CN111579050A - 一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器 - Google Patents

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Abstract

本发明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。本发明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。

Description

一种带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器
技术领域
本发明涉及水声探测应用技术领域，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。
背景技术
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。
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。
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。
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：
Figure BDA0002492305420000011
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。
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：
Figure BDA0002492305420000021
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。
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：
V0∝1+V cos(φs+φn+φ0)+Vn (3)
其中，V为干涉仪对比度，Vn为系统噪声项，φs为声压引入的光相位差信号，即代表目标声压信号，φn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φs，进而还原声压信息p。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明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。
为实现上述本发明目的，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；
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；
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端尾纤通过设置在外壳上的出纤孔引出外壳。
本发明的工作原理如下：初始状态下，质量块的重力、弹性筒的回复力以及光纤干涉臂的预张力的相互作用，使弹性筒处于最初的平衡状态。当所述的干涉式光纤矢量水听器受到平行于弹性筒轴向的微小加速度，该加速度的矢量沿轴向的分量作用，质量块由于惯性作用对相互对称的两个弹性筒分别施加以拉伸和压缩力。这两个力大小相等、方向相反，从而迫使两个弹性筒在轴向上分别缩短和拉长，形成推挽式结构，导致弹性筒径向上的膨胀和收缩，进而引起所缠绕的两个光纤干涉臂，一个伸长，另一个缩短。于是在传感干涉仪上产生相位差变化。当振动垂直于弹性筒轴向时，该轴向上相对的两个弹性筒产生相同的形变，从而相位差变化为零。
本发明将参考干涉仪与传感干涉仪封装于所述的水听器的外壳内部，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。
优选地，在质量块的Z轴方向上还设有4个耦合器收纳孔；4个所述的光纤干涉仪的光线耦合器放置在耦合器收纳孔中。
优选地，所述的弹性筒是中空的薄壁筒；所述的质量块为球形实心体结构。
优选地，所述的光纤干涉仪为基于分立耦合器分束的非平衡Michelson光纤干涉仪。
进一步地，所述的弹性筒与质量块进行点胶粘接处理；所述的光纤干涉仪的光纤耦合器放置于耦合器收纳孔中并进行点胶粘接处理；所述的光纤干涉仪的光纤干涉臂与弹性筒进行点胶粘接处理。
再进一步地，所述的外壳采用金属外壳，所述的金属外壳的整体尺寸小于声波的波长。
本发明的有益效果如下：
本发明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。
附图说明
图1是现有技术Michelson光纤干涉仪结构图。
图2是现有技术使用声压不敏感参考水听器的系统示意图。
图3是现有技术将光纤光栅作为敏感元件的光纤矢量水听器的结构示意图。
图4是图3所述的光纤矢量水听器的原理示意图。
图5是实施例1所述带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器的结构示意图。
图中，1-质量块、2-弹性筒、3-压盖4-弹性筒安装槽、5-参考干涉仪安装槽、6-耦合器收纳孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图5所示，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1、数量为6个的弹性筒2、数量为4个的光纤干涉仪、外壳；
在质量块1相互正交的X、Y、Z三轴方向上设有6个弹性筒安装槽4，且在Z轴方向上设有2条对称的参考干涉仪安装槽5；
6个所述的弹性筒2依次安装于质量块1上的弹性筒安装槽4，形成X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-六个轴；
所述的弹性2筒的末端设有压盖3，从而将对应的弹性筒2固定在压盖3与质量块1之间；
如图1所示，所述的光纤干涉仪包括依此输入输出尾纤、光纤耦合器、光纤干涉臂、端面反射镜；
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2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2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2上；参考干涉仪的两条光纤干涉臂合并一起缠绕至质量块1的参考干涉仪安装槽5中；
将所述的质量块1、弹性筒2、光纤干涉仪封装于外壳中，且所述的压盖3分别固定在外壳的内壁上，所述的外壳上设有出纤孔，4个所述的光纤干涉仪的输入输出端尾纤通过在外壳上的出纤孔引出外壳。
本实施例的工作原理如下：初始状态下，质量块1的重力、弹性筒2的回复力以及光纤干涉臂的预张力的相互作用，使弹性筒2处于最初的平衡状态。当所述的干涉式光纤矢量水听器受到平行于弹性筒2轴向的微小加速度，该加速度的矢量沿轴向的分量作用，质量块1由于惯性作用对相互对称的两个弹性筒2分别施加以拉伸和压缩力。这两个力大小相等、方向相反，从而迫使两个弹性筒在轴向上分别缩短和拉长，形成推挽式结构，导致弹性筒2径向上的膨胀和收缩，进而引起所缠绕的两个光纤干涉臂，一个伸长，另一个缩短。于是在传感干涉仪上产生相位差变化。当振动垂直于弹性筒2轴向时，该轴向上相对的两个弹性筒2产生相同的形变，从而相位差变化为零。
本实施例所述的干涉式光纤矢量水听器所敏感的只是加速度在弹性筒2轴向的分量，从而实现矢量探测。而参考干涉仪由于两个光纤干涉臂均缠绕于质量块1上，当所述的干涉式光纤矢量水听器受到微小加速度矢量作用时，质量块1弹性形变量很小，使得参考干涉仪的两个光纤干涉臂几乎不产生弹性形变，实现了参考干涉仪对加速度的去敏。此外，参考干涉仪安装槽沿着质量块1的Z轴上下各有一道，其目的是保持质量块1在Z轴方向重量的对称性，将参考干涉仪的两条干涉臂合并在一起缠绕于参考干涉仪安装槽5中，为了保持Z轴方向重量的对称性，两道参考干涉仪安装槽5尽量绕制相同的匝数，目的是让两条干涉臂在受到作用力时产生相同的形变。由于参考干涉仪的两个光纤干涉臂缠绕位置、方向一致，两个光纤干涉臂在同一作用力下产生的极微小形变量相同，避免了推挽式结构带来的增敏效果。
优选地，在质量块1的Z轴方向上还设有4个耦合器收纳孔6；4个所述的光纤干涉仪的光线耦合器放置在耦合器收纳孔6中。本实施例对光纤干涉仪的端面反射镜安装位置不做限制，可以将端面反射镜粘接固定在质量块的合适空余位置上。本实施例所述的端面反射镜优选地采用法拉第旋镜，以实现抗偏振衰落。
在一个具体的实施例中，为了实现水中较弱的声波的检测，较弱的声波对弹性筒的声压作用也比较小，故弹性筒2需要有较大的形变，原则上，弹性筒2越薄则形变越大；所以，本实施例所述的弹性筒2是中空的薄壁筒，采用兼具弹性和支撑强度的聚合物材料，优选地选取杨氏模量和泊松系数小的材质，在保证强度的前提下采用壁厚较小的弹性筒。在声压作用下容易发生形变，能敏感的感受声波，并引起弹性筒2径向上的膨胀和收缩，光纤干涉臂相应的伸缩变形，使水听器具有较高的敏感度。
本实施例所述的质量块1为球形实心体结构，采用密度较大、伸缩性小的金属材料
在一个具体的实施例中，所述的光纤干涉仪为基于分立耦合器分束的非平衡Michelson光纤干涉仪。本实施例采用弹性筒2与质量块1作为增敏手段，当声波带动质量块1振动时，引发弹性筒2的收缩与拉伸，进而实现对绕制在弹性筒2表面的光纤干涉臂长度形变的增敏。此时，声波对水听器的调制主要体现在臂差长度上，即：
Figure BDA0002492305420000071
其中k为比例系数，p为声压信息，该式奠定了干涉型光纤水听器拾取声信号的理论基础。通常激光波长为10-6m量级，光相位差的探测精度通常在10-5～10-6rad，因此通过干涉仪理论上可以探测到小至10-12的光纤细微形变。
在一个具体的实施例中，所述的弹性筒2与质量块1进行点胶粘接处理；所述的光纤干涉仪的光纤耦合器放置于耦合器收纳孔6中并进行点胶粘接处理；所述的光纤干涉仪的光纤干涉臂与弹性筒2进行点胶粘接处理。
在一个具体的实施例中，所述的外壳采用金属外壳，所述的金属外壳的整体尺寸小于声波的波长，如果为球形壳体的话即直径小于声波的波长，如果正方体球壳的话即边长小于声波的波长(一般为球形壳体)。本实施例可以通过更换不同重量的质量块实现调节所述的干涉式光纤矢量水听器的整体中性浮力，从而使水听器作为水声质点随声场加速度运动。
本实施例由于参考干涉仪与传感干涉仪封装于同一水听器的壳体内部，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，因此只需通过参考干涉仪与传感干涉仪的信号进行信号处理，这里所述的信号处理为常规信号处理即可，通过信号处理可以消除传感干涉仪信号的相位噪声。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

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设置在外壳上的出纤孔引出外壳。
2.根据权利要求1所述的带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其特征在于：在质量块的Z轴方向上还设有4个耦合器收纳孔；4个所述的光纤干涉仪的光线耦合器放置在耦合器收纳孔中。
3.根据权利要求1所述的带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其特征在于：所述的弹性筒是中空的薄壁筒；所述的质量块为球形实心体结构。
4.根据权利要求1所述的带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其特征在于：所述的光纤干涉仪为基于分立耦合器分束的非平衡Michelson光纤干涉仪。
5.根据权利要求1～4任一项所述的带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其特征在于：所述的弹性筒与质量块进行点胶粘接处理；所述的光纤干涉仪的光纤耦合器放置于耦合器收纳孔中，并进行点胶粘接处理；所述的光纤干涉仪的光纤干涉臂与弹性筒进行点胶粘接处理。
6.根据权利要求5所述的带参考干涉仪的干涉式光纤矢量水听器，其特征在于：所述的外壳采用金属外壳，所述的金属外壳的整体尺寸小于声波的波长。
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