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1、 分类号 TN253 学号 07079007 密级 公 开 工学博士学位论文 光纤法布里光纤法布里-珀罗水听器技术研究珀罗水听器技术研究 博士生姓名 牛嗣亮 学 科 专 业 光学工程 研 究 方 向 光纤信息技术 指 导 教 师 胡永明 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 论文书脊 论文书脊 光纤法布里 - 珀罗水听器技术研究 国防科学技术大学研究生院 Research on Fiber Fabry-Perot Hydrophone Candidate：Niu Siliang Supervisor：Prof. Hu Yongming A dis
2、sertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Optical Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China October，2011 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方
3、外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 光纤法布里-珀罗水听器技术研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保
4、存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。 ） 学位论文题目： 光纤法布里-珀罗水听器技术研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者指导教师签名： 日期： 年 月 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 I 页 目目 录录 摘 要 . i Abstractiii 第一章 绪论1 1.1 光纤水听器研究的历史及现状 1 1.2 超细线水听器阵列的研究现状 4 1.2.1 压电型超细线水听器阵列. 4 1.2.2 采用光子晶体光纤的光纤水听器. 5 1.2.3 基于光纤光栅的光纤水听器. 6 1.3 光纤法布里-珀罗传感器的研究现状 10 1.3.1 环型FFP传感器
5、10 1.3.2 非本征型FFP传感器 11 1.3.3 复合型FFP传感器 12 1.3.4 本征型FFP传感器 12 1.3.5 基于FBG的FFP传感器 13 1.4 本论文的主要工作 19 第二章 光纤法布里-珀罗腔光谱特性 22 2.1 FBG的光谱特性. 22 2.1.1 FBG的强度谱. 22 2.1.2 FBG的反射相位谱. 23 2.1.3 FBG的透射相位谱. 27 2.1.4 FBG参数简表. 27 2.2 FBG-FP腔的光谱特性. 28 2.2.1 FBG-FP腔的强度谱. 28 2.2.2 FBG-FP腔的相位谱. 29 2.3 FBG-FP腔的光谱测量. 30 2
6、.3.1 腔长估计算法. 30 2.3.2 FBG-FP腔的光谱测量 32 2.4 本章小结 37 第三章 高灵敏度光纤法布里-珀罗传感系统 39 3.1 FBG-FP传感系统的干涉型解调. 39 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 3.1.1 干涉型FBG-FP传感系统. 39 3.1.2 PGC解调原理. 40 3.1.3 消偏振衰落技术. 40 3.2 FBG-FP传感器的光学灵敏度. 42 3.2.1 干涉型FBG与FBG-FP传感系统对比 . 43 3.2.2 灵敏度构成. 43 3.3 干涉型FBG-FP光纤水听器声传感系统实验. 44 3.3.1 解调干涉仪的搭建
7、. 44 3.3.2 声传感实验. 45 3.3.3 声压灵敏度响应. 45 3.3.4 FBG-FP腔灵敏度构成. 47 3.3.5 FBG对FBG-FP传感系统稳定性的影响 . 49 3.4 本章小结 50 第四章 非对称高反射光纤法布里-珀罗传感系统. 52 4.1 FBG的有效反射长度. 52 4.2 高阶反射光的解调干涉仪 53 4.3 平衡干涉光强度的参数优化 54 4.4 非对称高反射FBG-FP腔传感性能实验研究. 56 4.4.1 实验系统. 56 4.4.2 高阶反射光的解调. 58 4.4.3 腔内光谱的带通滤波效应. 61 4.4.4 脉冲间隔的影响. 62 4.5 本
8、章小结 63 第五章 光纤法布里-珀罗传感系统的噪声特性 65 5.1 噪声特性分析 65 5.1.1 强度噪声. 65 5.1.2 相位噪声. 66 5.1.3 干涉条纹可见度函数. 67 5.1.4 最小可测信号. 68 5.1.5 光栅种类对可见度函数的影响. 70 5.2 噪声特性实验 72 5.2.1 实验系统. 72 5.2.2 强度噪声测试. 73 5.2.3 干涉条纹可见度随光谱失配的变化. 74 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 5.2.4 相位探测精度随可见度的变化. 75 5.3 降噪方法研究 76 5.3.1 差动探测原理. 77 5.3.2 实验系
9、统. 78 5.3.3 差动探测降噪实验结果. 79 5.4 皮应变测量系统 82 5.5 本章小结 84 第六章 光纤法布里-珀罗水听器传感特性的实验研究 85 6.1 空气腔芯轴型结构的理论分析 85 6.2 空气腔芯轴型FBG-FP水听器. 86 6.3 水声传感实验 87 6.3.1 实验系统. 87 6.3.2 差动探测的增敏降噪结果. 88 6.3.3 FBG-FP水听器声压灵敏度响应. 90 6.4 本章小结 92 第七章 结论与展望.94 7.1 论文主要工作与创新 94 7.2 存在的主要问题和解决途径 95 致 谢 97 参考文献.99 作者在学期间取得的学术成果. 109
10、 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 IV 页 表 目 录 表 1.1 美国光纤水听器阵列系统的技术方案比较 2 表 2.1 FBG参数简表 27 表 2.2 不同方法的FBG-FP腔长估计结果. 37 表 6.1 空气腔芯轴结构的物理参量简表 86 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 V 页 图 目 录 图 1.1 美苏核潜艇宽带辐射噪声级随年代变化对比 3 图 1.2 超细压电水听器结构图 5 图 1.3 不同封装结构水听器的归一化灵敏度对比图 5 图 1.4 空心光子晶体带隙光纤横截面 6 图 1.5 活塞型FBG水听器 7 图 1.6 光纤激光器结构示意图 7 图 1.7
11、DFB-FL封装结构 8 图 1.8 光纤传感器时分复用阵列结构 9 图 1.9 环型FFP腔 . 10 图 1.10 非本征型FFP腔 . 11 图 1.11 非本征型FFP压力传感器产品 . 12 图 1.12 复合型FFP腔 . 12 图 1.13 本征型FFP腔 . 13 图 1.14 干涉型FBG-FP传感器时分复用系统. 14 图 1.15 采用宽带光源的FBG-FP传感系统. 15 图 1.16 差动型FBG-FP曲率传感系统. 16 图 1.17 采用窄线宽光源的FBG-FP传感时分复用系统. 16 图 1.18 基于强度调制的FBG-FP传感系统. 17 图 1.19 两种封
12、装结构在静水压实验后的照片 17 图 1.20 传感基元结构图 18 图 2.1 不同峰值反射率的FBG反射相位谱和归一化反射强度谱 23 图 2.2 相位谱与其线性近似在中心波长处斜率的对比曲线 26 图 2.3 三段线性近似相位谱 27 图 2.4 FBG-FP腔结构示意图. 28 图 2.5 FBG-FP腔与普通F-P腔反射谱对比图. 30 图 2.6 FBG-FP腔光谱测量系统框图. 32 图 2.7 测量与拟合的FBG反射谱对比图 33 图 2.8 测量与拟合的FBG-FP反射谱和包络曲线. 33 图 2.9 周期法F-P腔长估计结果 34 图 2.10 实测FBG-FP反射谱的傅里
13、叶变换谱. 34 图 2.11 测量的FBG-FP反射和透射谱. 35 图 2.12 FBG-FP腔光谱分析流程图. 35 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VI 页 图 2.13 FBG的反射谱、FBG-FP腔反射谱及其包络对比图. 36 图 2.14 测量与拟合的FBG-FP反射谱. 36 图 2.15 周期法F-P腔长估计结果 37 图 3.1 干涉型FBG-FP腔传感系统. 40 图 3.2 PGC解调方案流程图 40 图 3.3 干涉型FBG-FP传感系统的Jones矩阵表示 41 图 3.4 干涉型FBG-FP传感系统的等效Jones矩阵表示 41 图 3.5 Optopl
14、an公司研制的海底地震探测系统框图. 42 图 3.6 加载 800Hz声信号的原始信号和解调结果的波形和频谱 45 图 3.7 声压灵敏度测试系统框图 46 图 3.8 声压灵敏度测试曲线 46 图 3.9 FBG-FP腔灵敏度分析的实验系统. 47 图 3.10 FBG1 加载 1kHz信号时两干涉光信号的时域波形和频谱 48 图 3.11 FBG1 加载 1kHz信号时两干涉光信号的解调结果 48 图 3.12 F-P腔加载 500Hz信号时两干涉光信号的解调结果. 49 图 3.13 FBG1 加载 50Hz、F-P腔加载 500Hz信号时两干涉光信号的解调结果 50 图 3.14 F
15、BG1 和F-P腔都加载 500Hz信号时两干涉光信号的解调结果 50 图 4.1 光栅有效长度随反射率的变化曲线 53 图 4.2 非对称FFP腔内的多次反射光 . 54 图 4.3 不同阶反射光解调的干涉型FBG-FP传感系统. 55 图 4.4 MI输出的三种方式. 55 图 4.5 代价函数曲面 56 图 4.6 随FBG1 反射率变化的代价函数曲线 . 56 图 4.7 宽带光源的实验装置图 57 图 4.8 三个FBG的反射谱 57 图 4.9 采用PP1 输出方式采集的干涉光信号. 58 图 4.10 采用PF输出方式采集的干涉光信号 58 图 4.11 采用PP2 输出方式采集
16、的干涉光信号. 58 图 4.12 采用 10T脉冲间隔的AOM调制信号和三个干涉信号的光脉冲 . 59 图 4.13 三个干涉仪解调的干涉光信号 60 图 4.14 解调的 1kHz信号对比结果(a)时域波形 (b)频谱 . 61 图 4.15 腔内多次反射光的光谱变化 61 图 4.16 不同阶干涉信号可见度及解调的噪声特性 62 图 4.17 采用不同脉冲间隔的干涉条纹可见度比较曲线 62 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 VII 页 图 4.18 采用不同脉冲间隔的解调信号的本底噪声 63 图 5.1 采用宽带光源的FBG-FP腔结构. 65 图 5.2 干涉型FBG-FP传感系统. 67 图 5.3 光谱和臂差失配分别引起的可见度变化曲线 68 图 5.4 不同入射光功率条件下相位探测
