基於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資訊傳輸工具,同時也對電磁類器件在水下的長期使用提出了諸多限制。光纖感測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感測的優選。利用光纖做感測元件對水聲訊號進行探測相比傳統的壓電陶瓷具有噪聲低、動態範圍大、抗電磁干擾與訊號串擾能力強、結構輕巧、適於遠距離傳輸、組網等優點［24］。本文將提出一種基於微分干涉效應實現動態訊號測量的水下全光纖聲音偵聽技術,並透過模擬實驗驗證了其有效性。

　　1基本原理

　　干涉型光纖感測技術具有高解析度、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感測,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)、線性範圍大(相位壓縮)、環境適應性強等優點,更具有實用價值,在長距離、大範圍區域內進行動態資訊的分散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：基於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訊號的相位進行調製。可利用圖1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、帶有反射端的感測光纖。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訊號首先被3×3光纖耦合器平分為三路,其中的兩路光訊號分別透過延遲臂和直接臂,經2×2光纖耦合器會合後沿感測光纖傳播,遇到反射端後,這兩路光訊號原路返回,被2×2 光纖耦合器又平分為4路光訊號,這4路光訊號再次透過延遲臂和直接臂,透過3×3光纖耦合器後分別進入到兩個探測器。兩個探測器形成兩路輸出訊號,有利於後續的訊號處理。該光路系統中一共存在如下的4路光訊號:光路1:光源→3×3光纖耦合器→延遲臂→感測光纖→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→感測光纖→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→感測光纖→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→感測光纖→2×2 光纖耦合器→延遲臂→探測器由於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.光程差大於相干長度,只提供直流成分。當感測光纖靜止不動的時候,光路2和光路4的光程完全相同;當感測光纖某一部分被聲波訊號調製時,光路2和光路4中傳播的光訊號經過該部分感測光纖時具有時間差(該時間差為光纖延遲線引入的時間延遲),因此當兩路光訊號疊加後即產生微分干涉現象。假設聲波訊號對光纖調製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4兩路光訊號疊加後所形成的光程差為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表示調製引起的光程變化率,與光纖的光彈特性有關,λ為光的波長。濾除掉直流成分後,最終在兩個探測器中探測到的對應光訊號分量為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),可求得反映調製速率的物理量L′(t),透過積分運算,最終實現對感測光纖周圍環境中聲音訊號的真實還原。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、預處理區和水下感測區。其中,感測區為水下的待測區域,將感測光纖纏繞在護欄上放入水下,並在末端製作一個反射端面;預處理區為干涉光路的主要組成部分,起到分離感測光纖和傳輸光纖的作用,即預處理區靠近監控區的一側連線光纖只能傳輸調製後的光訊號,該段光纖本身不能感知外界的聲波訊號;監控區由光源、探測器以及必須的軟硬體部分組成,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訊光纖(纜)遠端連線。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,其餘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,適合在水下長期執行。同時基於微分干涉的感測原理,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,由於他們的變化頻率遠小於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,將本系統的感測光纖(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後,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為蛙人和感測光纖之間的距離。

　　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資料圖,由上而下分別為L=45 m、40 m和35 m處潛泳時的聲音資料。從測試資料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訊號,有效探測距離大於45 m。

　　圖3探測到不同距離的聲波資料圖

　　Fig.3Sound wave data detected at various distances

　　3結論

　　本文介紹了一種基於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,使得感測光纖僅對聲波引起的振動等動態變化的物理量進行感測,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感測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,能夠在水下複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。

　　參考文獻：

　　［1］MCDONALD L,HICKS W.Acoustic fence:US 346414［P］.20030117.

　　［2］周波,李緒友,郝燕玲.干涉型光纖水聽器PGC 零差解調技術研究與實現［J］.光學儀器,2004,26(3):3237.

　　［3］運朝青,羅洪,胡正良,等.應用於拖曳細線陣的光纖水聽器研究［J］.光學學報,2012,32(12):7781.

　　［4］李東明,陳軍,葛輝良,等.側面壓迫式及端面拉伸式增敏光纖光柵水聲感測器［J］.光學學報,2012,32(5):2936.

　　［5］王廷雲,郭強,唐明壓,等.磁致伸縮效應光纖微分干涉電流感測器［J］.光電子鐳射,2002,13(9):923925.

　　［6］趙新秋,韓偉.微分光纖感測器測量軋製力的研究［J］.儀器儀表學報,2006,27(6):16451646.

　　［7］陳德勝,部洪雲,肖靈等.基於微分干涉儀的新型光纖聲感測器［J］.光電子鐳射,2006,17(8):942944.

　　［8］WANG C,TANG H,XIAO Q,et al.The application of wide spectrum laser in noncontact vibration measurement［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(12):28582861.

　　［9］HONG G W,JIA B,WANG X.A novel all瞗iber high velocity interferometer for any reflector［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(8):20322035.

　　［10］HONG G W,JIA B.All瞗iber multipoint VISAR［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(5):11991201.

　　［11］HONG G W,JIA B,TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber Fox睸mith interferometer［J］.Journal of Lightwave