【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,在地震預警、反潛作戰(zhàn)、水下防務和油氣勘探等災害預測、資源勘探和國防安全領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域的應用,將干涉式光纖水聽器與分布式光纖聲傳感系統(tǒng)相結合,對分布式光纖水聽器系統(tǒng)中信號電路設計和水聽器基元增敏技術等關鍵技術進行研究。詳細介紹了分布式光纖聲傳感系統(tǒng)原理,設計了一款雙通道信號發(fā)生電路,設計了彈性層增敏結構的水聽器基元和單膜片結構的水聽器基元。具體的研究內容如下: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)的關鍵技術指標,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)生電路設計。從直接數(shù)字頻率合成技術原理出發(fā),研究基于直接數(shù)字頻率合成技術設計的電路解決方案,對直接數(shù)字式頻率合成技術的雜散進行分析,采用兩枚DDS芯片結合單片機的設計方案,通過調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,TTL信號脈寬在10～100ns之間可調,信號頻率誤差小于10ppm。3)增敏基元設計。對彈性增敏層結構水聽器基元建立了彈性力學理論分析模型,對基元的聲壓靈敏度計算式進行了推導,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。對單膜片結構水聽器基元進行了振動力學分析,推導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,頻率響應平坦度小于6dB。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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)聲壓信號的解調和探測，所以逡逑高精度的解調技術和光纖光柵增敏技術是光纖光柵水聽器實用化進程中必須克服的兩逡逑大關鍵問題。國內外對光纖光柵水聽器解調和增敏技術的研究較多，２００８年海軍潛艇學逡逑院與國防科大采用可調諧窄帶激光器和可進行工作點控制的的強度型調制方案，實現(xiàn)了逡逑高精度解調，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，但是從測試結果可以看出該水聽器頻率逡逑響應曲線的線性度較差。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諧窄帶激光器和可進行工作點控制的的強度型調制方案，實現(xiàn)了逡逑高精度解調，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，但是從測試結果可以看出該水聽器頻率逡逑響應曲線的線性度較差。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合ＥＤＦＡ和波分復用技逡逑術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)聲壓信號的解調和探測，所以逡逑高精度的解調技術和光纖光柵增敏技術是光纖光柵水聽器實用化進程中必須克服的兩逡逑大關鍵問題。國內外對光纖光柵水聽器解調和增敏技術的研究較多，２００８年海軍潛艇學逡逑院與國防科大采用可調諧窄帶激光器和可進行工作點控制的的強度型調制方案，實現(xiàn)了逡逑高精度解調，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，但是從測試結果可以看出該水聽器頻率逡逑響應曲線的線性度較差。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