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光纖激光水聽器系統(tǒng)中邁克爾遜解調(diào)干涉儀的干擾,通過實(shí)驗(yàn)研究了溫度、振動頻率、振動幅度與解調(diào)干涉儀相位噪聲之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明:日常溫度變化對解調(diào)干涉儀相位噪聲影響可忽略不計(jì);振動頻率和振動幅度變化對解調(diào)干涉儀相位噪聲影響明顯。減振器對抑制解調(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器系統(tǒng)探測目標(biāo)微弱信號的能力。

光纖激光水聽器; 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

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

光纖激光水聽器是繼干涉型光纖水聽器后發(fā)展起來的,尚未見到大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)道。目前對光纖干涉儀的噪聲研究也主要針對作為水聲敏感部件的測量干涉儀[4]:在前期主要通過探頭結(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]。而在目前已公開發(fā)表的文獻(xiàn)中,對光纖激光水聽器系統(tǒng)中解調(diào)干涉儀的降噪研究并不多見。因此本次實(shí)驗(yàn)使用邁克爾遜干涉儀作為信號解調(diào)部分,研究溫度和振動對光纖激光水聽器解調(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:溫度對解調(diào)干涉儀相位噪聲影響較小,可忽略不計(jì);振動對解調(diào)干涉儀相位噪聲影響很大,需抑制振動噪聲。采用減振器可使光纖激光水聽器解調(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,降低了水聽器系統(tǒng)的本地噪聲,使系統(tǒng)能檢測到更微弱的目標(biāo)信號。

2 原理

光纖激光水聽器傳感系統(tǒng)采用光纖激光水聽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 水聽器系統(tǒng)解調(diào)干涉儀原理圖

泵浦光源輸出波長為980nm附近的泵浦光,經(jīng)過隔離器波分復(fù)用器進(jìn)入光纖激光水聽器。目標(biāo)聲信號作用在光纖激光水聽器上,改變水聽器諧振腔長度,使水聽器輸出波長在1550nm附近隨聲壓變化的光信號。光信號經(jīng)過波分復(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。

光信號通過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,三路光信號進(jìn)行合束干涉。干涉后的光信號經(jīng)探測器接收和數(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),提取水聽器所接收到的聲信號。

3 實(shí)驗(yàn)方案

目前的研究已經(jīng)表明:溫度和振動是影響整個(gè)光纖激光水聽器傳感系統(tǒng)測量精度的重要因素[8]。但溫度和振動對解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響研究幾乎未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此,本論文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度和振動分別對解調(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器系統(tǒng)的干端部分,干端一般固定在船體等水面平臺上[9],溫度變化較大,因此研究溫度對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)光端口與探測采集系統(tǒng)相連,加熱箱箱門與箱體之間采用橡膠條密封,因此跳線可以從箱門與箱體中間穿過而不受損,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)的噪聲對干涉儀的干擾。數(shù)據(jù)存儲成功后,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 振動實(shí)驗(yàn)方案

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

使用TFG6930A型信號發(fā)生器提供正弦波信號,與7101型功率放大器和隨機(jī)振動控制器相連,將正弦波信號輸入到2202型永磁振動臺,通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率與功率放大器增益來控制振動臺的振動頻率和幅度。將解調(diào)干涉儀封裝后,將封裝外殼底部與振動臺固定,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3114型電荷放大器相連,輸出信號幅度通過一臺TDS2024型示波器讀取。實(shí)驗(yàn)方案實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 振動試驗(yàn)原理

圖4 實(shí)驗(yàn)方案圖

保持信號發(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?？梢钥闯?溫度對解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響很小,可以忽略不計(jì)。因此無需對解調(diào)干涉儀進(jìn)行關(guān)于溫度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 振動影響

由2.2振動實(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。將振動臺振動頻率為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緩慢。因此,在工程應(yīng)用中,需抑制解調(diào)干涉儀振動噪聲。

圖7為干涉儀加速度為20m/s2時(shí)振動臺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臺振動頻率f增大而增大;100Hz～500Hz之間頻點(diǎn)的相位噪聲隨著振動臺振動頻率f增大而減小;500Hz以上頻點(diǎn)的相位噪聲幾乎不隨著振動臺頻率變化而變化。由此可知,解調(diào)干涉儀對頻率在100Hz附近的振動噪聲最敏感。因此在工程應(yīng)用中要特別針對100Hz及以下頻段振動噪聲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3 減振方案

圖8 減振器簡化模型

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,低頻振動對解調(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特別是低頻振動對解調(diào)干涉儀的干擾。

實(shí)驗(yàn)中減振器的簡化模型[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)干涉儀對外界頻率在100Hz附近的振動噪聲最為敏感。為了確定減振器的減振效果,調(diào)節(jié)信號發(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,分別測量使用減振器前后的相位噪聲大小。通過對比相同頻點(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

通過實(shí)驗(yàn)研究表明:在工程應(yīng)用中,日常溫度對光纖激光水聽器解調(diào)干涉儀相位噪聲的影響很小,可以忽略不計(jì);外界振動對解調(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,能使水聽器系統(tǒng)在更遠(yuǎn)距離精確地探測目標(biāo)的微弱信號。

[1] 李日忠.DFB光纖激光器水聽器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

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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