一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，包括质量块，弹性筒，光纤干涉仪，用于放置质量块、弹性筒、光纤干涉仪的外壳。本实用新型专利技术将参考干涉仪与传感干涉仪封装于同一水听器的外壳内部，当水听器受温度和其他外界环境影响时，参考干涉仪与传感干涉仪相位信号产生的低频随机漂移高度相似，在实际应用中由激光器引起的参考干涉仪与传感干涉仪的相位噪声也高度相关，因此通过参考干涉仪与传感干涉仪的信号进行信号处理，可以消除传感干涉仪信号的相位噪声。感干涉仪信号的相位噪声。感干涉仪信号的相位噪声。

【技术实现步骤摘要】
一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器


[0001]本技术涉及水声探测应用
，更具体的，涉及一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器。

技术介绍

[0002]光纤矢量水听器是一种基于光纤、光电子技术的水声传感器，其利用声波调制光线中的光波的强度、偏振态、相位等参量来获取声波的频率、强度等信息，具有灵敏度高、响应频带宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧等特点。被应用于水声警戒声纳、拖曳线列阵声纳、舷侧阵共形阵声纳、水雷声引信、鱼雷探测声纳、多基地声纳、水下潜器的导航定位、分布式传感器网络以及海洋水声物理研究、石油勘探、海洋渔业等军民两用场景。
[0003]同振式光纤矢量水听器主要有强度调制型、相位调制型和光纤光栅型。其中强度调制型一般灵敏度较低，光纤光栅型信号检测系统工作频率低且系统复杂，而相位调制型灵敏度较高，可实现良好的低频响应。相位调制型水听器通过调制光纤中传输光的相位从而测量水下声波信号，主要包含Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式、Sagnac干涉式。其中Michelson干涉式水听器制造工艺成熟，应用广泛。
[0004]Michelson光纤干涉仪由光纤耦合器、端面反射镜、光纤干涉臂、输入输出尾纤构成，其结构如图1所示。当激光经输入光纤进入分光比1：1的耦合器后被分为相等的两束，并分别进入两条干涉臂中，两束光各自被端面反射镜反射回耦合器后，在输出尾纤处形成叠加的干涉场并经光电探测器转换为电信号。当干涉臂受到声压对其长度的调制时，其内部的光相位产生相应变化，从而引起尾纤中干涉场强的改变。
[0005]当声波通过水体传达至水听器时，其声波信息反映为振动作用在干涉臂上，引起干涉臂光纤物理特性发生变化。干涉仪两臂间相位差可表示为：
[0006][0007]其中，l是两干涉臂间臂差，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，ν是光中心频率。干涉仪输出干涉场的光强受两干涉臂中光波之间的光相位差直接影响，而相位差与干涉臂的臂差l、纤芯折射率、激光频率ν等因素相关。因此通过利用光电探测器探测干涉场强度可以获取干涉臂形变信息，进而还原出声波信号。
[0008]声波对干涉臂光纤物理特性影响体现在三方面：一是光纤轴向长度形变引起臂差l的改变；二是光纤径向挤压拉伸导致直径变化，进而引起波导归一化频率ν改变；三是纤芯受挤压拉伸时，因光弹效应引发折射率n变化。这三个因素均能引起光相位的改变，即：
[0009][0010]对于未经处理的裸纤来说，上述因素对光相位的影响程度很小，在设计水听器时需进行增敏处理。最简单增敏方法是将干涉仪的传感臂缠绕在一个声压弹性体上，这样声波变化时，弹性体随声波受迫振动，传感光纤长度被调制，这样声波对光纤水听器的调制主
要表现为光纤长度的调制，且经过理论分析，这种光纤长度的变化与声波的变化成正比。
[0011]干涉式水听器在声波的作用下，光电探测器的输出电信号V0可表示为：
[0012]V0∝
1+Vcos(φ
s
+φ
n
+φ0)+V
n
ꢀꢀ
(3)
[0013]其中，V为干涉仪对比度，V
n
为系统噪声项，φ
s
为声压引入的光相位差信号，即代表目标声压信号，φ
n
为外界温度等环境因素引入的低频干扰信号，φ0为初始光相位。后续通过对电信号进行滤波等信号处理，可以提取φ
s
，进而还原声压信息p。
[0014]对于Michelson干涉式光纤矢量水听器，使用参考干涉仪获得系统噪声对本体传感器进行降噪是一种行之有效的手段。典型做法是将参考干涉仪置于隔振隔声容器中以获得激光器的相位噪声，由激光器引起的参考干涉仪与传感干涉仪的相位噪声近似相同，将两干涉仪的信号进行相减就能消除传感干涉仪信号的相位噪声，具体如下：
[0015]现有技术之一是将参考干涉仪制作成独立于光纤矢量水听器之外的器件，并将其置于水上隔振隔声容器中，或者作为独立阵元置于水下阵列中。
[0016]方法一：将参考干涉仪制作成与声压水听器物理构造相同的声压敏感参考水听器(简称参考水听器)，声压水听器与参考水听器声压灵敏度相同。将参考水听器置于水上(干端)隔振隔声容器中，防止其受周围环境中的声信号影响而引入虚假的系统噪声。
[0017]方法二：将参考干涉仪制作成与声压水听器物理构造相同的声压不敏感水听器，其中参考干涉仪、声压水听器和矢量水听器都由相同的非平衡Michelson光纤干涉仪构成，所有干涉仪的物理构造相同，不同点在于声压水听器的传感光纤缠绕在一层弹性材料上，起到增敏作用，而参考干涉仪的传感光纤直接缠绕在金属骨架上。因此，参考干涉仪形成的声压不敏感水听器的声压灵敏度比声压水听器低几十个分贝，防止其对周围环境中的声信号敏感而引入虚假的系统噪声。如图2所示，声压不敏感水听器置于水上(干端)解调机中或者水下(湿端)水听器阵列中。
[0018]现有技术之一存在的缺点如下：当参考干涉仪独立于光纤矢量水听器之外时，由于两者所处位置不同，所受温度和外界环境影响程度不同，导致参考干涉仪与传感干涉仪的相位信号存在不同程度的低频随机漂移。因此虽然由激光器引入两干涉仪的相位噪声的波形相似性很高，但由环境引起的低频漂移相关度较低，导致使用此技术的低频噪声抑制效果并不理想。
[0019]现有技术之二公开了一种采用光纤光栅而非Michelson光纤干涉仪作为敏感元件的光纤矢量水听器，同样可以实现共模噪声自抑制。如图3、图4所示，采用在一根保偏传感光纤上刻制7个等间距的光栅，并将此保偏传感光纤依次缠绕于互相垂直且设置在质量块的第一至第六弹性筒上，并且光栅位于质量块上，然后基于双脉冲方案，实现互相垂直的三个维度的振动矢量测量，并在测量过程中基于自身结构的特殊设计实现了消除共模噪声，而无须附加的参考加速度计。
[0020]但是该方法依然存在以下缺点：光纤光栅型信号检测系统相对复杂，解调难度更大；光纤光栅的加工工艺成熟度不如Michelson光纤干涉仪；光纤光栅式矢量水听器的光栅刻蚀在同一条光纤上，若绕制时出现光纤或光栅受损，几乎不具备可维修性。

技术实现思路

[0021]本技术为了解决参考干涉仪独立于光纤矢量水听器之外时，外界环境引起的
低频漂移相关度较低的问题，提供了一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其实现参考干涉仪与传感干涉仪封装至同一壳体内部，其能实现传感干涉仪信号的低频相位噪声抑制。
[0022]为实现上述本技术目的，采用的技术方案如下：一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，包括刚性球形的质量块、数量为6个的弹性筒、数量为4个的光纤干涉仪、外壳；
[0023]在质量块相互正交的X、Y、Z三轴方向上设有6个弹性筒安装槽，且在Z轴方向上设有2条对称的参考干涉仪安装槽、和4个耦合器收纳孔；
[0024]6个所述的弹性筒依次安装于质量块上的弹性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其特征在于：包括刚性球形的质量块、数量为6个的弹性筒、数量为4个的光纤干涉仪、外壳；在质量块相互正交的X、Y、Z三轴方向上设有6个弹性筒安装槽，且在Z轴方向上设有2条对称的参考干涉仪安装槽；6个所述的弹性筒依次安装于质量块上的弹性筒安装槽，形成X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-六个轴；所述的弹性筒的末端设有压盖，从而将对应的弹性筒固定在压盖与质量块之间；4个所述的光纤干涉仪分别为第一传感干涉仪、第二传感干涉仪、第三传感干涉仪、参考干涉仪；将第一传感干涉仪的两条光纤干涉臂分别缠绕至X+、X-轴的弹性筒上；第二传感干涉仪的两条光纤干涉臂分别缠绕至Y+、Y-轴的弹性筒上；第三传感干涉仪的两条光纤干涉臂分别缠绕至Z+、Z-轴的弹性筒上；参考干涉仪的两条光纤干涉臂合并一起缠绕至质量块的参考干涉仪安装槽中；将所述的质量块、弹性筒、光纤干涉仪封装于外壳中，且所述的压盖分别固定在外壳的内壁上，4个所述的光纤干涉仪的输入输出尾纤通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：易朗宇，腾潢龙，徐红霞，沈燕青，高发仁，陈含芳，杨廷新，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第七研究所，
类型：新型
国别省市：