發(fā)布時(shí)間：2020-07-24 08:30

【摘要】：隨著海洋科學(xué)的興起，光纖水聽器成為了研究的熱點(diǎn)，在海洋探測(cè)中的應(yīng)用越來越廣泛。然而隨著應(yīng)用的深入，其信號(hào)檢測(cè)技術(shù)卻凸顯出了局限性，這主要體現(xiàn)在當(dāng)前信號(hào)檢測(cè)技術(shù)有限的動(dòng)態(tài)范圍已不能滿足光纖水聽器陣列在深海地層探測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用需求，阻礙了光纖水聽器的實(shí)用化進(jìn)程。外差檢測(cè)技術(shù)具有大動(dòng)態(tài)范圍、算法復(fù)雜度低等特點(diǎn)，為解決目前所面臨的瓶頸問題提供了很好的技術(shù)方案，此外與其相對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更適合組成大規(guī)模光纖水聽器傳感網(wǎng)絡(luò)的需求，因此發(fā)展基于外差檢測(cè)的光纖水聽器陣列對(duì)深化光纖水聽器工程應(yīng)用、推動(dòng)海洋科學(xué)的發(fā)展都具有非常重要的意義。 論文針對(duì)基于外差檢測(cè)的光纖水聽器陣列幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究，包括：外差檢測(cè)技術(shù)的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍上限的拓展；系統(tǒng)噪聲分析及抑制；陣列串?dāng)_的產(chǎn)生及抑制。分析了基于外差檢測(cè)的光纖水聽器陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)外差檢測(cè)算法中涉及的正交信號(hào)獲取和正交解調(diào)算法進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了檢測(cè)過程全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的方法，從外差解調(diào)算法原理和陣列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)定性地分析了影響外差干涉型光纖水聽器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的因素。為最大限度地提升外差干涉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍上限，分別分析了外差頻率、正交解調(diào)算法和數(shù)字采樣率對(duì)動(dòng)態(tài)范圍上限的影響，對(duì)它們進(jìn)行了綜合對(duì)比，給出了在有限采樣率下達(dá)到最大動(dòng)態(tài)范圍上限的方案選擇及參數(shù)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在系統(tǒng)噪聲分析方面，從理論上推導(dǎo)了外差干涉光纖水聽器系統(tǒng)中激光器相位噪聲與激光器線寬的關(guān)系、移頻器頻率不穩(wěn)定引入的相位噪聲和傳輸光纖中由瑞利散射引起的相位噪聲，以及它們對(duì)系統(tǒng)性能的影響，指出在準(zhǔn)等臂干涉條件下對(duì)激光器線寬的要求可以降低，提出采用基于光學(xué)同步參考的移頻噪聲抑制方案和激光器加頻率調(diào)制的方法來抑制相干瑞利散射噪聲，并對(duì)每種抑制措施都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。搭建了基于外差檢測(cè)的4基元光纖水聽器陣列演示系統(tǒng)，對(duì)陣列系統(tǒng)中的串?dāng)_問題進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于該系統(tǒng)對(duì)外差檢測(cè)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了綜合測(cè)試。 論文的主要研究結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1、提出了基于光學(xué)同步參考信號(hào)的方法消除光纖水聽器外差檢測(cè)系統(tǒng)中移頻噪聲的影響，使得外差檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲水平在300Hz以上降到了-100dB/√Hz以下。這種方法在解調(diào)過程中實(shí)現(xiàn)了噪聲的消除，不需要引入額外的去噪聲過程，而且降低了對(duì)移頻器件噪聲性能的要求，使得外差檢測(cè)技術(shù)在對(duì)噪聲性能要求較高的光纖水聽器系統(tǒng)中可以得到廣泛的應(yīng)用。 2、分析得出外差檢測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍上限由外差頻率和正交解調(diào)算法共同決定；首次從理論上對(duì)比分析了外差頻率、反正切算法和微分-交叉相乘算法對(duì)動(dòng)態(tài)范圍上限的影響；得出在采樣率有限條件下設(shè)置外差頻率為1/4采樣率且選擇反正切解調(diào)算法可以最大化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍上限的結(jié)論。按照當(dāng)前系統(tǒng)的性能，在1kHz信號(hào)頻率處最大可檢測(cè)信號(hào)為1000rad，比當(dāng)前的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍上限提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合噪聲抑制的結(jié)果，本系統(tǒng)在1kHz信號(hào)頻率處可以實(shí)現(xiàn)160dB的檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。 3、基于延遲自外差法對(duì)調(diào)頻激光器的線寬特性進(jìn)行了深入的理論研究，得到了激光線寬與光頻調(diào)制的幅度、頻率以及延遲光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系，為采用光頻調(diào)制方法抑制長(zhǎng)距離傳輸光纖水聽器系統(tǒng)中的相干瑞利散射噪聲奠定了理論基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了用該方法抑制長(zhǎng)距離傳輸光纖水聽器系統(tǒng)中相干瑞利散射噪聲的可行性。 4、提出了一種查表-坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)-近似聯(lián)合的快速正交信號(hào)解調(diào)算法，這種算法需要一次查表、一次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和一次小量近似就可以獲得10-6精度的反正切計(jì)算結(jié)果，并且表格占用的存儲(chǔ)空間非常小，可以實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)光纖水聽器系統(tǒng)外差干涉信號(hào)的全數(shù)字化相位解調(diào)。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P716.41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2768583