基于LabVIEW的光纤水听器闭环工作点控制系统

介绍了一种基于LabVIEW的干涉型光纤水听器闭环工作点控制系统.该系统通过调节光源频率,利用非平衡干涉仪两臂的光程差产生补偿相位,实现了工作点的控制,从而避免了在干涉仪中引入压电陶瓷(PZT),提高了系统的稳定性与可靠性.同时,对传统的信号解调算法进行了改进,提高了解调精度和动态范围.利用该系统对某一干涉型光纤水听器的声压相位灵敏度进行了测量.在频带102～2×103 Hz上,平均灵敏度为-162 dB,频响波动＜±1.0 dB,与采用相位载波(PGC)调制解调方法测量的结果基本一致,验证了该系统的可行性.     

基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器

报道了基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器研究结果.采用全保偏光纤干涉仪结构消除了偏振不稳定性,运用相位载波调制解调信号处理技术消除相位随机漂移引起的干涉信号衰落的影响,实现了对声信号的稳定检测和光纤水听器探头的全光纤化.实验测得在20～1 600 Hz频段,光纤水听器的相位灵敏度约为-162.5 dB,灵敏度的起伏为±0.7 dB,500 Hz单频点的灵敏度变化小于0.1 dB.     

基于3×3耦合器的光纤水听器时分复用系统的光强补偿方法

提出一种在光纤水听器时分复用系统中以3×3耦合器作为匹配干涉仪的光强补偿方案,光纤水听器仍为2×2耦合器结构。该方案以时分复用中的非干涉脉冲作参考光强,通过对3×3耦合器两路输出进行简单数学运算并结合数字反正切技术实现信号解调,光强波动和耦合器分光比变化导致的信号畸变得到有效抑制。算法不需要载波调制,可实现光纤水听器近似等臂干涉,有利于降低系统相位噪声。算法的运算量小且适用于一般的非对称3×3耦合器,解调动态范围大。利用该方案实现了8路光纤水听器时分复用实验系统,在光功率变化约10%时,光强补偿方法可将总谐波失真平均值降低30dB,系统噪声本底在信号频率为1kHz时小于30μrad/Hz1/2。     

光纤干涉仪动态相移测量的新方法及应用

提出了一种光纤干涉仪动态相移测量的新方法.该方法无需对光源进行调制,直接利用干涉信号的直流量和一次谐波分量,通过构造匹配函数的方法求解动态相移,实现了无源零差检测,而且具有信号解调简单、工作频带宽等特点.为了验证该方法的有效性,搭建了一个全保偏Mach-Zehnder光纤干涉仪系统,对压电陶瓷(PZT)产生的模拟动态相移进行求解.结果表明,求解得到的动态相移幅度与加载在PZT上的电压具有很好的线性关系,这与PZT的低频小信号特性一致.最后将该方法用于干涉型光纤水听器声压相位灵敏度频响的测量,实验结果与采用相位载波调制解调方法获得的结果基本吻合.     

光纤水听器时分复用系统通过3×3耦合器信号解调的一种新算法

提出了在光纤水听器时分复用系统中采用3×3耦合器解调信号的一种新算法。在该方案中,光纤水听器仍为2×2耦合器结构,3×3耦合器作为匹配干涉仪,利用其三路输出的线性组合和数字反正切技术实现信号解调,解调中使用的参数通过奇异值分解和椭圆拟合得到。该方案不需要载波调制,可实现光纤水听器近似等臂干涉,有利于抑制系统相位噪声。算法的运算量小且适用于一般的非对称3×3耦合器,解调的动态范围很大。最终利用该方案实现了两路光纤水听器时分复用的实验系统,在1 kHz时,系统的噪声本底为31μrad/Hz,动态范围超过125 dB,串扰小于64 dB。     

基于3dB光纤耦合器构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪稳定控制系统

Mach-Zehnder光纤干涉仪（MZI）是一种利用光干涉原理制成的仪器,具有体积小、重量轻、结构紧凑、抗电磁干扰和灵敏度高等优点。但是,Mach-Zehnder光纤干涉仪是一种非平衡并行结构,易受环境等因素影响导致其性能不稳定。因此,高性能测量系统和通信系统对光纤干涉仪的稳定工作提出了严格的要求。提出了一种基于3 dB光纤耦合器构成的Mach-Zehnder干涉仪的稳定控制系统,其目的是通过对探测器的输出信号进行调制,并反馈到光纤干涉仪的一臂上进行偏置控制,从而实现Mach-Zehnder光纤干涉仪的稳定工作。该方法实现简单,克服了现有3 dB光纤耦合器构成的Mach-Zehnder光纤干涉仪不能稳定工作的问题。     

干涉型光纤水听器移频正交解调方法

干涉型光纤水听器将目标声压信号调制在激光相位上,需要进行相位解调才能恢复出目标声压信号。提出一种干涉型光纤水听器移频正交解调方法,采用移频与延时装置产生一个具有固定光频差的激光脉冲对,配合光纤水听器单元的两条干涉臂之间的特定程差,形成正交信号,同时利用干涉脉冲和参考脉冲的幅值比例关系,主要依靠简单的数学乘加运算即可实现相位解调。实测结果表明,本方法解调结果准确,抗光功率波动干扰能力强,本底噪声性能优异,可以满足光纤水听器的实际应用需求。     

补偿光纤Michelson弱磁传感器相位漂移的新方法

提出了基于谐波分析的相位补偿法,用以解决光纤Michelson弱磁传感器中由于环境因素如温度变化等引起相位漂移带来的输出信号衰落问题。该方法对正交工作点附近相位变化非常敏感,利用干涉仪参考臂压电陶瓷(PZT)的反馈电压可有效地控制相位漂移。实验表明:干涉仪相位变化小于1°;将高频调制磁场Hmcosωmt加于干涉仪信号臂换能器上探测直流弱磁信号,传感器输出信号稳定性好,线性度优于1%,灵敏度达3.5×10-6rad/nT(Hm=4 000 nT)。     

基于3×3耦合器的Sagnac型光纤电流传感器结构

提出了一种新的Sagnac干涉型光纤电流传感器结构。利用Faraday效应的非互易性,采用一个3×3光纤耦合器实现相位偏置。利用散射矩阵分析了耦合器的输出特性,建立了干涉仪输出信号的数学模型,对耦合器性能对干涉仪灵敏度的影响进行了理论分析,得到了耦合器的最佳耦合比。     

干涉型光纤传感器偏振衰落动态补偿技术

为了消除单模光纤制作的光纤传感器常会因外部环境扰动而引起相位衰落和偏振衰落,通过改进传统的马赫-泽德干涉仪,利用高频振荡的PZT结合相位生成载波零差解调电路用来补偿相位衰落,引入一个可随干涉信号的幅值变化旋转的半波片来调整输出的干涉信号,据此可实现偏振衰落的动态补偿.通过理论分析可以得出由偏振衰落造成的信号幅度波动不大于3dB.     

一种用于干涉型光纤传感器动态相移测量的J0-J1法

提出了一种用于干涉型光纤传感器动态相移测量的J0-J1法,实现了无源零差检测,而且信号解调算法简单,检测频带宽。详细介绍了该方法的基本检测原理,并对解调误差进行了理论分析与仿真,得出了系统能够检测的最大动态相移幅度与干涉仪的工作点允许变化的范围相互制约的结论。编写了实时的信号采集、处理程序,对某一干涉型光纤水听器探头的声压灵敏度进行了测量。在频带20~1300Hz上,平均声压灵敏度为-162dB(0dB=1rad/μPa),波动<±1.0dB,单频点500Hz的灵敏度变化<±0.5dB,与采用相位载波(PGC)调制解调法测量的结果基本一致,验证了J0-J1法的可行性。     

高性能三维全保偏光纤矢量水听器研制

研制了高性能的三维光纤矢量听水器,采用全保偏光纤结构消除偏振不稳定性影响、光频调制相位载波（PGc）技术消除随机相位漂移,实现了探测单元的全光化。优化结构设计,采用薄壁空心刚性圆柱结构作为弹性柱体,大大拓展了光纤矢量水听器的工作频带,同时保证了水听器探测灵敏度。经权威机构检测,该光纤矢量水听器的工作频带为20～2000...     

光纤激光器相干合成系统中组束误差对远场光场的影响

对光纤激光器相干合成系统中组束误差对远场光场分布的影响进行了数值研究,分析了输出单元占空比、位置误差和平行度误差对远场光场分布的影响。结果表明,输出单元占空比的增加只能提高中心光斑的能量,但无法改变中心光斑的平均光强;而位置误差会使远场光场中的旁瓣能量减弱,降低光纤激光器相干合成系统的转换效率。分析发现,位置误差的这种影响可以通过增加输出单元的占空比来减弱。最后,通过分析平行度误差对远场光场的影响,对光纤激光器相干合成系统中的平行度误差控制提出了建议。     

芯轴型光纤水听器灵敏度的优化设计

声压相移灵敏度是光纤水听器的重要指标之一,提高灵敏度是光纤水听器设计的基本原则.应用正交设计方法对光纤水听器声压灵敏度指标进行优化设计,提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的三维声压相移灵敏度理论模型,对其灵敏度特性进行了研究.根据提出的结构,制作了探头.通过试验测试,理论模型符合实际测试结果,并且通过极差分析方法得到各种因素对于光纤水听器灵敏度的影响程度,进而得到了优化设计方案.     

光纤水听器远程传输中相干瑞利噪声的抑制

在使用窄线宽光源的干涉型光纤水听器远程传输系统中,瑞利散射通过多光束干涉引入了严重的相干噪声。分析了光纤远程传输产生的单次瑞利后向散射(RB)和双重瑞利散射(DRS)对干涉系统的影响,并使用隔离器对RB进行抑制。推导了DRS引入的相位噪声的模型,通过讨论DRS的调制特性,得出相位产生载波(PGC)技术在消除相位衰落的同时也可以大大抑制DRS产生相干噪声的结论。实验结果表明,在光纤水听器往返各25km的传输系统中,隔离器对RB产生的相位噪声抑制最大达20dB,PGC技术对DRS噪声的抑制最大达10dB。在同时抑制RB和DRS后,50km光纤传输系统中相干瑞利散射噪声的影响基本消除。     

基于光纤激光器的微振动信号保真拾取干涉仪

提出了一种新型的远距离微振动信号的测量和保真拾取系统.该系统基于迈克尔逊干涉仪结构,以窄线宽光纤激光器为光源,采用相位载波零差解调方案实现信号的还原.通过优化压电陶瓷堆(PZT)相位调制器驱动电路,有效地提升了系统的频率响应范围.通过引入移相电路提高了系统的信噪比.系统在50 Hz～4 kHz频率范围内线性度良好,输出信号的信噪比为60 dB,谐波抑制比为50 dB,系统的灵敏度为1×10-5rad/Hz1/2.     

Multiplexing of interferometric sensors using phase carrier techniques

This paper demonstrates the multiplexing of fiber-optic interferometric sensors using a CW phase generated carrier technique. The technique employs modulated diode laser sources at different carrier frequencies, nearly balanced interferometers (∼4-cm path difference), and phase generated carrier demultiplexing demodulation. This approach leads to a simple all-passive sensor array which has intrinsically low crosstalk. The system is analyzed in terms of shot noise performance and crosstalk. An experimental all optical implementation of a four sensor array was demonstrated; both the single sensor and multisensor arrays were limited by the laser phase noise to a sensitivity ofsim 18 murad/sqrt{Hz}. Crosstalk between individual channels was better than -60 dB and crosstalk between three sensors and the test sensor was better than -55 dB. In the absence of laser phase noise the demodulator/demultiplexer demonstratedsim 2-murad performance with both single sensor and four element array operation.     

封装对超细型DFB光纤激光水听器性能的影响(特邀)

对超细型DFB光纤激光水听器探头封装进行了研究。通过有限元方法建立了封装结构理论模型,探讨了影响超细型光纤激光水听器频率响应与灵敏度起伏之间的因素,在灵敏度、频响一致性等指标间找到了平衡点。最后,制作了光纤激光水听器,直径6 mm,长度55 mm,灵敏度-130 dB,100 Hz~2 kHz灵敏度响应起伏4 dB,通过测试验证了理论分析和仿真的符合性。     

干涉型保偏光纤微振动矢量传感器研究

报道了干涉型保偏光纤微振动矢量传感器的理论与实验结果。传感器采用全保偏光纤结构 ,消除了偏振不稳定性 ,系统采用光频调制相位载波 (PGC)解调信号处理技术 ,消除了干涉仪初始相差的影响 ,从而实现了对传感信号的稳定检测。对三轴正交芯轴式干涉型全保偏推挽结构的光纤微振动矢量传感器进行了理论和实验研究。由理论得到了简化公式 ,并通过公式分析了各种参数对传感器谐振频率与灵敏度等特性的影响。由实验得到系统谐振频率约为 370Hz,与 375Hz的理论结果基本一致。在 5～ 2 0 0Hz频段系统灵敏度响应平坦 ,约为 340rad/g ,略低于 35 6rad/g的理论值。该传感器具有良好的矢量性 ,在 4 5°方向的灵敏度约为轴向灵敏度的 0 7倍 ,与理论结果一致 ,正交方向串扰小于 - 2 6dB。系统最小可测相位为 10 -5rad ,最小可测加速度为 3× 10 -8g。