基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術(shù)的發(fā)展論文
引言
水下安防是一個(gè)特殊領(lǐng)域,其主要作用是在臨水特定區(qū)域?qū)ν苋恕C(jī)器人等水下入侵目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警。目前世界各國對來自空中和地面的恐怖襲擊,已有了較為成熟的應(yīng)對措施,但對較為隱蔽的水下恐怖襲擊還缺乏行之有效的防控手段,是反恐的薄弱環(huán)節(jié)。隨著恐怖活動(dòng)不斷從陸地向水下發(fā)展,對水下入侵目標(biāo)的檢測以及跟蹤、識(shí)別成為新的關(guān)注焦點(diǎn)［1］。水下環(huán)境的特殊性使得聲波成為主要的信息傳輸工具,同時(shí)也對電磁類器件在水下的長期使用提出了諸多限制。光纖傳感技術(shù)近年來快速發(fā)展,以其靈敏度高、不含電磁器件的獨(dú)特優(yōu)勢成為水下傳感的優(yōu)選。利用光纖做傳感元件對水聲信號(hào)進(jìn)行探測相比傳統(tǒng)的壓電陶瓷具有噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾與信號(hào)串?dāng)_能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)輕巧、適于遠(yuǎn)距離傳輸、組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)［24］。本文將提出一種基于微分干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)測量的水下全光纖聲音偵聽技術(shù),并通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。
1基本原理
干涉型光纖傳感技術(shù)具有高分辨率、高精度、高響應(yīng)速度的優(yōu)點(diǎn),而其中以相位壓縮原理為基礎(chǔ)的微分干涉型光纖傳感,因?yàn)槔昧斯补饴返母缮娼Y(jié)構(gòu),相較傳統(tǒng)干涉結(jié)構(gòu),又同時(shí)具有了隔離靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)的環(huán)境噪聲影響(溫度起伏等)、對光源要求低(可利用寬光譜光源)、線性范圍大(相位壓縮)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),更具有實(shí)用價(jià)值,在長距離、大范圍區(qū)域內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息的分布式監(jiān)測方面有大的應(yīng)用潛力［511］。光學(xué)儀器第36卷第1期唐璜，等：基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術(shù)水下蛙人或機(jī)器人運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)是以聲波的形式傳播到光纖,根據(jù)光纖的光彈效應(yīng),從而對光纖中傳播的光信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制。可利用圖1中所示的微分干涉型光路結(jié)構(gòu)來進(jìn)行解調(diào),該系統(tǒng)包括一個(gè)寬光譜光源、兩個(gè)光電探測器、一個(gè)2×2 光纖耦合器、一個(gè)3×3光纖耦合器、一段光纖延遲線、帶有反射端的傳感光纖。圖1系統(tǒng)組成示意圖
Fig.1The schematic diagram of the system從寬光譜光源發(fā)出的光信號(hào)首先被3×3光纖耦合器平分為三路,其中的兩路光信號(hào)分別通過延遲臂和直接臂,經(jīng)2×2光纖耦合器會(huì)合后沿傳感光纖傳播,遇到反射端后,這兩路光信號(hào)原路返回,被2×2 光纖耦合器又平分為4路光信號(hào),這4路光信號(hào)再次通過延遲臂和直接臂,通過3×3光纖耦合器后分別進(jìn)入到兩個(gè)探測器。兩個(gè)探測器形成兩路輸出信號(hào),有利于后續(xù)的信號(hào)處理。該光路系統(tǒng)中一共存在如下的4路光信號(hào):光路1:光源→3×3光纖耦合器→延遲臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→延遲臂→探測器光路2:光源→3×3光纖耦合器→延遲臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→直接臂→探測器光路3:光源→3×3光纖耦合器→直接臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→直接臂→探測器光路4:光源→3×3光纖耦合器→直接臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→延遲臂→探測器由于寬光譜光源的相干長度極短,只有光路2和4才能夠產(chǎn)生干涉,其他光路之間的.光程差大于相干長度,只提供直流成分。當(dāng)傳感光纖靜止不動(dòng)的時(shí)候,光路2和光路4的光程完全相同;當(dāng)傳感光纖某一部分被聲波信號(hào)調(diào)制時(shí),光路2和光路4中傳播的光信號(hào)經(jīng)過該部分傳感光纖時(shí)具有時(shí)間差(該時(shí)間差為光纖延遲線引入的時(shí)間延遲),因此當(dāng)兩路光信號(hào)疊加后即產(chǎn)生微分干涉現(xiàn)象。假設(shè)聲波信號(hào)對光纖調(diào)制引起內(nèi)部的光程變化量為L(t),光纖延遲線引入的時(shí)間延遲為τ,則上述光路2、光路4兩路光信號(hào)疊加后所形成的光程差為L(t+τ)－L(t),則該光程差的變化在干涉系統(tǒng)中形成的干涉相位φ(t)可表示為φ(t)=2πλL′(t)τ(1)其中,L′(t)=dL(t)dt表示調(diào)制引起的光程變化率,與光纖的光彈特性有關(guān),λ為光的波長。濾除掉直流成分后,最終在兩個(gè)探測器中探測到的對應(yīng)光信號(hào)分量為I1(t)=I0cos［φ(t)+φ0］(2)
I2(t)=I0cos［φ(t)－φ0］(3)其中,φ0為由3×3光纖耦合器引入的初始相位差。根據(jù)式(1)、式(2)和式(3),可求得反映調(diào)制速率的物理量L′(t),通過積分運(yùn)算,最終實(shí)現(xiàn)對傳感光纖周圍環(huán)境中聲音信號(hào)的真實(shí)還原。在實(shí)際應(yīng)用中,圖1中的系統(tǒng)可被虛線劃分為4個(gè)區(qū)域:監(jiān)控區(qū)、傳輸區(qū)、預(yù)處理區(qū)和水下傳感區(qū)。其中,傳感區(qū)為水下的待測區(qū)域,將傳感光纖纏繞在護(hù)欄上放入水下,并在末端制作一個(gè)反射端面;預(yù)處理區(qū)為干涉光路的主要組成部分,起到分離傳感光纖和傳輸光纖的作用,即預(yù)處理區(qū)靠近監(jiān)控區(qū)的一側(cè)連接光纖只能傳輸調(diào)制后的光信號(hào),該段光纖本身不能感知外界的聲波信號(hào);監(jiān)控區(qū)由光源、探測器以及必須的軟硬件部分組成,可放置在遠(yuǎn)離待測區(qū)域的監(jiān)控室內(nèi);監(jiān)控區(qū)和預(yù)處理區(qū)之間由常規(guī)的通信光纖(纜)遠(yuǎn)程連接。本系統(tǒng)除了在遠(yuǎn)離待測區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控部分需要電能供應(yīng)外,其余部分全部由光纖及無源器件組成,不含電磁器件,無需電能供應(yīng),適合在水下長期運(yùn)行。同時(shí)基于微分干涉的傳感原理,本系統(tǒng)只響應(yīng)聲波引起的振動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化的物理量,而周圍環(huán)境中溫度起伏、水壓變化等靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)的物理量,由于他們的變化頻率遠(yuǎn)小于1/τ,不會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,這些干擾因素將被本系統(tǒng)免疫。
2模擬實(shí)驗(yàn)
如圖2所示,模擬實(shí)驗(yàn)在某游泳池內(nèi)進(jìn)行。泳池水深2.5 m,將本系統(tǒng)的傳感光纖(直徑0.9 mm緊包光纖)放置在泳池一側(cè)底部,距離一邊3.5 m的位置,在泳池另一側(cè)實(shí)驗(yàn)人員穿戴腳蹼后,在水下約2 m的深度在位置1和位置2兩點(diǎn)之間潛泳,兩點(diǎn)之間的距離為10 m。圖中L為蛙人和傳感光纖之間的距離。
圖2模擬實(shí)驗(yàn)示意圖
Fig.2The schematic diagram of experimental simulation
圖3為在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)回放的水下聲音數(shù)據(jù)圖,由上而下分別為L=45 m、40 m和35 m處潛泳時(shí)的聲音數(shù)據(jù)。從測試數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場的聲音回放可以看出,潛泳時(shí),本系統(tǒng)能夠捕捉到蛙人引起水波擾動(dòng)的聲音信號(hào),有效探測距離大于45 m。
圖3探測到不同距離的聲波數(shù)據(jù)圖
Fig.3Sound wave data detected at various distances
3結(jié)論
本文介紹了一種基于微分干涉原理的全光纖水下聲音偵聽系統(tǒng)及其模擬實(shí)驗(yàn)。本系統(tǒng)利用寬光譜光源和新型的干涉光路結(jié)構(gòu),使得傳感光纖僅對聲波引起的振動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化的物理量 進(jìn)行傳感,而對環(huán)境溫度起伏、水壓變化等靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)物理量免疫。本系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)干涉型光纖傳感技術(shù)高靈敏度優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,克服了其易受環(huán)境干擾影響的缺點(diǎn),能夠在水下復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定有效地工作。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。
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