涉儀的干擾。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成功后,調(diào)節(jié)T=16℃,重復(fù)以上步驟。溫度區(qū)間為12℃≤T≤52℃,ΔT=4℃,ΔT為溫度間隔。實(shí)驗(yàn)完畢后解調(diào)、讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理、分析。

圖2 溫度實(shí)驗(yàn)方案

3.2 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案

為了研究振動(dòng)對(duì)干涉儀相位噪聲的影響,實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。

使用TFG6930A型信號(hào)發(fā)生器提供正弦波信號(hào),與7101型功率放大器和隨機(jī)振動(dòng)控制器相連,將正弦波信號(hào)輸入到2202型永磁振動(dòng)臺(tái),通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器頻率與功率放大器增益來(lái)控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率和幅度。將解調(diào)干涉儀封裝后,將封裝外殼底部與振動(dòng)臺(tái)固定,將標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)用502膠粘連在封裝外殼上,標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)與一臺(tái)3114型電荷放大器相連,輸出信號(hào)幅度通過(guò)一臺(tái)TDS2024型示波器讀取。實(shí)驗(yàn)方案實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 振動(dòng)試驗(yàn)原理

圖4 實(shí)驗(yàn)方案圖

保持信號(hào)發(fā)生器輸出頻率f=f1不變,調(diào)節(jié)功率放大器增益,根據(jù)示波器讀數(shù)記錄加速度a與相位噪聲的大小。調(diào)整信號(hào)發(fā)生器f=f2并保持不變,同上可得到f2頻率下加速度a與相位噪聲的大小,重復(fù)以上步驟,即可得到不同頻率f下加速度a與相位噪聲的關(guān)系。

4 結(jié)果分析

4.1 溫度影響

根據(jù)3.1節(jié)溫度實(shí)驗(yàn)方案,可以得到溫度與相位噪聲的關(guān)系,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成折線圖,結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫度與相位噪聲的關(guān)系

由圖5可以看出,溫度在12℃～52℃之間變化時(shí),各頻點(diǎn)相位噪聲在2dB范圍內(nèi)波動(dòng)。可以看出,溫度對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響很小,可以忽略不計(jì)。因此無(wú)需對(duì)解調(diào)干涉儀進(jìn)行關(guān)于溫度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 振動(dòng)影響

由2.2振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案可以得到不同頻率f下干涉儀相位噪聲與加速度a之間的關(guān)系。將振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率為20Hz、50Hz、100Hz的實(shí)驗(yàn)結(jié)果制成折線圖如圖6所示。

圖6 加速度與相位噪聲的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,各頻點(diǎn)的相位噪聲隨著加速度的增大而增大。f=20Hz時(shí),在500Hz以下的頻點(diǎn),加速度由0增長(zhǎng)到40m/s2時(shí),相位噪聲增加了約40dB,但在高頻段的相位噪聲增加比低頻段的相位噪聲增長(zhǎng)緩慢。因此,在工程應(yīng)用中,需抑制解調(diào)干涉儀振動(dòng)噪聲。

圖7為干涉儀加速度為20m/s2時(shí)振動(dòng)臺(tái)頻率與干涉儀相位噪聲的關(guān)系。

圖7 a=20m/s2時(shí)頻率f與相位噪聲的關(guān)系

相同大小加速度下,100Hz以下頻點(diǎn)的相位噪聲隨著振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率f增大而增大;100Hz～500Hz之間頻點(diǎn)的相位噪聲隨著振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率f增大而減小;500Hz以上頻點(diǎn)的相位噪聲幾乎不隨著振動(dòng)臺(tái)頻率變化而變化。由此可知,解調(diào)干涉儀對(duì)頻率在100Hz附近的振動(dòng)噪聲最敏感。因此在工程應(yīng)用中要特別針對(duì)100Hz及以下頻段振動(dòng)噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3 減振方案

圖8 減振器簡(jiǎn)化模型

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,低頻振動(dòng)對(duì)解調(diào)干涉儀的相位噪聲有很大的影響,因此需使用減振器減小振動(dòng)特別是低頻振動(dòng)對(duì)解調(diào)干涉儀的干擾。

實(shí)驗(yàn)中減振器的簡(jiǎn)化模型[10]如圖8所示,以減振器靜止時(shí)位置為原點(diǎn),建立減振器系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程:

(1)

傳遞函數(shù)為

(2)

則減振量為

(3)

其中M是負(fù)載質(zhì)量,K和C分別是剛度和阻尼,X和Y分別是減振器上下板的位移,X(s)和Y(s)分別是X、Y的拉普拉斯變換。

由4.2中實(shí)驗(yàn)已知解調(diào)干涉儀對(duì)外界頻率在100Hz附近的振動(dòng)噪聲最為敏感。為了確定減振器的減振效果,調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率f=100Hz,調(diào)節(jié)功率放大器增益,使a=20m/s2,在相同的噪聲環(huán)境下,分別測(cè)量使用減振器前后的相位噪聲大小。通過(guò)對(duì)比相同頻點(diǎn)的相位噪聲大小,即可計(jì)算出減振器的減振效果。

圖9 使用減振器前后的相位噪聲對(duì)比

由圖9可以看出,不使用減振器時(shí),0.5K頻點(diǎn)處相位噪聲為-52dB,1kHz頻點(diǎn)處相位噪聲為-57dB,2kHz頻點(diǎn)處相位噪聲為-64dB,頻點(diǎn)3kHz～8kHz之間的相位噪聲在-72dB～-64dB之間,受振動(dòng)影響很大;使用減振器后,0.5K頻點(diǎn)處相位噪聲為-72dB,1kHz頻點(diǎn)處相位噪聲為-72dB,2kHz頻點(diǎn)處相位噪聲為-84dB,頻點(diǎn)3kHz～8kHz之間的相位噪聲在-96dB～-84dB之間。對(duì)比使用減振器前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,減振器有降低解調(diào)干涉儀相位噪聲的效果。在1kHz以下的低頻段,可降低噪聲15dB以上;在1kHz以上頻段,可降低相位噪聲10dB以上滿足工程應(yīng)用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明:在工程應(yīng)用中,日常溫度對(duì)光纖激光水聽(tīng)器解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響很小,可以忽略不計(jì);外界振動(dòng)對(duì)解調(diào)干涉儀相位噪聲干擾較大,影響解調(diào)效果。使用減振器能降低全頻段噪聲10dB以上,降低低頻段噪聲15dB以上,能使水聽(tīng)器系統(tǒng)在更遠(yuǎn)距離精確地探測(cè)目標(biāo)的微弱信號(hào)。

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Phase Noise of Fiber Laser Hydrophone Demodulation Interferometer

TU Jixiang HUANG Junbin GU Hongcan TANG Bo MAO Xin

In order to reduce the environmental interference on Michelson demodulation interferometer of the fiber laser hydrophone system, the experiments research on the relationship between temperature, vibration frequency and vibration amplitude with the phase noise of the demodulation interferometer. The experimental results show that the impact of daily temperature changes on demodulation interferometer is negligible, the impact of vibration frequency and vibration acceleration changes cannot be ignored.The vibration isolator has a significant effect on suppressing phase noise of demodulation interferometer. It reduces more than 10dB full-band phase noise and 15dB low-frequency phase noise,and improves the detection capability of weak signal.

fiber laser hydrophone, Michelson interferometer, phase noise, noise reduction

2016年6月6日,

2016年7月27日

涂吉祥,男,碩士研究生,研究方向:光纖傳感技術(shù)。

TN253

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.037