基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術的發展論文
引言
水下安防是一個特殊領域,其主要作用是在臨水特定區域對蛙人、機器人等水下入侵目標進行實時監測與預警。目前世界各國對來自空中和地面的恐怖襲擊,已有了較為成熟的應對措施,但對較為隱蔽的水下恐怖襲擊還缺乏行之有效的防控手段,是反恐的薄弱環節。隨著恐怖活動不斷從陸地向水下發展,對水下入侵目標的檢測以及跟蹤、識別成為新的關注焦點［1］。水下環境的特殊性使得聲波成為主要的信息傳輸工具,同時也對電磁類器件在水下的長期使用提出了諸多限制。光纖傳感技術近年來快速發展,以其靈敏度高、不含電磁器件的獨特優勢成為水下傳感的優選。利用光纖做傳感元件對水聲信號進行探測相比傳統的壓電陶瓷具有噪聲低、動態范圍大、抗電磁干擾與信號串擾能力強、結構輕巧、適于遠距離傳輸、組網等優點［24］。本文將提出一種基于微分干涉效應實現動態信號測量的水下全光纖聲音偵聽技術,并通過模擬實驗驗證了其有效性。
1基本原理
干涉型光纖傳感技術具有高分辨率、高精度、高響應速度的優點,而其中以相位壓縮原理為基礎的微分干涉型光纖傳感,因為利用了共光路的干涉結構,相較傳統干涉結構,又同時具有了隔離靜態、準靜態的環境噪聲影響(溫度起伏等)、對光源要求低(可利用寬光譜光源)、線性范圍大(相位壓縮)、環境適應性強等優點,更具有實用價值,在長距離、大范圍區域內進行動態信息的分布式監測方面有大的應用潛力［511］。光學儀器第36卷第1期唐璜，等：基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽技術水下蛙人或機器人運動產生的振動是以聲波的形式傳播到光纖,根據光纖的光彈效應,從而對光纖中傳播的光信號的相位進行調制�？衫脠D1中所示的微分干涉型光路結構來進行解調,該系統包括一個寬光譜光源、兩個光電探測器、一個2×2 光纖耦合器、一個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系統組成示意圖
Fig.1The schematic diagram of the system從寬光譜光源發出的光信號首先被3×3光纖耦合器平分為三路,其中的兩路光信號分別通過延遲臂和直接臂,經2×2光纖耦合器會合后沿傳感光纖傳播,遇到反射端后,這兩路光信號原路返回,被2×2 光纖耦合器又平分為4路光信號,這4路光信號再次通過延遲臂和直接臂,通過3×3光纖耦合器后分別進入到兩個探測器。兩個探測器形成兩路輸出信號,有利于后續的信號處理。該光路系統中一共存在如下的4路光信號: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→探測器由于寬光譜光源的相干長度極短,只有光路2和4才能夠產生干涉,其他光路之間的.光程差大于相干長度,只提供直流成分。當傳感光纖靜止不動的時候,光路2和光路4的光程完全相同;當傳感光纖某一部分被聲波信號調制時,光路2和光路4中傳播的光信號經過該部分傳感光纖時具有時間差(該時間差為光纖延遲線引入的時間延遲),因此當兩路光信號疊加后即產生微分干涉現象。假設聲波信號對光纖調制引起內部的光程變化量為L(t),光纖延遲線引入的時間延遲為τ,則上述光路2、光路4兩路光信號疊加后所形成的光程差為L(t+τ)－L(t),則該光程差的變化在干涉系統中形成的干涉相位φ(t)可表示為φ(t)=2πλL′(t)τ(1)其中,L′(t)=dL(t)dt表示調制引起的光程變化率,與光纖的光彈特性有關,λ為光的波長。濾除掉直流成分后,最終在兩個探測器中探測到的對應光信號分量為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。根據式(1)、式(2)和式(3),可求得反映調制速率的物理量L′(t),通過積分運算,最終實現對傳感光纖周圍環境中聲音信號的真實還原。在實際應用中,圖1中的系統可被虛線劃分為4個區域:監控區、傳輸區、預處理區和水下傳感區。其中,傳感區為水下的待測區域,將傳感光纖纏繞在護欄上放入水下,并在末端制作一個反射端面;預處理區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,即預處理區靠近監控區的一側連接光纖只能傳輸調制后的光信號,該段光纖本身不能感知外界的聲波信號;監控區由光源、探測器以及必須的軟硬件部分組成,可放置在遠離待測區域的監控室內;監控區和預處理區之間由常規的通信光纖(纜)遠程連接。本系統除了在遠離待測區域內的監控部分需要電能供應外,其余部分全部由光纖及無源器件組成,不含電磁器件,無需電能供應,適合在水下長期運行。同時基于微分干涉的傳感原理,本系統只響應聲波引起的振動等動態變化的物理量,而周圍環境中溫度起伏、水壓變化等靜態、準靜態的物理量,由于他們的變化頻率遠小于1/τ,不會在系統中產生干涉現象,這些干擾因素將被本系統免疫。
2模擬實驗
如圖2所示,模擬實驗在某游泳池內進行。泳池水深2.5 m,將本系統的傳感光纖(直徑0.9 mm緊包光纖)放置在泳池一側底部,距離一邊3.5 m的位置,在泳池另一側實驗人員穿戴腳蹼后,在水下約2 m的深度在位置1和位置2兩點之間潛泳,兩點之間的距離為10 m。圖中L為蛙人和傳感光纖之間的距離。
圖2模擬實驗示意圖
Fig.2The schematic diagram of experimental simulation
圖3為在監控區域內實時回放的水下聲音數據圖,由上而下分別為L=45 m、40 m和35 m處潛泳時的聲音數據。從測試數據以及現場的聲音回放可以看出,潛泳時,本系統能夠捕捉到蛙人引起水波擾動的聲音信號,有效探測距離大于45 m。
圖3探測到不同距離的聲波數據圖
Fig.3Sound wave data detected at various distances
3結論
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系統及其模擬實驗。本系統利用寬光譜光源和新型的干涉光路結構,使得傳感光纖僅對聲波引起的振動等動態變化的物理量 進行傳感,而對環境溫度起伏、水壓變化等靜態、準靜態物理量免疫。本系統在保留傳統干涉型光纖傳感技術高靈敏度優點的基礎上,克服了其易受環境干擾影響的缺點,能夠在水下復雜環境中穩定有效地工作。模擬實驗結果驗證了該系統的可行性。
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