光纤激光水听器解调干涉仪相位噪声研究*

涂吉祥 黄俊斌 顾宏灿 唐 波 毛 欣

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

光纤激光水听器解调干涉仪相位噪声研究*

涂吉祥 黄俊斌 顾宏灿 唐 波 毛 欣

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

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。

光纤激光水听器; 迈克尔逊干涉仪; 相位噪声; 降噪

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

Class Number TN253

1 引言

光纤水听器主要有两种类型:干涉型光纤水听器和光纤激光水听器[1]。干涉型光纤水听器以干涉仪为水声敏感部分,声场作用在干涉仪光纤上,导致干涉相位发生变化,通过相位解调提取目标声信号[2]。光纤激光水听器以光纤激光器作为水声敏感部分,声场作用在光纤激光器谐振腔上,导致谐振腔长度发生改变,干涉仪作为信号解调部分,将接收到的光信号进行干涉,产生水听器干涉脉冲信号,将声场引起的光相位变化改变为光强度变化,以便于光电转换后通过信号解调提取目标声信号[3]。

光纤激光水听器是继干涉型光纤水听器后发展起来的,尚未见到大规模应用的报道。目前对光纤干涉仪的噪声研究也主要针对作为水声敏感部件的测量干涉仪[4]:在前期主要通过探头结构优化、封装和物理隔离减振等方法降噪,其制造工艺复杂,成本较高[5];在后期主要利用各种补偿算法对实验数据进行处理,使用上有一定的局限性[6]。而在目前已公开发表的文献中,对光纤激光水听器系统中解调干涉仪的降噪研究并不多见。因此本次实验使用迈克尔逊干涉仪作为信号解调部分,研究温度和振动对光纤激光水听器解调干涉仪相位噪声的影响,并采用物理减振方法降低解调干涉仪相位噪声。实验结果表明:温度对解调干涉仪相位噪声影响较小,可忽略不计;振动对解调干涉仪相位噪声影响很大,需抑制振动噪声。采用减振器可使光纤激光水听器解调干涉仪全频段相位噪声降低10dB以上,低频段相位噪声降低15dB以上,降低了水听器系统的本地噪声,使系统能检测到更微弱的目标信号。

2 原理

光纤激光水听器传感系统采用光纤激光水听器作为水声敏感部件,以迈克尔逊干涉仪作为解调部件,主要光路原理如图1所示。

图1 水听器系统解调干涉仪原理图

泵浦光源输出波长为980nm附近的泵浦光,经过隔离器波分复用器进入光纤激光水听器。目标声信号作用在光纤激光水听器上,改变水听器谐振腔长度,使水听器输出波长在1550nm附近随声压变化的光信号。光信号经过波分复用器和隔离器2进入迈克尔逊干涉仪。

隔离器1用于隔离水听器谐振腔反射回的980nm泵浦激光以保护泵浦光源;隔离器2用于隔离迈克尔逊干涉仪反射回的1550nm激光,防止激光进入光纤激光水听器谐振腔造成激光器功率不稳甚至产生振荡脉冲[8]。

3dB耦合器的输出端口3和3×3耦合器的输出端口8不使用,为了减少两端口的反射光对系统的干扰,将两端口处的光纤缠绕成很小的圆环以增大光的传输损耗,极大地减小两端口的反射。

光信号通过3dB耦合器和3×3耦合器分成两路进入迈克尔逊干涉仪的两条非平衡光纤臂。两路光信号经两臂末端的法拉第旋转镜反射后,从2、5、6端口输出,三路光信号进行合束干涉。干涉后的光信号经探测器接收和数据采集卡采样后,可采用基于3×3耦合器的干涉解调技术,提取水听器所接收到的声信号。

3 实验方案

目前的研究已经表明:温度和振动是影响整个光纤激光水听器传感系统测量精度的重要因素[8]。但温度和振动对解调干涉仪相位噪声的影响研究几乎未见文献报道。因此,本论文通过实验验证温度和振动分别对解调干涉仪相位噪声的影响。

3.1 温度实验方案

解调干涉仪作为解调系统的一部分,一般位于光纤激光水听器系统的干端部分,干端一般固定在船体等水面平台上[9],温度变化较大,因此研究温度对干涉仪相位噪声的影响是有必要的。

实验采用上海博讯实业有限公司制造的GZX-9076型数显鼓风干燥箱作为加热箱,将干涉仪放入加热箱中央,用等长的跳线将干涉仪的三个出光端口和一个进光端口与探测采集系统相连,加热箱箱门与箱体之间采用橡胶条密封,因此跳线可以从箱门与箱体中间穿过而不受损,同时也不影响其密封性能。为了使干涉仪受热均匀,不封装干涉仪,并放置在栅格形塑料架上,如图2所示。

将干涉仪放入加热箱中,启动加热箱,设置目标温度T=12℃,当箱内温度达到12℃并稳定后,关闭加热装置,迅速读取、存储相位噪声原始数据。因为加热箱密封性较好,温度短时间内不会改变,关闭加热箱是为了减小内部风扇等部件运行时的噪声对干涉仪的干扰。数据存储成功后,调节T=16℃,重复以上步骤。温度区间为12℃≤T≤52℃,ΔT=4℃,ΔT为温度间隔。实验完毕后解调、读取实验数据,并对实验结果进行处理、分析。

图2 温度实验方案

3.2 振动实验方案

为了研究振动对干涉仪相位噪声的影响,实验原理如图3所示。

使用TFG6930A型信号发生器提供正弦波信号,与7101型功率放大器和随机振动控制器相连,将正弦波信号输入到2202型永磁振动台,通过调节信号发生器频率与功率放大器增益来控制振动台的振动频率和幅度。将解调干涉仪封装后,将封装外壳底部与振动台固定,将标准加速度计用502胶粘连在封装外壳上,标准加速度计与一台3114型电荷放大器相连,输出信号幅度通过一台TDS2024型示波器读取。实验方案实物图如图4所示。

图3 振动试验原理

图4 实验方案图

保持信号发生器输出频率f=f1不变,调节功率放大器增益,根据示波器读数记录加速度a与相位噪声的大小。调整信号发生器f=f2并保持不变,同上可得到f2频率下加速度a与相位噪声的大小,重复以上步骤,即可得到不同频率f下加速度a与相位噪声的关系。

4 结果分析

4.1 温度影响

根据3.1节温度实验方案,可以得到温度与相位噪声的关系,将实验数据制成折线图,结果如图5所示。

图5 温度与相位噪声的关系

由图5可以看出,温度在12℃～52℃之间变化时,各频点相位噪声在2dB范围内波动。可以看出,温度对解调干涉仪相位噪声的影响很小,可以忽略不计。因此无需对解调干涉仪进行关于温度的优化设计。

4.2 振动影响

由2.2振动实验方案可以得到不同频率f下干涉仪相位噪声与加速度a之间的关系。将振动台振动频率为20Hz、50Hz、100Hz的实验结果制成折线图如图6所示。

图6 加速度与相位噪声的关系

由实验结果可以看出,各频点的相位噪声随着加速度的增大而增大。f=20Hz时,在500Hz以下的频点,加速度由0增长到40m/s2时,相位噪声增加了约40dB,但在高频段的相位噪声增加比低频段的相位噪声增长缓慢。因此,在工程应用中,需抑制解调干涉仪振动噪声。

图7为干涉仪加速度为20m/s2时振动台频率与干涉仪相位噪声的关系。

图7 a=20m/s2时频率f与相位噪声的关系

相同大小加速度下,100Hz以下频点的相位噪声随着振动台振动频率f增大而增大;100Hz～500Hz之间频点的相位噪声随着振动台振动频率f增大而减小;500Hz以上频点的相位噪声几乎不随着振动台频率变化而变化。由此可知,解调干涉仪对频率在100Hz附近的振动噪声最敏感。因此在工程应用中要特别针对100Hz及以下频段振动噪声进行优化设计。

4.3 减振方案

图8 减振器简化模型

由实验结果可得,低频振动对解调干涉仪的相位噪声有很大的影响,因此需使用减振器减小振动特别是低频振动对解调干涉仪的干扰。

实验中减振器的简化模型[10]如图8所示,以减振器静止时位置为原点,建立减振器系统运动方程:

(1)

传递函数为

(2)

则减振量为

(3)

其中M是负载质量,K和C分别是刚度和阻尼,X和Y分别是减振器上下板的位移,X(s)和Y(s)分别是X、Y的拉普拉斯变换。

由4.2中实验已知解调干涉仪对外界频率在100Hz附近的振动噪声最为敏感。为了确定减振器的减振效果,调节信号发生器输出频率f=100Hz,调节功率放大器增益,使a=20m/s2,在相同的噪声环境下,分别测量使用减振器前后的相位噪声大小。通过对比相同频点的相位噪声大小,即可计算出减振器的减振效果。

图9 使用减振器前后的相位噪声对比

由图9可以看出,不使用减振器时,0.5K频点处相位噪声为-52dB,1kHz频点处相位噪声为-57dB,2kHz频点处相位噪声为-64dB,频点3kHz～8kHz之间的相位噪声在-72dB～-64dB之间,受振动影响很大;使用减振器后,0.5K频点处相位噪声为-72dB,1kHz频点处相位噪声为-72dB,2kHz频点处相位噪声为-84dB,频点3kHz～8kHz之间的相位噪声在-96dB～-84dB之间。对比使用减振器前后的实验结果可得,减振器有降低解调干涉仪相位噪声的效果。在1kHz以下的低频段,可降低噪声15dB以上;在1kHz以上频段,可降低相位噪声10dB以上满足工程应用要求。

5 结语

通过实验研究表明:在工程应用中,日常温度对光纤激光水听器解调干涉仪相位噪声的影响很小,可以忽略不计;外界振动对解调干涉仪相位噪声干扰较大,影响解调效果。使用减振器能降低全频段噪声10dB以上,降低低频段噪声15dB以上,能使水听器系统在更远距离精确地探测目标的微弱信号。

[1] 李日忠.DFB光纤激光器水听器关键技术研究[D].武汉:华中科技大学,2014.

[2] 马丽娜.光纤激光水听器技术[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,2008.

[3] 顾宏灿,黄俊斌,苑秉成,等.基于干涉解调技术的光纤激光器水声传感系统[J].光电工程,2008,35(12):73-77.

[4] 王力求,王巍,李东明,等.光纤水听器解调干涉仪减振降噪技术研究[J].声学与电子工程,2012,3:1-4.

[5] 谭波,黄俊斌.分布反馈光纤激光水听器封装结构的设计[J].光学精密工程,2012,20(8):1691-1695.

[6] 唐波,黄俊斌,顾宏灿,等.基于可调谐F-P滤波器的光纤光栅波长解调算法研究[J].舰船电子工程,2013,12:42-45.

[7] 于振欣.光纤激光水听器系统构成及噪声分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013.

[8] 叶欣.干涉型光纤传感器低频信号检测技术研究[D].长沙:国防科学技术大学研究生院,2010.

[9] 周波.干涉型光纤水听器相位载波调制解调技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004.

[10] 陆振宇.光学移相干涉仪智能抗振平台关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2008.

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,硕士研究生,研究方向:光纤传感技术。

TN253

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.037