基于外差检测的干涉型光纤水听器阵列系统若干关键技术研究

发布时间：2020-07-24 08:30

【摘要】：随着海洋科学的兴起，光纤水听器成为了研究的热点，在海洋探测中的应用越来越广泛。然而随着应用的深入，其信号检测技术却凸显出了局限性，这主要体现在当前信号检测技术有限的动态范围已不能满足光纤水听器阵列在深海地层探测等领域中的应用需求，阻碍了光纤水听器的实用化进程。外差检测技术具有大动态范围、算法复杂度低等特点，为解决目前所面临的瓶颈问题提供了很好的技术方案，此外与其相对应的光学系统结构更适合组成大规模光纤水听器传感网络的需求，因此发展基于外差检测的光纤水听器阵列对深化光纤水听器工程应用、推动海洋科学的发展都具有非常重要的意义。论文针对基于外差检测的光纤水听器阵列几项关键技术展开深入研究，包括：外差检测技术的全数字化实现；系统动态范围上限的拓展；系统噪声分析及抑制；阵列串扰的产生及抑制。分析了基于外差检测的光纤水听器阵列的结构特点，对外差检测算法中涉及的正交信号获取和正交解调算法进行了分析，设计了检测过程全数字化实现的方法，从外差解调算法原理和阵列结构特点定性地分析了影响外差干涉型光纤水听器系统动态范围的因素。为最大限度地提升外差干涉系统的动态范围上限，分别分析了外差频率、正交解调算法和数字采样率对动态范围上限的影响，对它们进行了综合对比，给出了在有限采样率下达到最大动态范围上限的方案选择及参数设计，并进行了实验测试。在系统噪声分析方面，从理论上推导了外差干涉光纤水听器系统中激光器相位噪声与激光器线宽的关系、移频器频率不稳定引入的相位噪声和传输光纤中由瑞利散射引起的相位噪声，以及它们对系统性能的影响，指出在准等臂干涉条件下对激光器线宽的要求可以降低，提出采用基于光学同步参考的移频噪声抑制方案和激光器加频率调制的方法来抑制相干瑞利散射噪声，并对每种抑制措施都进行了实验验证。搭建了基于外差检测的4基元光纤水听器阵列演示系统，对阵列系统中的串扰问题进行了理论分析和实验测试，基于该系统对外差检测的系统性能进行了综合测试。论文的主要研究结果和创新点如下： 1、提出了基于光学同步参考信号的方法消除光纤水听器外差检测系统中移频噪声的影响，使得外差检测系统的噪声水平在300Hz以上降到了-100dB/√Hz以下。这种方法在解调过程中实现了噪声的消除，不需要引入额外的去噪声过程，而且降低了对移频器件噪声性能的要求，使得外差检测技术在对噪声性能要求较高的光纤水听器系统中可以得到广泛的应用。 2、分析得出外差检测的动态范围上限由外差频率和正交解调算法共同决定；首次从理论上对比分析了外差频率、反正切算法和微分-交叉相乘算法对动态范围上限的影响；得出在采样率有限条件下设置外差频率为1/4采样率且选择反正切解调算法可以最大化系统动态范围上限的结论。按照当前系统的性能，在1kHz信号频率处最大可检测信号为1000rad，比当前的信号检测系统动态范围上限提高了2个数量级。结合噪声抑制的结果，本系统在1kHz信号频率处可以实现160dB的检测动态范围。 3、基于延迟自外差法对调频激光器的线宽特性进行了深入的理论研究，得到了激光线宽与光频调制的幅度、频率以及延迟光纤长度之间的关系，为采用光频调制方法抑制长距离传输光纤水听器系统中的相干瑞利散射噪声奠定了理论基础；实验验证了用该方法抑制长距离传输光纤水听器系统中相干瑞利散射噪声的可行性。 4、提出了一种查表-坐标旋转-近似联合的快速正交信号解调算法，这种算法需要一次查表、一次坐标旋转和一次小量近似就可以获得10-6精度的反正切计算结果，并且表格占用的存储空间非常小，可以实时、快速、准确地实现光纤水听器系统外差干涉信号的全数字化相位解调。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P716.41

【参考文献】