分布式光纤水听器系统关键技术的研究

发布时间：2020-08-25 11:02

【摘要】：我国拥有广阔的海岸线和富饶的海洋资源,随着海洋勘探工作的开展,光纤水听器展现出十分重要的战略意义和实用价值。分布式光纤传感系统在构建长距离、高精度、大容量的光纤水听器系统方面展现出巨大的潜力,在地震预警、反潜作战、水下防务和油气勘探等灾害预测、资源勘探和国防安全领域有着不可或缺的地位。本文围绕扩展分布式光纤探测系统在微弱水声信号探测领域的应用,将干涉式光纤水听器与分布式光纤声传感系统相结合,对分布式光纤水听器系统中信号电路设计和水听器基元增敏技术等关键技术进行研究。详细介绍了分布式光纤声传感系统原理,设计了一款双通道信号发生电路,设计了弹性层增敏结构的水听器基元和单膜片结构的水听器基元。具体的研究内容如下:1)分布式光纤声传感系统的介绍。从光时域反射技术原理出发,从理论上证明了系统远距离实时定量测量的可行性;详细介绍了系统采用的解调算法--相位生成载波算法的原理;介绍了系统解决方案和工作原理,通过实验测试了系统的关键技术指标,系统最大探测距离为12.5Km,空间采样分辨率为0.4m,空间分辨率为10m,频率响应平坦度为3.9dB,线性拟合优度大于99.5%。2)双通道信号发生电路设计。从直接数字频率合成技术原理出发,研究基于直接数字频率合成技术设计的电路解决方案,对直接数字式频率合成技术的杂散进行分析,采用两枚DDS芯片结合单片机的设计方案,通过调试之后电路能同步输出一路2KHz的正弦信号和一路8KHz的TTL信号,正弦信号幅度在0～3V之间可调,TTL信号脉宽在10～100ns之间可调,信号频率误差小于10ppm。3)增敏基元设计。对弹性增敏层结构水听器基元建立了弹性力学理论分析模型,对基元的声压灵敏度计算式进行了推导,分析了各参数对声压灵敏度的影响,最后制作了水听器基元进行测试实验对理论分析进行验证,实验测得该水听器基元的声压灵敏度等级在-141.6dB左右与理论分析值相差0.2dB,频率响应平坦度小于5dB,信噪比约为40dB,验证了理论分析的正确性。对单膜片结构水听器基元进行了振动力学分析,推导了基元的声压灵敏度计算公式,制作了该水听器基元进行实验对理论分析进行验证,实验测得该水听器基元的声压灵敏度在-123.8dB与理论分析值相差0.4dB,频率响应平坦度小于6dB。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB565.1
【图文】：

邋￣邋１邋－邋？逦＇逡逑示波逡逑图１．２基于ＦＢＧ的干涉型光纤水听器原理示意图逡逑裸光纤光栅的声压灵敏度只有６ｐｍ／ＭＰａ，难以实现声压信号的解调和探测，所以逡逑高精度的解调技术和光纤光栅增敏技术是光纤光栅水听器实用化进程中必须克服的两逡逑大关键问题。国内外对光纤光栅水听器解调和增敏技术的研究较多，２００８年海军潜艇学逡逑院与国防科大采用可调谐窄带激光器和可进行工作点控制的的强度型调制方案，实现了逡逑高精度解调，该水听器采用聚合物边孔封装，声压灵敏度可达５１．３６ｎｍ／ＭＰａ，其水听器逡逑实物图及测试结果如图１．３所示＾１。该水听器可探测的最小声压为６１ｄＢｒｅ：ｌｍｄ／Ｐａ，在逡逑５００邋Ｈｚ处的声压灵敏度为－１５３．３ｄＢ邋ｒｅ：ｎｓ／ｌ，但是从测试结果可以看出该水听器频率逡逑响应曲线的线性度较差。逡逑７｜－邋｝＇＝－０．０８０７４－０．０２１４８Ｘ／３逡逑，／Ｈ）．９９８８９逦Ｘ？逡逑屋；逡逑＾■■欋逦０邋５０邋１００邋１５０邋２００邋２５０邋３００邋３５０逡逑声压Ｐ邋（Ｐａ）逡逑图１．３边孔封装无源光纤光栅水听器实物图及声压测试曲线逡逑综上所述

院与国防科大采用可调谐窄带激光器和可进行工作点控制的的强度型调制方案，实现了逡逑高精度解调，该水听器采用聚合物边孔封装，声压灵敏度可达５１．３６ｎｍ／ＭＰａ，其水听器逡逑实物图及测试结果如图１．３所示＾１。该水听器可探测的最小声压为６１ｄＢｒｅ：ｌｍｄ／Ｐａ，在逡逑５００邋Ｈｚ处的声压灵敏度为－１５３．３ｄＢ邋ｒｅ：ｎｓ／ｌ，但是从测试结果可以看出该水听器频率逡逑响应曲线的线性度较差。逡逑７｜－邋｝＇＝－０．０８０７４－０．０２１４８Ｘ／３逡逑，／Ｈ）．９９８８９逦Ｘ？逡逑屋；逡逑＾■■欋逦０邋５０邋１００邋１５０邋２００邋２５０邋３００邋３５０逡逑声压Ｐ邋（Ｐａ）逡逑图１．３边孔封装无源光纤光栅水听器实物图及声压测试曲线逡逑综上所述，由于光纤光栅体积较小，采用光纤光栅水听器结合ＥＤＦＡ和波分复用技逡逑术可以有效的降低水听器阵列体积。但是相位噪声水平与声压灵敏度受波长分辨率和逡逑ＦＢＧ带宽宽度的限制和相互制约而很难达到主流光纤水听器的的水平，而且随着组网规逡逑４逡逑

邋￣邋１邋－邋？逦＇逡逑示波逡逑图１．２基于ＦＢＧ的干涉型光纤水听器原理示意图逡逑裸光纤光栅的声压灵敏度只有６ｐｍ／ＭＰａ，难以实现声压信号的解调和探测，所以逡逑高精度的解调技术和光纤光栅增敏技术是光纤光栅水听器实用化进程中必须克服的两逡逑大关键问题。国内外对光纤光栅水听器解调和增敏技术的研究较多，２００８年海军潜艇学逡逑院与国防科大采用可调谐窄带激光器和可进行工作点控制的的强度型调制方案，实现了逡逑高精度解调，该水听器采用聚合物边孔封装，声压灵敏度可达５１．３６ｎｍ／ＭＰａ，其水听器逡逑实物图及测试结果如图１．３所示＾１。该水听器可探测的最小声压为６１ｄＢｒｅ：ｌｍｄ／Ｐａ，在逡逑５００邋Ｈｚ处的声压灵敏度为－１５３．３ｄＢ邋ｒｅ：ｎｓ／ｌ，但是从测试结果可以看出该水听器频率逡逑响应曲线的线性度较差。逡逑７｜－邋｝＇＝－０．０８０７４－０．０２１４８Ｘ／３逡逑，／Ｈ）．９９８８９逦Ｘ？逡逑屋；逡逑＾■■欋逦０邋５０邋１００邋１５０邋２００邋２５０邋３００邋３５０逡逑声压Ｐ邋（Ｐａ）逡逑图１．３边孔封装无源光纤光栅水听器实物图及声压测试曲线逡逑综上所述

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 王佳荣;王睿;王蕴青;王毅飞;;基于DDS的函数信号发生器设计[J];科技展望;2015年01期

2 高雄伟;谢秀镯;;基于AD9834的实时可编程波形发生器的设计[J];电子工业专用设备;2014年10期

3 徐汉锋;李东明;吴国军;;光纤光栅水听器研究进展[J];声学与电子工程;2014年01期

4 宋晓燕;张文涛;何俊;李芳;刘育梁;;分布反馈光纤激光水听器相位一致性的测试方法[J];红外与激光工程;2011年02期

5 马丽娜;胡永明;罗洪;张学亮;孟洲;;基于铒镱共掺分布布拉格反射式光纤激光器的有源光纤水听器声压灵敏度[J];中国激光;2009年06期

6 顾宏灿;黄俊斌;苑秉成;谭波;李日忠;李玉;;光纤激光水听器阵列实验研究[J];光电子.激光;2009年05期

7 徐俊;黄钊;肖站;叶雪荣;梁慧敏;;基于直接数字频率合成技术的信号发生器设计[J];江苏电器;2008年09期

8 谢立锋;;基于FPGA的DDS信号发生器的简单实现[J];沿海企业与科技;2007年12期

9 徐团伟;李芳;刘育梁;刘丽辉;;分布反馈光纤激光器模式特性分析[J];中国激光;2007年10期

10 陆春妹;陈美珠;邓建平;;基于DDS技术的数字信号发生器的设计[J];苏州市职业大学学报;2007年02期

相关博士学位论文 前1条

1 林惠祖;基于匹配干涉的光纤光栅水听器阵列关键技术研究[D];国防科学技术大学;2013年

相关硕士学位论文 前5条

1 张凤君;基于余数系统的数字频率合成技术研究及实现[D];电子科技大学;2016年

2 王佳荣;基于DDS技术的信号发生器设计[D];吉林大学;2015年

3 王付印;新型组合式光纤矢量水听器研究[D];国防科学技术大学;2011年

4 林惠祖;谐振式光纤陀螺保偏光纤谐振腔偏振耦合测试系统研究[D];国防科学技术大学;2009年

5 付江蔚;基于DDS信号发生器的研究和设计[D];电子科技大学;2007年

本文编号：2803620