基于匹配干涉的光纖光柵水聽器陣列關鍵技術研究.pdf

1、隨著水聲對抗技術的發(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光柵水聽器陣列結合了光纖光柵技術小型化、高可靠性、低成本的優(yōu)點以及相干檢測靈敏度高的優(yōu)點，逐漸成為大規(guī)模光纖水聽器陣列的主要技術方案。該技術的突破將為進一步提高拖曳陣、岸基陣和舷側陣等聲納系統(tǒng)的陣列規(guī)模和可靠性奠定基礎，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鍵技術是在一根光纖上制作

2、數十到數百個不同波長的光纖光柵對，形成多個光學相干單元，這對光纖光柵的制作、過程監(jiān)控和信號處理均有極高要求和難度。針對光纖光柵水聽器陣列的實際應用需求，課題從光纖光柵的基本理論出發(fā)，設計了基于匹配干涉的光纖光柵水聽器陣列的系統(tǒng)結構，對該方案中的抗偏振衰落技術、串擾分析及抑制和降噪等關鍵技術進行了分析，試制了4個小型化的光纖光柵水聽器并組成了4基元超細光纖光柵水聽器陣列，研究了陣列的基本性能。本研究主要內容包括：
　?、裴槍饫w光柵

3、波長匹配難題，采用預拉力法對光纖光柵的波長進行控制。對光纖光柵刻柵波長匹配進行理論分析，得到Corning單模光纖刻制光纖光柵的波長變化量與施加預應力的關系為-1.35nm/N。綜合考慮載氫和退火影響，實現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支撐，保證系統(tǒng)光學部分的正常運行。同時，針對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光纖激光器的波長進行選擇，并對保偏光纖光

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，其相對強度噪聲和相位噪聲分別為120dB Hz和115@1? dB Hz kHz，滿足實際應用要求。
　　⑵抗偏振衰落是光纖光柵水聽器陣列系統(tǒng)中實現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)特殊的光學結構，

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實際應用必須解決的難題。針對匹配干涉的光纖光柵水聽器系統(tǒng)的偏振衰落問題，本文首先對干涉型光纖光柵水聽器系統(tǒng)各點處的偏振特性進行分析，得到系統(tǒng)干涉條紋可見度與引導光纖雙折射、匹配干涉儀雙折射和FBG-FP腔雙折射的關系。最后對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行了理論分析和實驗驗證。其中，脈沖偏振切換法不止可以消除偏振衰落，其結合

6、剝層算法還可以抑制串擾，尤其適用于時分復用的光纖光柵水聽器陣列系統(tǒng)。
　　⑶光纖光柵串之間多次反射的串擾是影響光纖光柵水聽器時分復用數目的關鍵。針對串擾問題，推導了不同復用數的光纖光柵傳感器陣列不同時刻的光強干涉公式，仿真計算和實驗測試了串擾大小和光柵反射率及系統(tǒng)復用數的關系。對各個傳感器初始相位隨機性導致的串擾信號的不穩(wěn)定性進行分析，并采用統(tǒng)計學方法進行了理論分析和實驗驗證，為光纖光柵水聽器陣列的設計和向大規(guī)模方向發(fā)展奠定了基礎

7、。
　　⑷針對光纖光柵水聽器陣列小型化應用需求，對芯軸型光纖光柵水聽器基元的傳感機理和封裝結構進行設計分析。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，封裝基元的頻率響應平坦，波動小于±1dB。研制了內徑7.4mm外徑10mm的光纖光柵水聽器，聲壓相位靈敏度為-149.4dB，波動小于±0.6dB，系統(tǒng)等效噪聲聲壓譜級為47.4dB。