[發明專利]一種帶參考干涉儀的干涉式光纖矢量水聽器

在審

• 申請號: 202010408496.1
• 申請日: 2020-05-14
• 公開（公告）號: CN111579050A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 易朗宇;騰潢龍;徐紅霞;沈燕青;高發仁;陳含芳;楊廷新
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第七研究所
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 張金福

本發明公開了一種帶參考干涉儀的干涉式光纖矢量水聽器，包括質量塊，彈性筒，光纖干涉儀，用于放置質量塊、彈性筒、光纖干涉儀的外殼。本發明將參考干涉儀與傳感干涉儀封裝于同一水聽器的外殼內部，當水聽器受溫度和其他外界環境影響時，參考干涉儀與傳感干涉儀相位信號產生的低頻隨機漂移高度相似，在實際應用中由激光器引起的參考干涉儀與傳感干涉儀的相位噪聲也高度相關，因此通過參考干涉儀與傳感干涉儀的信號進行信號處理，可以消除傳感干涉儀信號的相位噪聲。

技術領域

本發明涉及水聲探測應用技術領域，更具體的，涉及一種帶參考干涉儀的干涉式光纖矢量水聽器。

背景技術

光纖矢量水聽器是一種基于光纖、光電子技術的水聲傳感器，其利用聲波調制光線中的光波的強度、偏振態、相位等參量來獲取聲波的頻率、強度等信息，具有靈敏度高、響應頻帶寬、抗電磁干擾、耐惡劣環境、結構靈巧等特點。被應用于水聲警戒聲納、拖曳線列陣聲納、舷側陣共形陣聲納、水雷聲引信、魚雷探測聲納、多基地聲納、水下潛器的導航定位、分布式傳感器網絡以及海洋水聲物理研究、石油勘探、海洋漁業等軍民兩用場景。

同振式光纖矢量水聽器主要有強度調制型、相位調制型和光纖光柵型。其中強度調制型一般靈敏度較低，光纖光柵型信號檢測系統工作頻率低且系統復雜，而相位調制型靈敏度較高，可實現良好的低頻響應。相位調制型水聽器通過調制光纖中傳輸光的相位從而測量水下聲波信號，主要包含Michelson干涉式、Mach-Zehnder干涉式、F-P干涉式、Sagnac干涉式。其中Michelson干涉式水聽器制造工藝成熟，應用廣泛。

Michelson光纖干涉儀由光纖耦合器、端面反射鏡、光纖干涉臂、輸入輸出尾纖構成，其結構如圖1所示。當激光經輸入光纖進入分光比1：1的耦合器后被分為相等的兩束，并分別進入兩條干涉臂中，兩束光各自被端面反射鏡反射回耦合器后，在輸出尾纖處形成疊加的干涉場并經光電探測器轉換為電信號。當干涉臂受到聲壓對其長度的調制時，其內部的光相位產生相應變化，從而引起尾纖中干涉場強的改變。

當聲波通過水體傳達至水聽器時，其聲波信息反映為振動作用在干涉臂上，引起干涉臂光纖物理特性發生變化。干涉儀兩臂間相位差可表示為：

其中，l是兩干涉臂間臂差，n是光纖纖芯折射率，c是真空中光速，ν是光中心頻率。干涉儀輸出干涉場的光強受兩干涉臂中光波之間的光相位差直接影響，而相位差與干涉臂的臂差l、纖芯折射率、激光頻率ν等因素相關。因此通過利用光電探測器探測干涉場強度可以獲取干涉臂形變信息，進而還原出聲波信號。

聲波對干涉臂光纖物理特性影響體現在三方面：一是光纖軸向長度形變引起臂差l的改變；二是光纖徑向擠壓拉伸導致直徑變化，進而引起波導歸一化頻率ν改變；三是纖芯受擠壓拉伸時，因光彈效應引發折射率n變化。這三個因素均能引起光相位的改變，即：

對于未經處理的裸纖來說，上述因素對光相位的影響程度很小，在設計水聽器時需進行增敏處理。最簡單增敏方法是將干涉儀的傳感臂纏繞在一個聲壓彈性體上，這樣聲波變化時，彈性體隨聲波受迫振動，傳感光纖長度被調制，這樣聲波對光纖水聽器的調制主要表現為光纖長度的調制，且經過理論分析，這種光纖長度的變化與聲波的變化成正比。

干涉式水聽器在聲波的作用下，光電探測器的輸出電信號V₀可表示為：

V₀∝1+V cos(φ_s+φ_n+φ₀)+V_n (3)