光纤激光水听器的PGC实时全数字解调系统

概述了基于麦克尔逊干涉仪的光纤激光水听器的相位载波零差法(PGC)调制解调原理,通过数学推导及仿真,分析了调制信号和混频信号的频差是导致全数字化解调结果错误的主要因素之一。针对该诱导因素提供了可行的解决方案,并实现了基于DSP的1 MHz采样频率下使用PGC方法的全数字实时解调系统。对低频水声波段800Hz水声信号进行解调,实验结果表明:解调信号波形良好。

夹层式光纤激光水听器探头优化设计

为改善分布反馈式(DFB)光纤激光器水声探测性能,利用有限元软件ANSYS,以相对加速度灵敏度为目标函数,结构尺寸参数为设计变量,结构第一阶固有频率和探头声压灵敏度为状态变量,对夹层式封装结构进行了优化设计,对其声压探测及抗加速度机理进行了分析。分析表明,基于优化结果设计的探头在采用100m非平衡干涉仪时,其声压灵敏度约为-135.1dB,相对加速度灵敏度可达到-19.6dB。结果表明,基于封装结构敏感部分分别承受声压激励和加速度激励时的不同响应机理,对夹层式封装结构关键部位尺寸进行优化设计后,通过合理选择承压梁与中间变形梁的厚度以及上下连接点的位置,封装制得的光纤激光水听器具有较高的声压灵敏度和良好的抗加速度性能。

一种响应平坦的宽带高灵敏度分布反馈光纤激光水听器

采用聚氨酯材料制作的梭形结构对分布反馈(DFB)光纤激光器进行封装,在驻波管校准声场对其进行测试,由OPD4000相位解调仪精确测量光纤激光水听器的相移量。通过测试和数据分析,得到1 kHz处DFB光纤激光水听器的相位-声压灵敏度为-122.6 dB re rad/μPa,相当于3.8 nm/MPa;在10 Hz～10 kHz整个频段内频响曲线非常平坦,波动小于±9 dB,并且信噪比与标准压电水听器相当。

封装对超细型DFB光纤激光水听器性能的影响(特邀)

对超细型DFB光纤激光水听器探头封装进行了研究。通过有限元方法建立了封装结构理论模型,探讨了影响超细型光纤激光水听器频率响应与灵敏度起伏之间的因素,在灵敏度、频响一致性等指标间找到了平衡点。最后,制作了光纤激光水听器,直径6 mm,长度55 mm,灵敏度-130 d B,100 Hz^2 k Hz灵敏度响应起伏4 d B,通过测试验证了理论分析和仿真的符合性。

分布反馈光纤激光水听器相位一致性的测试方法

在传统压电水听器相位一致性测试的基础上提出了分布反馈(DFB)光纤激光水听器相位一致性的测试方法,并搭建了测试系统。采用偏振无关的非平衡迈克尔逊干涉仪和归一化的相位载波(PGC)解调方案,解调出光纤激光水听器感受的水声信号,并与参考压电水听器作对比,使用高精度相位检测器将两信号转化为相位差信号;重复测量第二支光纤激光水听器;将两个相位差值作比较即可得到光纤激光水听器的相位一致性。实验证明了测试系统的稳定性;同时对光纤激光水听器的相位一致性进行了测试和分析,证明了光纤激光水听器具有很高的相位一致性。

泵浦激光器驰豫振荡噪声对光纤激光水听器的影响

对采用相位生成载波解调的光纤激光水听器系统中3kHz附近频域内固有噪声的产生机理进行了理论推导,并设计实验进行验证.首先测量得到泵浦激光器的驰豫振荡频率峰值,随后以400 Hz为间隔逐渐降低相位生成载波信号频率,观察固有噪声峰值的移动方向和大小.实验结果表明,随着载波信号频率的降低,固有噪声峰也向低频方向移动,移动间隔同样为400 Hz.可知相位生成载波解调算法中高频载波调制信号与泵浦激光器的驰豫振荡频率叠加是形成探测频谱固有噪声的主要原因.通过降低高频载波调制信号频率的方法对驰豫振荡噪声进行抑制,消除了探测频谱中的固有噪声峰,得到了较为平坦的本底噪声谱.

一种耐静压分布反馈式光纤激光水听器探头设计

大深度工作环境下,静水压会引起分布反馈式光纤激光水听器反射中心波长漂出解调系统的复用窗口,使水听器无法解调目标声压信号;不同的静水压也会引起分布反馈式光纤激光水听器灵敏度的变化,影响光纤激光水听器阵列的一致性。基于电力声类比理论,提出带静压补偿的分布反馈式光纤激光水听器探头,建立结构的声压传递函数,分析各结构参数对传递函数的影响,为分布反馈式光纤激光水听器探头频率响应平坦化设计提供理论依据。加工制作了耐静压分布反馈式光纤激光水听器样品进行测试,在0 kHz^10 kHz频率范围内声压灵敏度波动范围不大于±2.4 dB,2.3 MPa内出射激光中心波长漂移量不大于0.06 nm,对深水光纤激光水听器的研究具有指导意义。

光纤激光水听器解调干涉仪相位噪声研究

为了减小外界因素对光纤激光水听器系统中迈克尔逊解调干涉仪的干扰,通过实验研究了温度、振动频率、振动幅度与解调干涉仪相位噪声之间的关系。实验表明:日常温度变化对解调干涉仪相位噪声影响可忽略不计;振动频率和振动幅度变化对解调干涉仪相位噪声影响明显。减振器对抑制解调干涉仪相位噪声有明显效果,降低全频段噪声10dB以上,降低低频段噪声15dB以上,可提高光纤激光水听器系统探测目标微弱信号的能力。

DFB光纤激光水听器舷侧声障模块设计与实验验证

文中结合某水下平台舷侧的实际需求,基于分布反馈式(DFB)光纤激光水听器技术,设计小尺度舷侧模块。仿真中采用分层介质中的弹性波模型建立声障板模型,并对声障板合理选材,制备了4阵元DFB光纤激光水听器舷侧模块,并测试了舷侧模块的灵敏度。实验结果表明,舷侧模块中水听器相对灵敏度提高,响应相对平坦,初步验证了设计方案的可行性。

基于双膜片结构的DFB光纤激光水听器研究

在对光纤激光水听器技术和结构进行深入分析的基础上,设计了一种新型的双膜片结构DFB光纤激光水听器。运用有限元软件ANSYS对设计的水听器及组成部分进行优化仿真计算,得到了光纤激光水听器的声压灵敏度和固有频率与各部件参数的关系。最后,根据优化参数加工制作了双膜片DFB光纤激光水听器并进行了实验研究。

分布反馈式光纤激光水听器探头封装及应用研究进展

分布反馈式光纤激光器水听器体积小、灵敏度高,便于复用成阵和布放回收,成为光纤水听器领域重要的一种技术路径。本文对分布反馈式光纤激光水听器国内外研究的探头封装结构及应用进行了综述,根据封装结构的特点,重点介绍了弯曲梁式、侧面压迫式、轴向拉压式三种主要的封装结构及其阵列应用。对国内外主要研究机构的研究指标进行分析,对比了分布反馈式光纤激光水听器不同封装结构的优缺点,并对分布反馈式光纤激光水听器阵列后续的技术发展进行了展望。

分布反馈式光纤激光水听器的声压灵敏度频率响应特性

光纤激光水听器的频率响应曲线会在声压传递函数的谐振频率处出现谐振峰,使水听器的工作频带变窄。研制了一种金属膜片端面增敏结构的分布反馈式(DFB)光纤激光水听器。基于电声类比理论,建立了DFB光纤激光水听器的声压传递函数模型,仿真分析了水听器各结构参数对水听器声压传递函数的影响,实现了水听器结构的优化设计,加工制作了水听器原型样品并进行了实验研究。由实验结果可知,DFB光纤激光水听器在2.5~10kHz频率范围内的平均声压灵敏度为-135.99dB,波动幅度小于±0.6dB,且在16kHz附近出现谐振峰,实验结果与仿真分析结果较好地吻合。该研究对DFB光纤激光水听器的研制具有重要指导意义。

实时修正零差对称算法解调DFB光纤激光水听器

为解决零差对称(NPS)系统中三路输出信号交流分量系数实时偏差对解调的影响,提出一种实时修正NPS的方法,并应用于分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的解调中。把NPS解调系统里干涉仪单臂缠绕在压电陶瓷(PZT)上,施加振幅大于πrad的正弦信号,使三路输出信号满幅。获取当前PZT振动周期内三路输出信号的最大值、最小值,计算各路直流分量系数的特征值,获得当前特征值与前面所有PZT振动周期的直流分量系数和的平均值,作为当前周期的直流分量系数;计算各路交流分量系数特征值,获得当前特征值与前面所有PZT振动周期的交流分量系数和的平均值,作为当前周期的交流分量系数。各周期的三路输出信号减去各自周期的直流分量系数,交流分量除以各自的交流分量系数,从而实时获得归一化的三路交流分量信号,并进行NPS后续运算。采用该方法解调DFB光纤激光水听器,测试200 Hz~4 kHz振动信号,系统连续运行15 h后,解调结果均能真实地还原振动信号。理论和实验表明,这种实时修正NPS的方法能够提高DFB光纤激光水听器的解调精度,并且增加的硬件成本和计算量不大。

聚氨酯端面拉伸式光纤激光水听器的声压灵敏度频响特性

为研究声压传递函数的谐振频率对分布反馈式光纤激光水听器频响特性的影响,研制一种聚氨酯端面拉伸式增敏结构的光纤激光水听器。基于电声类比理论建立了声压传递函数模型,仿真分析水听器各结构、材料参数与水听器声压传递函数的关系,制作水听器原型样品并进行了实验研究。实验测得,该结构水听器在10~2000 Hz频率范围内的平均声压灵敏度为-142.8 dB,波动幅度小于±1.5 dB,且谐振频率出现在3150 Hz附近,与仿真分析结果吻合较好,表明光纤激光水听器的声压灵敏度频响特性可有效预测以及精细优化,这对于应用于小型水下作战平台的小尺寸阵元的研制具有重要指导意义。

膜片封装下光纤激光水听器的低频动态响应

为了探究膜片封装光纤激光水听器中光纤激光器产生弯曲振动的机理,首先基于梁的横向振动理论建立了光纤激光器弯曲振动模型,之后根据实际的封装结构进行了有限元仿真,分析了光纤激光器的固有频率与光纤激光水听器频响之间的定量关系,最后批量封装了光纤激光水听器,进行实验验证。仿真及实验结果表明:光纤激光器两端采用一体化硬固定方式易使光纤激光器发生弯曲振动;当光纤激光器的一阶固有频率落在工作频段内时,在谐振峰附近,光纤激光器的中心波长发生非均匀漂移,此时在远离谐振峰的频段内,水听器频响的平均值约为-135 d B,谐振峰值约为-125 d B。本研究为光纤激光水听器封装工艺的后续改进提供了参考。

对基于光纤光栅的两种水听器灵敏度的讨论

本文简单介绍了基于光纤光栅的光纤布喇格光栅(FBG)水听器以及分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的基本工作原理与信号解调的基本方法。在此基础上提出了FBG水听器和DFB光纤激光水听器波长漂移率、压力灵敏度系数、相位灵敏度与相位灵敏度级以及电压灵敏度的定义以及物理涵义.并且对干涉型光纤水听器与DFB光纤激光水听器在相位灵敏度以及物理涵义上的区别进行了说明.

干涉仪温度变化对解调系统相位噪声的影响

分布反馈式光纤激光水听器系统中迈克尔逊干涉仪容易受外界环境温度波动影响,产生热噪声,造成解调失真。推导温度波动经激光器转化为频率噪声的理论过程,分析频率噪声与温度的关系。搭建实验测试系统,采用振动液柱法进行实验,对水听器施加800 Hz,5 V的水声振动信号,温度由室温20℃升至60℃,系统可以正常解调出水声信号;不施加水声信号,温度上升过程中每隔10℃采数,经处理在3~10 kHz频带范围内,室温20℃条件下系统的相位噪声约为-90 dB,60℃条件下相位噪声约为-70 dB,温度升高40℃导致系统相位噪声提高约20 dB。本文实验结果对后续降低系统的噪声水平具有重要意义。

弛豫振荡对3×3耦合器数字解调的影响

激光器的弛豫振荡带来的强度噪声对分布反馈式光纤激光水听器的系统噪声有较大影响。分析了该强度噪声在NPS算法数字实现中的传递过程,发现求导运算的非理想特性是解调结果中引入强度噪声的原因。提出了一种改进的NPS算法,使强度噪声在进入求导运算前被抵消,消除了强度噪声传递到解调结果中的途径。实验结果表明,当弛豫振荡峰处相对强度噪声为-84dB·Hz-1时对解调相位噪声的抑制在1kHz处达到了30dB。将改进后算法与不需要求导运算的反正切法进行了对比,进一步验证了其可抑制求导所引入的强度噪声。