四階聲低通濾波光纖水聽器的聲壓靈敏度頻響特性

報道了一種含側(cè)腔的機械抗混疊聲低通濾波光纖水聽器.基于電-聲類比理論建立了該光纖水聽器的低頻集中參量模型,畫出了聲學(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,并對其聲學(xué)特性進行了理論分析.研究表明,該光纖水聽器具有三個共振頻率,由于側(cè)腔的引入使得傳遞函數(shù)出現(xiàn)了一個零點,從而加快了第二個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.在充水駐波罐中對自行設(shè)計并制作的含側(cè)腔的聲低通濾波光纖水聽器進行了測試.在50—7000hz頻段上,該光纖水聽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.這為解決光纖水聽器的高頻混疊問題提供了一條簡單可行的技術(shù)途徑.

報道了一種新穎的具有抗混疊功能的無源零差邁克耳孫型光纖水聽器。它由一個普通的芯軸型光纖水聽器和一個圓柱型亥姆霍茲共振器構(gòu)成。在駐波罐中對其聲壓相位靈敏度頻響進行了測量,結(jié)果表明該光纖水聽器具有較好的聲低通濾波特性,能有效地抑制聲信號中的高頻成分,從而實現(xiàn)抗混疊濾波。該光纖水聽器的低頻聲壓相位靈敏度主要由傳感光纖長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。這對于提高我國未來聲納系統(tǒng)的抗干擾能力具有十分重要的意義。

光纖水聽器探頭是光纖水聽器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分析了直桿式光纖水聽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算的解析公式,討論了光纖水聽器探頭靈敏度的影響因素,并且利用ansys進行了模擬分析,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)變雙參量同時測量時,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)變測量的誤差的一般數(shù)學(xué)公式.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進行了溫度和應(yīng)變的誤差計算,得出3個二階靈敏度在不同的溫度變化、應(yīng)變范圍內(nèi)對測量誤差的貢獻(xiàn)不同.同時給出了波長的漂移量與溫度、應(yīng)變呈線性關(guān)系時,溫度變化和應(yīng)變的范圍.

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

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

本文對光纖水聽器時分多路復(fù)用陣列系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理等進行了介紹分析,并提出了各項參數(shù)的選擇方法和實踐中需要重點解決的問題。

通過改進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)劣進行了對比分析,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)到虛擬檢測光纖水聽器信號的軟件程序設(shè)計的目的,采用其輸出信號特點,依據(jù)非ni采集卡特性,對3×3耦合解調(diào)原理和數(shù)學(xué)模型進行分析和比較,做了干涉型光纖水聽器itt虛擬檢測方案,通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫開發(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,開發(fā)光纖水聽器3×3耦合器零差解調(diào)法虛擬檢測系統(tǒng)。得到該虛擬檢測系統(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,而時分復(fù)用(tdm)技術(shù)被認(rèn)為是最簡單有效的方案。本文詳細(xì)介紹了8路光纖水聽器高速時分復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計過程。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,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)計出8路光纖水聽器高速時分復(fù)用系統(tǒng),測試結(jié)果表明系統(tǒng)通道間串?dāng)_在-30db左右。對水聽器陣列時分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r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,分析了鍍nifbg溫度變化時的應(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實驗進行了驗證,用理論證明了鍍nifbg的波長漂移、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軟件對鍍nifbg在溫度變化時的應(yīng)力應(yīng)變進行了仿真。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/℃,實驗值為14.113pm/℃。理論、實驗和仿真得到了一致的結(jié)果。

在光纖水聽器時分復(fù)用系統(tǒng)中,需要設(shè)計高增益,大帶寬的信號檢測電路。為了減小系統(tǒng)的噪聲同時抑制通道間串?dāng)_,必須選擇合適的電路帶寬。本文分析了待檢測信號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)_帶來的解調(diào)信號誤差的表達(dá)式,分析表明電路串?dāng)_導(dǎo)致的解調(diào)信號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驗結(jié)果。

介紹了法布里-珀羅干涉型光纖水聽器的工作原理,指出了工作點的選擇依據(jù)及系統(tǒng)的實現(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)力雙折射問題和諧振腔內(nèi)模式分裂問題。用模式分裂的原理解釋了水聽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器的干涉過程并繪制了理論曲線。用實驗方法測量并記錄了模式簡并及分裂條件下各種諧振曲線的形狀,通過實驗照片與仿真曲線進行對比,理論仿真與實驗結(jié)果吻合,這說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現(xiàn)波長可調(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,通過調(diào)整偏振控制器的狀態(tài),實現(xiàn)了中心波長1542～1560nm的不同激光輸出。單波長連續(xù)可調(diào)諧激光器的波長可調(diào)范圍為18nm,邊模抑制比大于40db,3db線寬為0.096nm;進一步調(diào)整偏振控制器的狀態(tài)和抽運功率,實驗同時得到了連續(xù)可調(diào)諧的雙波長、三波長等多波長激光輸出。對于可調(diào)諧的多波長激光器,通過調(diào)整偏振控制器的狀態(tài),可實現(xiàn)波長間隔及輸出中心波長兩者可調(diào)。

設(shè)計了一種基于機械感生長周期光纖光柵(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)制作了諧振邊帶對稱交迭,諧振峰值和帶寬相同的兩個mi-lpg作為濾波器,利用反射fbg信號通過不同光譜特性的濾波器時輸出不同光強的比值對數(shù)算法確定被測波長。實驗表明,本解調(diào)方法能夠精確、穩(wěn)定地實現(xiàn)fbg傳感信號的解調(diào),動態(tài)范圍可達(dá)5nm,解調(diào)系統(tǒng)線性擬合計算值和光譜儀所測波長值的均方差為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.

針對分布反饋式(dfb)光纖激光器用于水聲探測時頻響曲線起伏較大的問題,設(shè)計了一種開孔套管式封裝結(jié)構(gòu)。通過對dfb激光器的封裝,使其張緊后被聚氨酯固定于開孔套筒的中心軸線上,利用開孔套管的保護作用以及施加于光纖激光器兩端的拉力來抑制水聲探測過程中頻響曲線的起伏?；谟邢拊浖nsys對封裝結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行了數(shù)值仿真計算,然后加工制作了開孔套管結(jié)構(gòu)封裝的dfb光纖激光水聽器原型樣品,并利用振動液柱法進行了測試。試驗結(jié)果顯示,dfb光纖激光水聽器在20～800hz的聲壓靈敏度達(dá)到-131db左右,靈敏度起伏不高于±1.5db,表明通過該封裝結(jié)構(gòu)的保護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光纖激光水聽器的水聲探測性能。

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單模光纖接入光纖系統(tǒng),實現(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)對應(yīng)變的敏感性實現(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)實現(xiàn)。詳細(xì)給出了該濾波器的理論仿真分析,并實驗證實了該方案的有效性。

基于失配光纖耦合器的波長特性,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)長度z對其光譜特性的影響。結(jié)果表明,當(dāng)δβ和d較小時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位置和間隔。通過將一根兩芯間隔d=12μm的單模雙芯光纖(tcf)的一個芯子熔接在兩根單模光纖(smf)之間,實驗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。通過使用不同長度的tcf獲得了不同的峰值波長間隔,并使用波長為248nm的紫外光對其峰值波長和消光比進行了調(diào)節(jié)。

tdk（日本東京電氣化學(xué)工業(yè)公司）株式會社近日宣布研發(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過濾器（國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)）的小了超過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、大動態(tài)范圍、易于組成陣列、重量輕、體積小等優(yōu)勢引起了廣泛關(guān)注并在國防領(lǐng)域及其他領(lǐng)域開始獲得應(yīng)用。本文介紹了這種傳感器的工作原理,在靈敏度、動態(tài)范圍、陣列組成等方面的研究進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償功能的光纖布拉格光柵水聽器封裝。這種水聽器的傳感機制在于將水下聲壓信號轉(zhuǎn)換為圓形薄板的軸向彈性振動,通過彈光效應(yīng)實現(xiàn)光纖光柵中心波長的瞬時改變,從而對經(jīng)過光纖布拉格光柵(fiberbragggrating,fbg)的反射光信號實現(xiàn)幅度調(diào)制。對2.5～12khz水聲頻率范圍進行了實驗測試,實驗結(jié)果表明,這種水聽器的靈敏度可達(dá)到-185dbre1v/μpa,最小可探測聲壓在5khz約為900μpa/hz~(1/2)。