四階聲低通濾波光纖水聽(tīng)器的聲壓靈敏度頻響特性

報(bào)道了一種含側(cè)腔的機(jī)械抗混疊聲低通濾波光纖水聽(tīng)器.基于電-聲類比理論建立了該光纖水聽(tīng)器的低頻集中參量模型,畫(huà)出了聲學(xué)等效電路圖,利用電路分析方法給出了聲壓傳遞函數(shù)表達(dá)式,并對(duì)其聲學(xué)特性進(jìn)行了理論分析.研究表明,該光纖水聽(tīng)器具有三個(gè)共振頻率,由于側(cè)腔的引入使得傳遞函數(shù)出現(xiàn)了一個(gè)零點(diǎn),從而加快了第二個(gè)共振頻率之后的衰減速度,可以獲得更好的高頻整體衰減特性.在充水駐波罐中對(duì)自行設(shè)計(jì)并制作的含側(cè)腔的聲低通濾波光纖水聽(tīng)器進(jìn)行了測(cè)試.在50—7000hz頻段上,該光纖水聽(tīng)器的聲壓靈敏度頻響曲線與理論結(jié)果具有大致相同的變化形式,低頻響應(yīng)非常符合,聲壓靈敏度約為-140db(0db=1rad/μpa),受低頻模型精度的限制,高頻響應(yīng)差異較大.這為解決光纖水聽(tīng)器的高頻混疊問(wèn)題提供了一條簡(jiǎn)單可行的技術(shù)途徑.

報(bào)道了一種新穎的具有抗混疊功能的無(wú)源零差邁克耳孫型光纖水聽(tīng)器。它由一個(gè)普通的芯軸型光纖水聽(tīng)器和一個(gè)圓柱型亥姆霍茲共振器構(gòu)成。在駐波罐中對(duì)其聲壓相位靈敏度頻響進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明該光纖水聽(tīng)器具有較好的聲低通濾波特性,能有效地抑制聲信號(hào)中的高頻成分,從而實(shí)現(xiàn)抗混疊濾波。該光纖水聽(tīng)器的低頻聲壓相位靈敏度主要由傳感光纖長(zhǎng)度和彈性增敏層的物理特性決定,約為-159db(0db=1rad/μpa)。在1150hz附近出現(xiàn)了一個(gè)共振峰,這主要由圓柱型亥姆霍茲共振器的聲學(xué)特性決定。1150~2280hz頻段內(nèi)的靈敏度衰減率約為50db/倍頻程,1500hz以后的靈敏度衰減量大于10db。這對(duì)于提高我國(guó)未來(lái)聲納系統(tǒng)的抗干擾能力具有十分重要的意義。

光纖水聽(tīng)器探頭是光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分析了直桿式光纖水聽(tīng)器探頭的靜力靈敏度,基于薄板小撓度彎曲理論導(dǎo)出了其靜力靈敏度計(jì)算的解析公式,討論了光纖水聽(tīng)器探頭靈敏度的影響因素,并且利用ansys進(jìn)行了模擬分析,數(shù)值解與解析解比較吻合。

從布拉格光柵方程出發(fā),理論上分析了在溫度、應(yīng)變雙參量同時(shí)測(cè)量時(shí),考慮溫度-應(yīng)變交叉靈敏度、二階應(yīng)變靈敏度和二階溫度靈敏度情況下,溫度和應(yīng)變測(cè)量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度和應(yīng)變的誤差計(jì)算,得出3個(gè)二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對(duì)測(cè)量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時(shí)給出了波長(zhǎng)的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí),溫度變化和應(yīng)變的范圍.

光纖水聽(tīng)器(foh)探頭技術(shù)是foh系統(tǒng)的基礎(chǔ),探頭的動(dòng)力特性直接影響水聽(tīng)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的幅頻特性、響應(yīng)范圍和帶寬。分析了直桿式foh探頭的自由振動(dòng)特性,用rayleigh法導(dǎo)出了其基頻計(jì)算的理論公式,全面地分析了foh探頭基頻的影響因素,并利用ansys對(duì)其前幾階固有頻率和模態(tài)進(jìn)行了模擬分析?；l的數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果比較吻合,最大偏差為5.05%?；l理論計(jì)算公式對(duì)水聽(tīng)器探頭的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

光纖水聽(tīng)器探頭是光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分析了直桿式光纖水聽(tīng)器探頭的自由振動(dòng)特性,用rayleigh法導(dǎo)出了其基頻計(jì)算的理論公式,討論了光纖水聽(tīng)器探頭基頻的影響因素,并且利用ansys對(duì)其前幾階固有頻率和模態(tài)進(jìn)行了模擬分析,數(shù)值結(jié)果與解析解比較吻合。

本文對(duì)光纖水聽(tīng)器時(shí)分多路復(fù)用陣列系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理等進(jìn)行了介紹分析,并提出了各項(xiàng)參數(shù)的選擇方法和實(shí)踐中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

通過(guò)改進(jìn)光纖定向耦合器的結(jié)構(gòu),可以顯著提高光纖速度干涉儀的靈敏度。該文從熔融拉錐型光纖定向耦合器的數(shù)學(xué)模型出發(fā)進(jìn)行研究,詳細(xì)分析了2×2和3×3型光纖定向耦合器在全光纖速度干涉儀(afvisar)中的具體作用,并對(duì)此兩種結(jié)構(gòu)的光纖速度干涉儀的性能(主要是靈敏度)的優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比分析,表現(xiàn)出3×3型光纖定向耦合器構(gòu)成的兩端探測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性。最后提出采用n×n型光纖定向耦合器可能帶來(lái)的光纖速度干涉儀性能的提高和適用局限性。

為達(dá)到虛擬檢測(cè)光纖水聽(tīng)器信號(hào)的軟件程序設(shè)計(jì)的目的,采用其輸出信號(hào)特點(diǎn),依據(jù)非ni采集卡特性,對(duì)3×3耦合解調(diào)原理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和比較,做了干涉型光纖水聽(tīng)器itt虛擬檢測(cè)方案,通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)開(kāi)發(fā)基于lab-view的數(shù)據(jù)采集程序,編寫數(shù)據(jù)處理和顯示程序,開(kāi)發(fā)光纖水聽(tīng)器3×3耦合器零差解調(diào)法虛擬檢測(cè)系統(tǒng)。得到該虛擬檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的幅值適應(yīng)性和低頻特性的結(jié)論。

當(dāng)前,光纖水聽(tīng)器陣列的多路復(fù)用技術(shù)已成為研究的重要課題之一,而時(shí)分復(fù)用(tdm)技術(shù)被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單有效的方案。本文詳細(xì)介紹了8路光纖水聽(tīng)器高速時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。分析比較了梯形式及平行式兩種光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),并得出最佳光路方案。選擇ti公司生產(chǎn)的tms320f206芯片作為系統(tǒng)控制核心,采用ad公司新出的采樣頻率達(dá)1m的16位ad7677作為a/d轉(zhuǎn)換器,設(shè)計(jì)出8路光纖水聽(tīng)器高速時(shí)分復(fù)用系統(tǒng),測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)通道間串?dāng)_在-30db左右。對(duì)水聽(tīng)器陣列時(shí)分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值和借鑒意義。

為了研究鍍ni光纖布拉格光柵(fbg)的溫度靈敏度,根據(jù)鍍nifbg的特點(diǎn),分析了鍍nifbg溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變,從理論上推導(dǎo)出鍍nifbg的溫度靈敏度公式并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,用理論證明了鍍nifbg的波長(zhǎng)漂移、應(yīng)力和應(yīng)變與溫度變化成線性關(guān)系,分析了鍍nifbg的溫度靈敏度與鍍層厚度的關(guān)系。用an-sys軟件對(duì)鍍nifbg在溫度變化時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真。理論分析得到鍍層厚度為4.56μm的鍍nifbg的溫度靈敏度為14.3306pm/℃,實(shí)驗(yàn)值為14.113pm/℃。理論、實(shí)驗(yàn)和仿真得到了一致的結(jié)果。

在光纖水聽(tīng)器時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中,需要設(shè)計(jì)高增益,大帶寬的信號(hào)檢測(cè)電路。為了減小系統(tǒng)的噪聲同時(shí)抑制通道間串?dāng)_,必須選擇合適的電路帶寬。本文分析了待檢測(cè)信號(hào)帶寬與脈沖形狀的關(guān)系,以及電路串?dāng)_率與電路帶寬、脈沖寬度、通道間延時(shí)的關(guān)系,給出了電路串?dāng)_率的解析表達(dá)式,得到了電路串?dāng)_帶來(lái)的解調(diào)信號(hào)誤差的表達(dá)式,分析表明電路串?dāng)_導(dǎo)致的解調(diào)信號(hào)誤差的幅度與電路串?dāng)_率成正比,與前一通道施加的聲信號(hào)的幅度的貝塞爾函數(shù)成正比,最后給出了與理論分析相符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

介紹了法布里-珀羅干涉型光纖水聽(tīng)器的工作原理,指出了工作點(diǎn)的選擇依據(jù)及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。繪制了理想情況下光纖法布里-珀羅干涉的諧振曲線。用光彈學(xué)理論分析了光纖的應(yīng)力雙折射問(wèn)題和諧振腔內(nèi)模式分裂問(wèn)題。用模式分裂的原理解釋了水聽(tīng)器的諧振曲線畸變現(xiàn)象,提出了描述諧振曲線畸變的數(shù)學(xué)公式,用mathcad軟件仿真了模式分裂后水聽(tīng)器的干涉過(guò)程并繪制了理論曲線。用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量并記錄了模式簡(jiǎn)并及分裂條件下各種諧振曲線的形狀,通過(guò)實(shí)驗(yàn)照片與仿真曲線進(jìn)行對(duì)比,理論仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合,這說(shuō)明用光纖模式分裂理論解釋諧振曲線畸變現(xiàn)象是可行的。

研究了一種新型、全光纖、寬帶可調(diào)諧環(huán)形腔摻鉺光纖激光器。該激光器利用由單模-多模-單模光纖組成的濾波器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧及激光器的全光纖結(jié)構(gòu)。該濾波器將多模光纖纏繞在偏振控制器上,兩端分別與一段單模光纖相連,通過(guò)調(diào)整偏振控制器的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)1542～1560nm的不同激光輸出。單波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)可調(diào)范圍為18nm,邊模抑制比大于40db,3db線寬為0.096nm;進(jìn)一步調(diào)整偏振控制器的狀態(tài)和抽運(yùn)功率,實(shí)驗(yàn)同時(shí)得到了連續(xù)可調(diào)諧的雙波長(zhǎng)、三波長(zhǎng)等多波長(zhǎng)激光輸出。對(duì)于可調(diào)諧的多波長(zhǎng)激光器,通過(guò)調(diào)整偏振控制器的狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)間隔及輸出中心波長(zhǎng)兩者可調(diào)。

設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)械感生長(zhǎng)周期光纖光柵(mi-lpg)的雙邊緣濾波光纖布拉格光柵(fbg)傳感解調(diào)方案。采用不同寫制參數(shù)制作了諧振邊帶對(duì)稱交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個(gè)mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號(hào)通過(guò)不同光譜特性的濾波器時(shí)輸出不同光強(qiáng)的比值對(duì)數(shù)算法確定被測(cè)波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明,本解調(diào)方法能夠精確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)fbg傳感信號(hào)的解調(diào),動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5nm,解調(diào)系統(tǒng)線性擬合計(jì)算值和光譜儀所測(cè)波長(zhǎng)值的均方差為6pm,線性度好,精度高。

利用密集波分復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)相結(jié)合的大規(guī)模陣列結(jié)構(gòu),以machzehnder干涉型光纖水聽(tīng)器為例,分析了采用相位產(chǎn)生載波技術(shù)的頻分多路復(fù)用,提出了密集波分復(fù)用技術(shù)在干涉型光纖水聽(tīng)器陣列應(yīng)用的新方法,給出了復(fù)用體系結(jié)構(gòu),并分析了其在工程上可行性.

針對(duì)分布反饋式(dfb)光纖激光器用于水聲探測(cè)時(shí)頻響曲線起伏較大的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種開(kāi)孔套管式封裝結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)dfb激光器的封裝,使其張緊后被聚氨酯固定于開(kāi)孔套筒的中心軸線上,利用開(kāi)孔套管的保護(hù)作用以及施加于光纖激光器兩端的拉力來(lái)抑制水聲探測(cè)過(guò)程中頻響曲線的起伏?；谟邢拊浖nsys對(duì)封裝結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算,然后加工制作了開(kāi)孔套管結(jié)構(gòu)封裝的dfb光纖激光水聽(tīng)器原型樣品,并利用振動(dòng)液柱法進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示,dfb光纖激光水聽(tīng)器在20～800hz的聲壓靈敏度達(dá)到-131db左右,靈敏度起伏不高于±1.5db,表明通過(guò)該封裝結(jié)構(gòu)的保護(hù)及聚氨酯的張緊作用,有效抑制了頻響曲線的起伏,改善了dfb光纖激光水聽(tīng)器的水聲探測(cè)性能。

可調(diào)諧光纖濾波器技術(shù)是波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,對(duì)于發(fā)展全光通信網(wǎng)絡(luò)和光纖傳感具有極其重要的意義。提出了一種基于大芯徑的多模光纖可調(diào)諧帶阻濾波器,其制作方法是將包層/纖芯直徑為125/105μm的特種多模光纖通過(guò)單模光纖接入光纖系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單模-多模-單模(sms)光纖結(jié)構(gòu),并使一端單模光纖與多模光纖熔接,另一端只是共軸對(duì)接而不焊接。在多模干涉原理的基礎(chǔ)上,利用該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)變的敏感性實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光濾波。該可調(diào)諧濾波器的調(diào)制和解調(diào)借助于放大自發(fā)輻射(ase)寬譜光源和光譜分析儀(osa)實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)給出了該濾波器的理論仿真分析,并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方案的有效性。

基于失配光纖耦合器的波長(zhǎng)特性,從理論上詳細(xì)分析了兩芯間隔d,兩芯之間的失配度δβ及耦合區(qū)長(zhǎng)度z對(duì)其光譜特性的影響。結(jié)果表明,當(dāng)δβ和d較小時(shí)光纖耦合器可以成為梳狀濾波器。δβ主要影響梳狀濾波器的消光比,z和d在兩芯子匹配的情況下主要影響峰值波長(zhǎng)位置和間隔。通過(guò)將一根兩芯間隔d=12μm的單模雙芯光纖(tcf)的一個(gè)芯子熔接在兩根單模光纖(smf)之間,實(shí)驗(yàn)制得基于雙芯光纖耦合器的全光纖型梳狀濾波器,其消光比可達(dá)25db,插入損耗為3.1db。通過(guò)使用不同長(zhǎng)度的tcf獲得了不同的峰值波長(zhǎng)間隔,并使用波長(zhǎng)為248nm的紫外光對(duì)其峰值波長(zhǎng)和消光比進(jìn)行了調(diào)節(jié)。

tdk（日本東京電氣化學(xué)工業(yè)公司）株式會(huì)社近日宣布研發(fā)出了世界上最小共模濾波器，該濾波器的三圍只有0．45mm×0．30mm×0．23mm這比現(xiàn)有0806過(guò)濾器（國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）的小了超過(guò)75％。

基于分布反饋光纖激光技術(shù)的水聲傳感器以高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍、易于組成陣列、重量輕、體積小等優(yōu)勢(shì)引起了廣泛關(guān)注并在國(guó)防領(lǐng)域及其他領(lǐng)域開(kāi)始獲得應(yīng)用。本文介紹了這種傳感器的工作原理,在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、陣列組成等方面的研究進(jìn)展以及它所獲得的應(yīng)用。

本文研究了一種新的帶有溫度補(bǔ)償功能的光纖布拉格光柵水聽(tīng)器封裝。這種水聽(tīng)器的傳感機(jī)制在于將水下聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為圓形薄板的軸向彈性振動(dòng),通過(guò)彈光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光纖光柵中心波長(zhǎng)的瞬時(shí)改變,從而對(duì)經(jīng)過(guò)光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)的反射光信號(hào)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。對(duì)2.5～12khz水聲頻率范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種水聽(tīng)器的靈敏度可達(dá)到-185dbre1v/μpa,最小可探測(cè)聲壓在5khz約為900μpa/hz~(1/2)。