超低频光纤水听器的研制
光纤水听器由于其灵敏度高、动态范围大、不受电磁干扰、容易阵列复用等优势已经在军事和民用领域表现出了巨大的应用价值，是一直以来的研究热点并且得到空前发展。尽管目前已有的光纤水听器在模拟水声探测场景中已经显示出良好的性能，但在低频性和灵敏性方面仍需要改进。反潜作战和深海资源开发对新技术的迫切需求推动和促进了超低频光纤水听器的兴起和发展。近些年随着消声技术和潜艇减振降噪技术的发展，静默型潜艇的主要辐射噪声已趋向于低频甚至超低频，潜艇自身机械结构的本征振动信号大多在10Hz以下，水下目标的超低频特征信号很难被“隐身”；而且超低频的水声信号在水中传输衰减小，传输距离远，有效探测距离理论可达数千公里。因此研发超低频、高灵敏度、低噪声的高性能光纤水听器有望实现水下目标（尤其是静默型潜艇）的远距离探测，可以大大增强我国的远距离御敌能力，又可以为探索深海构成与开发深海资源的前沿技术提供基础，在军事和民用领域内均具有重要的应用意义。 为了满足目前对水下声信号低频、高灵敏度的探测需求，本文研制了一套具有高灵敏度和宽频带响应的高性能超低频光纤水听器，主要研究内容如下： 研究了常见干涉式光纤水听器干涉仪的类型及其工作原理，通过对比分析它们的原理和特点，确定了本文研制的超低频光纤水听器的干涉仪类型为Michelson干涉型。详细阐述了超低频光纤水听器总体结构设计和工作原理，根据超低频光纤水听器的应用需求，提出了超低频光纤水听器的技术指标。 设计了基于推挽结构的干涉式超低频光纤水听器传感探头，详细阐述了其工作原理。基于弹性力学理论分析了超低频光纤水听器的声压灵敏度，同时分析了弹性管两端约束情况下对声压灵敏度的影响。基于有限元方法详细分析了超低频光纤水听器中两个弹性管的材料属性（杨氏模量和泊松比）以及弹性管尺寸参数（厚度、管1外半径、管2外半径及长度）对声压灵敏度和谐振频率的影响。 研究了超低频光纤水听系统，详细阐述了超低频光纤水听器传感探头的制作及封装。研究了相位生成载波内调制技术，实验测试验证了激光器的输出光频随驱动电流的变化。研究了微分交叉相乘和反正切两种解调算法，仿真和实验测试验证了两种解调算法的有效性。研究了解调算法中调制深度的选取，提出了一种根据干涉信号时域快速准确确定实验过程中设定最佳调制深度值的方法，并进行了仿真和实验验证测试。基于相位噪声分析，研究了超低频光纤水听器激光器和干涉仪臂长差的选取。 对研制的超低频光纤水听系统进行了实验研究和计量标定。介绍了超低频光纤水听器主要性能参数的测量方法和实验测试平台的建立。进行了超低频光纤水听器的幅度响应稳定性和线性度测试，验证了系统具有很好的时间稳定性和线性度。进行了超低频光纤水听器的声压灵敏度测试，证实了和理论计算结果可以很好的吻合。此外，实验测试验证了推挽式光纤水听器的声压灵敏度比同类型单一传感臂的光纤水听器声压灵敏度提高5.7dB，证明了推挽结构的可行性和可靠性。对系统的电路噪声、激光器的相位噪声、解调后的系统输出相位噪声进行了测试，同时对系统的等效噪声压进行了测试，证明了超低频光纤水听器在10Hz处的等效噪声压比从Wenz谱估计的10Hz频点处的海洋环境噪声低接近7dB；在1kHz频点处，其等效噪声压比深海零状态的噪声低20dB。研究了超低频光纤水听器的动态范围上限，同时实验测试了系统的动态范围。最后对研制的超低频光纤水听器声压灵敏度、等效噪声压谱级、动态范围性能参数进行了计量标定，验证了实验测试结果的准确性。 综上所述，研制的超低频光纤水听器具有超低频探测、宽频带响应、高灵敏度、低噪声、大动态范围的高性能，在1～5000Hz频率范围内平均声压灵敏度达-131.50dBre1rad/μPa；系统相位噪声为-67.68dBre1rad/√Hz@10Hz，-107.95dBre1rad/√Hz@1kHz；等效噪声压为1.58mPa/√Hz@10Hz，13.68μPa/√Hz@1kHz；系统平均动态范围为127dB。因此，基于推挽结构的超低频光纤干涉式水听器在水下声波远距离探测和实际声纳系统应用方面均具有巨大的潜力。
光纤水听器;超低频水听器;光纤干涉仪;声压灵敏度;相位生成载波
吉林大学
博士
测试计量技术及仪器
崔洪亮
2022
中文
TB565.1
2022-11-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）