【摘要】：隨著海洋科學的興起，光纖水聽器成為了研究的熱點，在海洋探測中的應用越來越廣泛。然而隨著應用的深入，其信號檢測技術卻凸顯出了局限性，這主要體現(xiàn)在當前信號檢測技術有限的動態(tài)范圍已不能滿足光纖水聽器陣列在深海地層探測等領域中的應用需求，阻礙了光纖水聽器的實用化進程。外差檢測技術具有大動態(tài)范圍、算法復雜度低等特點，為解決目前所面臨的瓶頸問題提供了很好的技術方案，此外與其相對應的光學系統(tǒng)結構更適合組成大規(guī)模光纖水聽器傳感網絡的需求，因此發(fā)展基于外差檢測的光纖水聽器陣列對深化光纖水聽器工程應用、推動海洋科學的發(fā)展都具有非常重要的意義。 論文針對基于外差檢測的光纖水聽器陣列幾項關鍵技術展開深入研究，包括：外差檢測技術的全數(shù)字化實現(xiàn)；系統(tǒng)動態(tài)范圍上限的拓展；系統(tǒng)噪聲分析及抑制；陣列串擾的產生及抑制。分析了基于外差檢測的光纖水聽器陣列的結構特點，對外差檢測算法中涉及的正交信號獲取和正交解調算法進行了分析，設計了檢測過程全數(shù)字化實現(xiàn)的方法，從外差解調算法原理和陣列結構特點定性地分析了影響外差干涉型光纖水聽器系統(tǒng)動態(tài)范圍的因素。為最大限度地提升外差干涉系統(tǒng)的動態(tài)范圍上限，分別分析了外差頻率、正交解調算法和數(shù)字采樣率對動態(tài)范圍上限的影響，對它們進行了綜合對比，給出了在有限采樣率下達到最大動態(tài)范圍上限的方案選擇及參數(shù)設計，并進行了實驗測試。在系統(tǒng)噪聲分析方面，從理論上推導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，以及它們對系統(tǒng)性能的影響，指出在準等臂干涉條件下對激光器線寬的要求可以降低，提出采用基于光學同步參考的移頻噪聲抑制方案和激光器加頻率調制的方法來抑制相干瑞利散射噪聲，并對每種抑制措施都進行了實驗驗證。搭建了基于外差檢測的4基元光纖水聽器陣列演示系統(tǒng)，對陣列系統(tǒng)中的串擾問題進行了理論分析和實驗測試，基于該系統(tǒng)對外差檢測的系統(tǒng)性能進行了綜合測試。 論文的主要研究結果和創(chuàng)新點如下： 1、提出了基于光學同步參考信號的方法消除光纖水聽器外差檢測系統(tǒng)中移頻噪聲的影響，使得外差檢測系統(tǒng)的噪聲水平在300Hz以上降到了-100dB/√Hz以下。這種方法在解調過程中實現(xiàn)了噪聲的消除，不需要引入額外的去噪聲過程，而且降低了對移頻器件噪聲性能的要求，使得外差檢測技術在對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用。 2、分析得出外差檢測的動態(tài)范圍上限由外差頻率和正交解調算法共同決定；首次從理論上對比分析了外差頻率、反正切算法和微分-交叉相乘算法對動態(tài)范圍上限的影響；得出在采樣率有限條件下設置外差頻率為1/4采樣率且選擇反正切解調算法可以最大化系統(tǒng)動態(tài)范圍上限的結論。按照當前系統(tǒng)的性能，在1kHz信號頻率處最大可檢測信號為1000rad，比當前的信號檢測系統(tǒng)動態(tài)范圍上限提高了2個數(shù)量級。結合噪聲抑制的結果，本系統(tǒng)在1kHz信號頻率處可以實現(xiàn)160dB的檢測動態(tài)范圍。 3、基于延遲自外差法對調頻激光器的線寬特性進行了深入的理論研究，得到了激光線寬與光頻調制的幅度、頻率以及延遲光纖長度之間的關系，為采用光頻調制方法抑制長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；實驗驗證了用該方法抑制長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-坐標旋轉-近似聯(lián)合的快速正交信號解調算法，這種算法需要一次查表、一次坐標旋轉和一次小量近似就可以獲得10-6精度的反正切計算結果，并且表格占用的存儲空間非常小，可以實時、快速、準確地實現(xiàn)光纖水聽器系統(tǒng)外差干涉信號的全數(shù)字化相位解調。
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P716.41

【參考文獻】

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本文編號：2768583