CN110632649A - 一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法，将延时干涉仪安装到水听器位置附近，单脉冲激光由输入端光纤输入到延时干涉仪中，在内部延时合束形成一定时间间隔的双脉冲激光，并由延时干涉仪的输出端光纤输出；延时干涉仪的输出光纤与水听器的输入光纤连接；其中延时干涉仪敏感臂传感的振动信号与水听器敏感臂传感的振动信号状态相同，相互抵消，干涉脉冲序列保留水听器传感的声信号。本发明的有益效果为：本发明提出了将抵消模块与传感阵元模块同结构设计，近距离分离布放方案，具有完全相同的增敏结构和相近的探测信号环境，可在光路上直接实现振动信号的抵消，并且该方案可实现单阵元和一定复用规模的阵元的低频噪声抑制抵消。

Description

一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法

技术领域

本发明属于水声探测领域，主要是一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法。

背景技术

拖曳线列阵是用于水下目标探测和海洋噪声测量的重要手段，其可以通过舰船的尾部微重力拖缆的长度调整、拖速调整或者潜艇的不同潜深的控制达到在不同深度水层的布放，从而实现对噪声信号、水下声目标的警戒、跟踪和定位。随着我国在海洋领域的大力开发和海军装备的快速升级，水下拖曳线列阵的应用范围越来越宽广。

拖曳线列阵通常为中性密度设计，但实际过程的工艺误差，将使得阵列密度与中性密度有一定的偏差，同时为保证拖曳深度控制，拖缆密度为负浮力设计。一方面，在拖曳过程中，由于拖曳线阵系统与水介质的密度差异，会存在一定的拖曳倾角，从而引起涡激抖动；另一方面，线阵尾部的结构骤变，引起了尾流不稳定，容易出现甩尾的情况；以上两种为线阵拖曳状态下低频振动噪声的主要来源。常用的方法为采用微重力拖缆以减少拖曳倾角，在线阵尾部增加长尾绳和流线型稳定器抑制尾流不稳定状况，并且在线阵传感段前后加入隔振段以减少低频振动噪声的传导。采用减隔振段的方案存在两个问题：其一，减隔振效果与频率相关，在数十Hz的低频段效果不佳；其二，减隔振量与隔振段长度以及载荷密切相关，对不同的系统规模效果会有明显差异。

另外相关文献报道，在固定式光纤基阵中加入阵元，该方法采用了将不敏感光信号与阵元光信号结合开展信号解调，消除光路相位噪声，但拖线阵系统中光路相位噪声量值明显低于振动噪声量值，因而该方法不适于动态系统中噪声抵消处理。

国外有专利报道，通过在压电拖线阵中埋入电加速度计，在信号分别调理后，进行算法上抵消操作，该方法对光纤线阵无法借鉴使用；对光纤水听器，有通过传感臂绕在透声透振动环境中，参考臂绕制在隔声透振动的环境中来实现低频振动噪声抵消的设想，但参考臂与传感臂的长度差异、集成后的增敏结构的差异以及结构尺寸小型化的需求，使得该种方法很难实用化。

本发明要解决的技术问题：振动噪声是光纤拖线阵的拖曳噪声的主要组成部分，且在低拖速时，该部分噪声占主导(见图1)。对该部分噪声的抑制将极大的优化拖线阵动态噪声背景，使得光纤拖线阵具有更远的探测距离。

目前多采用减隔振方法来减少振动噪声的传导引入，但受到隔振模块长度、隔振模块负载等条件的限制，并且传感段局部产生的抖动噪声无法有效的抑制；已有文献和专利论述的方法或者对动态噪声无效、或者不适用于光纤阵、又或存在尺寸限制和抵消结构差异；因此目前尚无有效的方法对拖线阵中低频噪声进行有效的抵消和抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法，主要应用于光纤拖线阵动态拖曳下对抖动噪声的传感抑制，也可用于潜/浮标光纤垂直阵、光纤舰(艇)壳被动声纳等设备在动态和准静态工作环境下的低频振动等同源噪声的抵消和抑制，能实现对单独阵元的噪声抵消，也可对复用关联的一组阵元进行噪声抑制，并且不受光纤水听器复用方式的限制，为光纤水听器声基阵的降噪提供了一种解决方案。

针对以上所述的技术现状，本发明提出了一种用于光纤水听器动态噪声抵消的方法，在光路上对低频动态噪声进行抵消，并且对现有光纤细长阵的结构和复用方式不会有大的影响。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法，将延时干涉仪安装到水听器位置附近，单脉冲激光由输入端光纤输入到延时干涉仪中，在内部延时合束形成一定时间间隔的双脉冲激光，并由延时干涉仪的输出端光纤输出；延时干涉仪的输出光纤与水听器的输入光纤连接，则双脉冲激光输入水听器干涉光路中，在其中拾取有效信息形成交叉干涉，最终形成干涉脉冲序列输出；其中延时干涉仪敏感臂传感的振动信号与水听器敏感臂传感的振动信号状态相同，相互抵消，干涉脉冲序列保留水听器传感的声信号。

所述的延时干涉仪与水听器采用同增敏结构和相同绕制工艺，敏感臂光纤长度相同；在单水听器降噪采用时，两者参考臂长度取相同，延时干涉仪参考臂加载载波信号；在多水听器基元复用时，采用参考臂长度不一致，满足短时延错位延时干涉的条件，使得通过干路调制和光源光频调制可实现水听器低频噪声抵消和湿端光路无源。

所述延时干涉仪应用于复用水听器光路中，可通过安装在干路中作用于多个水听器，也可每个水听器配套1个；在延时干涉仪与水听器之间加入隔离器使能增加光路回损。

本发明的有益效果为：本发明提出了将抵消模块与传感阵元模块同结构设计，近距离分离布放方案，具有完全相同的增敏结构和相近的探测信号环境，可在光路上直接实现振动信号的抵消，并且该方案可实现单阵元和一定复用规模的阵元的低频噪声抑制抵消。

附图说明

图1低拖速下拖曳噪声测试图；(a)为声不敏感传感器，(b)为声敏感传感器；

图2长臂差光纤干涉仪和光脉冲干涉示意图；

图3长臂差水听器振动噪声抵消封装设计示意图；

图4抵消复用光路方案结构和光路干涉示意图；

图5水听器和抵消延时干涉仪安装示意图；

图6准静态环境下噪声传感水平比较测试结果；

图7振动环境下噪声传感水平比较测试结果；

图8准单频噪声信号传感水平比较测试结果。

标识说明：耦合器(1)、反射镜(2)、传感臂(3)、参考臂(4)、双脉冲激光(5)、脉冲延时干涉(6)、干涉脉冲序列(7)；延时干涉仪(8)、水听器(9)、输入单脉冲(10)；延时干涉仪(11)、隔离器(12)、水听器(10)、复用节点(10)、脉冲错位延时干涉(15)、脉冲错位延时干涉序列(16)；承力安装绳(17)、安装夹持结构(18)、水听器(19)、隔声封装结构(20)、延时干涉仪(21)。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

本发明基于长臂差光纤干涉仪的光脉冲对准干涉原理(图2)：一定脉宽和延时间隔的双脉冲输入，通过水听器干涉光路延时对准，形成脉冲干涉，实现信号提取。目前一般采用的长臂差干涉仪水听器，长臂光纤绕制在增敏壳体上，而短臂则绕制在不敏感区域。

耦合器(1)：将输入单束光分成两束，将返回的两束光合成一束；反射镜(2)：反射经过脉冲，并形成90度的偏振旋转；传感臂(3)：获取外界信号信息；参考臂(4)：获取基准信息；双脉冲激光(5)：信号传输和获取的媒介；脉冲延时干涉(6)：激光脉冲的传感信息的显性化光学过程；干涉脉冲序列(7)：可被光电探测的激光光束。

1)单阵元抵消方案

该方案将延时干涉仪安装到传感阵元位置附近，使得延时干涉仪传感与水听器阵元具有相同的噪声环境(比如抖动、温变等)，以实现噪声抵消。

单光脉冲经过抵消型延时干涉仪时形成6dB衰减的双光脉冲，考虑到双光脉冲为1个经过延时干涉仪的长臂(敏感臂)，另1个经过其短臂(参考臂)，设计延时干涉仪的长臂为噪声传感臂L1，长度与水听器阵元传感臂长度相同，封装成振动敏感，声压不敏感结构；短臂长为L01，长度与水听器阵元参考臂的一致，采用声和振动均不敏感封装，用于实现调制载波的加载。

已知水听器干涉仪为与延时干涉仪相同结构，长臂传感声和振动信号，短臂不敏感设计；当双光脉冲输入到水听器后，分别经过水听器的传感臂和参考臂反射，最后在耦合器输出段形成延时干涉，干涉的两个脉冲分别为经过延时干涉仪长臂+水听器短臂反射的光脉冲和经过时延干涉仪短臂+水听器长臂反射的光脉冲，其中延时干涉仪长臂传感的振动信号与水听器长臂传感的振动信号状态相同，相互抵消，干涉脉冲保留了水听器传感的声信号。

2)复用光路抵消方案

该抵消方案在应用于复用光路时，可采用1个水听器阵元配套1个延时干涉仪的方式，也可采用多个位置相近的水听器配套1个延时干涉仪的方式；为保证基于光纤复用的传感结构的线阵湿端无源的特点，如果仍采用时延精确补偿的方法，需要在延时干涉仪其中1臂中加入载波信号，则需对每个延时干涉仪供电，为避免这个问题，设计延时干涉仪臂差(L1-L01)和光纤阵元的臂差(L2-L02)之间引入ΔT的时延差，从而可实现通过光源调制或者干路调制实现载波信号加载，作该项改进后，阵列的复用结构无需做改动，只在光路中引入了3dB的功率衰减，同时为避免反射光脉冲的多重反射，在延时干涉仪和阵元之间引入隔离器，隔绝反射光脉冲(图4)。

3)封装结构方案

方案中延时抵消干涉仪为保证与敏感水听器具有相同的振动传感特性和不同的声传感特性，对封装结构提出了特殊要求。延时干涉仪的传感结构与水听器相同，采用隔声材料和结构封装，干涉仪安装结构与标准水听器相同。(图5)

光纤水听器动态噪声抵消实施方案如下：

1.单传感器抵消光路结构

耦合器(1)与反射镜(2)之间通过传感臂(3)、参考臂(4)连接；双脉冲激光(5)通过耦合器(1)输入端光纤输入，由耦合器(1)分成两束双脉冲激光(5)，分别经过传感臂(3)和参考臂(4)以及相应的反射镜(2)反射，获取相应的传感信息和基准信息；两束双脉冲在耦合器(5)处形成交叉干涉(6)，最后由耦合器(1)合束输出，形成干涉脉冲序列(7)。

单脉冲激光(10)由输入端光纤输入到延时干涉仪(8)中，在内部延时合束形成一定时间间隔的双脉冲激光(5)，并由延时干涉仪(8)的输出端光纤输出；延时干涉仪(8)的输出光纤与水听器(9)的输入光纤连接，则双脉冲激光(5)输入水听器(9)干涉光路中，在其中拾取有效信息形成交叉干涉(6)，最终形成干涉脉冲序列(7)输出。

2.光路封装方案

噪声抵消延时干涉仪与光纤水听器采用同增敏结构和相同绕制工艺(19)(21)，敏感臂光纤长度相同；在单水听器降噪采用时，两者参考臂长度取相同，延时干涉仪参考臂可加载载波信号；在多水听器基元复用时(图4)，采用参考臂长度不一致，满足短时延错位延时干涉的条件(15)，使得通过干路调制和光源光频调制可实现水听器低频噪声抵消和湿端光路无源。抵消延时干涉仪应用于复用水听器光路中，可通过安装在干路中作用于多个水听器，也可每个水听器配套1个，为消除多重干涉对噪声和串扰的影响，在干涉仪与水听器之间加入隔离器，增加光路回损。

3.噪声抵消干涉仪安装方案

在实际使用中，抵消干涉仪与水听器之间靠近安装，对低频信号(100Hz，波长15m)具有相同与相近的相位和幅度测试结果；延时干涉仪与水听器具有相同的夹装方式(图5)，相对于水听器声、振动均敏感的特性，抵消延时干涉仪具有只对振动敏感而对声不敏感的特征，该特征通过封装隔声外结构实现。

4.工作过程

光频调制或者相位调制的单光脉冲输入到水听器复用光路，经过延时干涉仪获取振动噪声信号，同时变成具备一定时延的双脉冲结构，通过光路复用节点分配到各水听器，在水听器传感臂位置完成声信号和振动信号拾取，同时在输出位置通过错位延时干涉后获得一串干涉脉冲信号，干涉信号振动噪声信号抵消，从干涉信号中即可提取噪声抵消的声信号。

当采用各水听器配备1个抵消延时干涉仪时，则光脉冲信号先通过复用节点进行分束和分波，再通过噪声抵消光路获取噪声抑制的声信号。

对采用本发明的水听器模块和相同参数的水听器的动态噪声抵消效果开展了实验室验证，获得以下效果：

1)准静态环境下噪声传感水平比较

实验室静态，只存在外界弱振动信号和声信号的环境下，获取的噪声抵消方案水听器和非抵消水听器的噪声水平在低频段存在明显差异，在一定带宽内存在10dB左右的抵消效果。(图6)

2)振动环境下噪声传感水平比较

实验室环境下，将抵消方案水听器和非抵消方案水听器复用，通过跺脚等操作，引入动态振动噪声，获取的噪声抵消方案水听器和非抵消水听器的噪声水平在低频段亦存在明显差异，在一定带宽内抵消效果超过10dB。(图7)

3)准单频噪声信号传感水平比较

将抵消方案水听器和非抵消方案水听器复用，通过输入准单频振动信号，噪声抵消方案水听器和非抵消水听器的对单频振动信号的传感抑制效果接近10dB。(图8)

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于光纤水听器振动噪声抵消的方法，其特征在于：将延时干涉仪(8)安装到水听器(9)位置附近，单脉冲激光(10)由输入端光纤输入到延时干涉仪(8)中，在内部延时合束形成一定时间间隔的双脉冲激光(5)，并由延时干涉仪(8)的输出端光纤输出；延时干涉仪(8)的输出光纤与水听器(9)的输入光纤连接，则双脉冲激光(5)输入水听器(9)干涉光路中，在其中拾取有效信息形成交叉干涉(6)，最终形成干涉脉冲序列(7)输出；其中延时干涉仪(8)敏感臂传感的振动信号与水听器(9)敏感臂传感的振动信号状态相同，相互抵消，干涉脉冲序列(7)保留水听器(9)传感的声信号。

2.根据权利要求1所述的用于光纤水听器振动噪声抵消的方法，其特征在于：所述的延时干涉仪(8)与水听器(9)采用同增敏结构和相同绕制工艺，敏感臂光纤长度相同；在单水听器降噪采用时，两者参考臂长度取相同，延时干涉仪参考臂加载载波信号；在多水听器基元复用时，采用参考臂长度不一致，满足短时延错位延时干涉的条件，使得通过干路调制和光源光频调制可实现水听器低频噪声抵消和湿端光路无源。

3.根据权利要求1或2所述的用于光纤水听器振动噪声抵消的方法，其特征在于：所述延时干涉仪(8)应用于复用水听器光路中，可通过安装在干路中作用于多个水听器(9)，也可每个水听器(9)配套1个；在延时干涉仪(8)与水听器(9)之间加入隔离器(12)使能增加光路回损。

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