基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽(tīng)技術(shù)

2014-07-08 20:18:28唐璜繆璇趙棟

光學(xué)儀器 2014年2期

唐璜++繆璇++趙棟+

文章編號(hào)： 10055630(2014)02010705

收稿日期： 20130926

基金項(xiàng)目： 973課題(2010CB327805);科技部科技支撐計(jì)劃課題(2011BAF06B01);國(guó)家重大科學(xué)儀器專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ150213);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61107077);上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(11231203400)

摘要：針對(duì)水下安防這個(gè)特殊領(lǐng)域,介紹了一種基于微分干涉原理的全光纖水下聲音傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)光路采用改進(jìn)的Sagnac結(jié)構(gòu),利用寬光譜光源,實(shí)現(xiàn)了以相位壓縮原理為基礎(chǔ)的微分干涉,相較傳統(tǒng)干涉結(jié)構(gòu),本系統(tǒng)基于干涉光束共光路的特性,只響應(yīng)振動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化的物理量,自動(dòng)屏蔽溫度起伏等靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)干擾因素,使其在保持傳統(tǒng)光學(xué)干涉類傳感器高靈敏性的同時(shí),又克服了傳統(tǒng)干涉類傳感器不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)的水下部分僅由光纖及其無(wú)源器件組成,適應(yīng)水下長(zhǎng)期工作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可行、有效。

關(guān)鍵詞：水下偵聽(tīng); 光纖; 微分干涉; 傳感器

中圖分類號(hào)： TB 937文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.004

Submarine listening based on fiber differential interferometer

TANG Huang1, MIAO Xuan2, ZHAO Dong1

(1.Department of Material Science, Fudan University, Shanghai 200433, China;

2.Shanghai Fudan Intelligent Surveillance Equipment Co., Ltd., Shanghai 200433, China)

Abstract： Submarine security is a special field. A submarine listening system based on fiber differential interferometer is introduced in this paper. Because of a modified sagnac interferometer and a broadband source, its optical system is a differential interferometer depending on the principle of phase compression. Based on the commonoptical path interferometer, this system only responds on dynamic disturbance such as vibration, and neglects static or quasistatic parameters such as temperature fluctuation. This system not only has the highsensitivity of traditional interferometric sensors, but also overcomes the instability of them, which tends to be affected from the external environmental condition such as temperature fluctuation. The underwater part of this system is fiber and passive optical components, which fits the longterm works in submarine condition. At last, the experimental results verify the feasibility of the system.

Key words： submarine listening; fiber; differential interference; sensor

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?、機(jī)器人等水下入侵目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。目前世界各國(guó)對(duì)來(lái)自空中和地面的恐怖襲擊,已有了較為成熟的應(yīng)對(duì)措施,但對(duì)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(duì)水下入侵目標(biāo)的檢測(cè)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(duì)電磁類器件在水下的長(zhǎng)期使用提出了諸多限制。光纖傳感技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展,以其靈敏度高、不含電磁器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為水下傳感的優(yōu)選。利用光纖做傳感元件對(duì)水聲信號(hào)進(jìn)行探測(cè)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)［24］。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(cè)量的水下全光纖聲音偵聽(tīng)技術(shù),并通過(guò)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(duì)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(zhǎng)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(cè)方面有大的應(yīng)用潛力［511］。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(tīng)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(duì)光纖中傳播的光信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)制?？衫脠D1中所示的微分干涉型光路結(jié)構(gòu)來(lái)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(cè)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(guò)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(guò)延遲臂和直接臂,通過(guò)3×3光纖耦合器后分別進(jìn)入到兩個(gè)探測(cè)器。兩個(gè)探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器由于寬光譜光源的相干長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)光纖調(diào)制引起內(nèi)部的光程變化量為L(zhǎng)(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(zhǎng)(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(zhǎng)。濾除掉直流成分后,最終在兩個(gè)探測(cè)器中探測(cè)到的對(duì)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(guò)積分運(yùn)算,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感光纖周?chē)h(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(cè)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(cè)器以及必須的軟硬件部分組成,可放置在遠(yuǎn)離待測(cè)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(cè)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(wú)源器件組成,不含電磁器件,無(wú)需電能供應(yīng),適合在水下長(zhǎng)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?chē)h(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(zhǎng)=45 m、40 m和35 m處潛泳時(shí)的聲音數(shù)據(jù)。從測(cè)試數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)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(cè)距離大于45 m。

圖3探測(cè)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(tīng)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(duì)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(duì)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。參考文獻(xiàn)：

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