【摘要】：我國擁有廣闊的海岸線和富饒的海洋資源,隨著海洋勘探工作的開展,光纖水聽器展現(xiàn)出十分重要的戰(zhàn)略意義和實用價值。分布式光纖傳感系統(tǒng)在構(gòu)建長距離、高精度、大容量的光纖水聽器系統(tǒng)方面展現(xiàn)出巨大的潛力,在地震預(yù)警、反潛作戰(zhàn)、水下防務(wù)和油氣勘探等災(zāi)害預(yù)測、資源勘探和國防安全領(lǐng)域有著不可或缺的地位。本文圍繞擴展分布式光纖探測系統(tǒng)在微弱水聲信號探測領(lǐng)域的應(yīng)用,將干涉式光纖水聽器與分布式光纖聲傳感系統(tǒng)相結(jié)合,對分布式光纖水聽器系統(tǒng)中信號電路設(shè)計和水聽器基元增敏技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。詳細介紹了分布式光纖聲傳感系統(tǒng)原理,設(shè)計了一款雙通道信號發(fā)生電路,設(shè)計了彈性層增敏結(jié)構(gòu)的水聽器基元和單膜片結(jié)構(gòu)的水聽器基元。具體的研究內(nèi)容如下:1)分布式光纖聲傳感系統(tǒng)的介紹。從光時域反射技術(shù)原理出發(fā),從理論上證明了系統(tǒng)遠距離實時定量測量的可行性;詳細介紹了系統(tǒng)采用的解調(diào)算法--相位生成載波算法的原理;介紹了系統(tǒng)解決方案和工作原理,通過實驗測試了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標,系統(tǒng)最大探測距離為12.5Km,空間采樣分辨率為0.4m,空間分辨率為10m,頻率響應(yīng)平坦度為3.9dB,線性擬合優(yōu)度大于99.5%。2)雙通道信號發(fā)生電路設(shè)計。從直接數(shù)字頻率合成技術(shù)原理出發(fā),研究基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計的電路解決方案,對直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的雜散進行分析,采用兩枚DDS芯片結(jié)合單片機的設(shè)計方案,通過調(diào)試之后電路能同步輸出一路2KHz的正弦信號和一路8KHz的TTL信號,正弦信號幅度在0～3V之間可調(diào),TTL信號脈寬在10～100ns之間可調(diào),信號頻率誤差小于10ppm。3)增敏基元設(shè)計。對彈性增敏層結(jié)構(gòu)水聽器基元建立了彈性力學(xué)理論分析模型,對基元的聲壓靈敏度計算式進行了推導(dǎo),分析了各參數(shù)對聲壓靈敏度的影響,最后制作了水聽器基元進行測試實驗對理論分析進行驗證,實驗測得該水聽器基元的聲壓靈敏度等級在-141.6dB左右與理論分析值相差0.2dB,頻率響應(yīng)平坦度小于5dB,信噪比約為40dB,驗證了理論分析的正確性。對單膜片結(jié)構(gòu)水聽器基元進行了振動力學(xué)分析,推導(dǎo)了基元的聲壓靈敏度計算公式,制作了該水聽器基元進行實驗對理論分析進行驗證,實驗測得該水聽器基元的聲壓靈敏度在-123.8dB與理論分析值相差0.4dB,頻率響應(yīng)平坦度小于6dB。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB565.1
【圖文】：

邋￣邋１邋－邋？邐＇逡逑示波逡逑圖１．２基于ＦＢＧ的干涉型光纖水聽器原理示意圖逡逑裸光纖光柵的聲壓靈敏度只有６ｐｍ／ＭＰａ，難以實現(xiàn)聲壓信號的解調(diào)和探測，所以逡逑高精度的解調(diào)技術(shù)和光纖光柵增敏技術(shù)是光纖光柵水聽器實用化進程中必須克服的兩逡逑大關(guān)鍵問題。國內(nèi)外對光纖光柵水聽器解調(diào)和增敏技術(shù)的研究較多，２００８年海軍潛艇學(xué)逡逑院與國防科大采用可調(diào)諧窄帶激光器和可進行工作點控制的的強度型調(diào)制方案，實現(xiàn)了逡逑高精度解調(diào)，該水聽器采用聚合物邊孔封裝，聲壓靈敏度可達５１．３６ｎｍ／ＭＰａ，其水聽器逡逑實物圖及測試結(jié)果如圖１．３所示＾１。該水聽器可探測的最小聲壓為６１ｄＢｒｅ：ｌｍｄ／Ｐａ，在逡逑５００邋Ｈｚ處的聲壓靈敏度為－１５３．３ｄＢ邋ｒｅ：ｎｓ／ｌ，但是從測試結(jié)果可以看出該水聽器頻率逡逑響應(yīng)曲線的線性度較差。逡逑７｜－邋｝＇＝－０．０８０７４－０．０２１４８Ｘ／３逡逑，／Ｈ）．９９８８９邐Ｘ？逡逑屋；逡逑＾■■欋邐０邋５０邋１００邋１５０邋２００邋２５０邋３００邋３５０逡逑聲壓Ｐ邋（Ｐａ）逡逑圖１．３邊孔封裝無源光纖光柵水聽器實物圖及聲壓測試曲線逡逑綜上所述

院與國防科大采用可調(diào)諧窄帶激光器和可進行工作點控制的的強度型調(diào)制方案，實現(xiàn)了逡逑高精度解調(diào)，該水聽器采用聚合物邊孔封裝，聲壓靈敏度可達５１．３６ｎｍ／ＭＰａ，其水聽器逡逑實物圖及測試結(jié)果如圖１．３所示＾１。該水聽器可探測的最小聲壓為６１ｄＢｒｅ：ｌｍｄ／Ｐａ，在逡逑５００邋Ｈｚ處的聲壓靈敏度為－１５３．３ｄＢ邋ｒｅ：ｎｓ／ｌ，但是從測試結(jié)果可以看出該水聽器頻率逡逑響應(yīng)曲線的線性度較差。逡逑７｜－邋｝＇＝－０．０８０７４－０．０２１４８Ｘ／３逡逑，／Ｈ）．９９８８９邐Ｘ？逡逑屋；逡逑＾■■欋邐０邋５０邋１００邋１５０邋２００邋２５０邋３００邋３５０逡逑聲壓Ｐ邋（Ｐａ）逡逑圖１．３邊孔封裝無源光纖光柵水聽器實物圖及聲壓測試曲線逡逑綜上所述，由于光纖光柵體積較小，采用光纖光柵水聽器結(jié)合ＥＤＦＡ和波分復(fù)用技逡逑術(shù)可以有效的降低水聽器陣列體積。但是相位噪聲水平與聲壓靈敏度受波長分辨率和逡逑ＦＢＧ帶寬寬度的限制和相互制約而很難達到主流光纖水聽器的的水平，而且隨著組網(wǎng)規(guī)逡逑４逡逑

邋￣邋１邋－邋？邐＇逡逑示波逡逑圖１．２基于ＦＢＧ的干涉型光纖水聽器原理示意圖逡逑裸光纖光柵的聲壓靈敏度只有６ｐｍ／ＭＰａ，難以實現(xiàn)聲壓信號的解調(diào)和探測，所以逡逑高精度的解調(diào)技術(shù)和光纖光柵增敏技術(shù)是光纖光柵水聽器實用化進程中必須克服的兩逡逑大關(guān)鍵問題。國內(nèi)外對光纖光柵水聽器解調(diào)和增敏技術(shù)的研究較多，２００８年海軍潛艇學(xué)逡逑院與國防科大采用可調(diào)諧窄帶激光器和可進行工作點控制的的強度型調(diào)制方案，實現(xiàn)了逡逑高精度解調(diào)，該水聽器采用聚合物邊孔封裝，聲壓靈敏度可達５１．３６ｎｍ／ＭＰａ，其水聽器逡逑實物圖及測試結(jié)果如圖１．３所示＾１。該水聽器可探測的最小聲壓為６１ｄＢｒｅ：ｌｍｄ／Ｐａ，在逡逑５００邋Ｈｚ處的聲壓靈敏度為－１５３．３ｄＢ邋ｒｅ：ｎｓ／ｌ，但是從測試結(jié)果可以看出該水聽器頻率逡逑響應(yīng)曲線的線性度較差。逡逑７｜－邋｝＇＝－０．０８０７４－０．０２１４８Ｘ／３逡逑，／Ｈ）．９９８８９邐Ｘ？逡逑屋；逡逑＾■■欋邐０邋５０邋１００邋１５０邋２００邋２５０邋３００邋３５０逡逑聲壓Ｐ邋（Ｐａ）逡逑圖１．３邊孔封裝無源光纖光柵水聽器實物圖及聲壓測試曲線逡逑綜上所述

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本文編號：2803620