基于光学微环谐振器的低频水声信号测量方法研究

发布时间：2019-11-28 03:49

【摘要】：随着海洋战略地位的不断提升,如何更好的保护和开发海洋资源成为一个极其重要的研究课题,发展高性能水听器设备具有异常重要的意义。微环谐振器(Micro Ring Resonator,MRR)由于其易集成、插入损耗小、串扰低且无需端面反馈的突出优点,为海洋低频水声信号的精确测量提供了方向。论文旨在为研制更高灵敏度和更广动态范围的水声测量设备提供理论支持,围绕微环谐振器的参数分析及提高水听器的传感性能开展研究,主要工作如下:首先,论文梳理了国内外在水听器技术方面的研究进程,回顾了海洋声学环境及水声学理论基础、水声信号测量原理与技术。矢量水听器作为目前低频水声信号测量研究的热点方向,对其测量原理进行了回顾。重点深入分析了矢量水听器的指向性和通道灵敏度两大参数特性,推导了其加速度灵敏度aM、声压灵敏度pM、振速灵敏度vM和位移灵敏度Mξ之间的数学关系。论文将利用水声声压对设计器件的影响来进行低频水声信号的测量研究。然后,研究分析了单微环、串联微环和并联微环谐振器的器件结构,利用传输矩阵法推导出微环谐振器的传输函数,再结合有效折射率法、耦合模理论和时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain,FDTD),推导出其谐振半径、有效折射率和传递函数的关系,通过仿真得到其各自的输出光谱。为提高传感器的性能,优化谐振结构的参数,分别研究了串联对称三微环谐振器和并联对称三微环谐振器的输出光谱,结果表明,通过将多个单微环谐振器以串并联的方式组合,能有效提高水听器的传感性能。最后,为了更有效的对低频水声信号进行测量研究,分析了一种悬臂梁式支撑结构的参数性能,并采用了该结构对微环谐振传感结构进行固定和增敏。利用单微环谐振器作为低频水声信号采集器件,设计了一种基于单微环谐振器的悬臂梁式低频水声信号采集装置,得出谐振波长的光谱漂移与海洋低频水声声压的线性关系,从而实现对水声信号的测量。对其进行仿真分析,结果表明该结构拥有较理想的灵敏度和动态范围。最后,分析串联双微环谐振器作为传感受振结构,研究其增敏性能,输出光谱表明,通过采用微环谐振阵列能得到更好的传感性能。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB565.1

【参考文献】

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本文编号：2566888