基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽(tīng)技術(shù)的發(fā)展論文
引言
水下安防是一個(gè)特殊領(lǐng)域,其主要作用是在臨水特定區域對蛙人、機器人等水下入侵目標進(jìn)行實(shí)時(shí)監測與預警。目前世界各國對來(lái)自空中和地面的恐怖襲擊,已有了較為成熟的應對措施,但對較為隱蔽的水下恐怖襲擊還缺乏行之有效的防控手段,是反恐的薄弱環(huán)節。隨著(zhù)恐怖活動(dòng)不斷從陸地向水下發(fā)展,對水下入侵目標的檢測以及跟蹤、識別成為新的關(guān)注焦點(diǎn)［1］。水下環(huán)境的特殊性使得聲波成為主要的信息傳輸工具,同時(shí)也對電磁類(lèi)器件在水下的長(cháng)期使用提出了諸多限制。光纖傳感技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展,以其靈敏度高、不含電磁器件的獨特優(yōu)勢成為水下傳感的優(yōu)選。利用光纖做傳感元件對水聲信號進(jìn)行探測相比傳統的壓電陶瓷具有噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾與信號串擾能力強、結構輕巧、適于遠距離傳輸、組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)［24］。本文將提出一種基于微分干涉效應實(shí)現動(dòng)態(tài)信號測量的水下全光纖聲音偵聽(tīng)技術(shù),并通過(guò)模擬實(shí)驗驗證了其有效性。
1基本原理
干涉型光纖傳感技術(shù)具有高分辨率、高精度、高響應速度的優(yōu)點(diǎn),而其中以相位壓縮原理為基礎的微分干涉型光纖傳感,因為利用了共光路的干涉結構,相較傳統干涉結構,又同時(shí)具有了隔離靜態(tài)、準靜態(tài)的環(huán)境噪聲影響(溫度起伏等)、對光源要求低(可利用寬光譜光源)、線(xiàn)性范圍大(相位壓縮)、環(huán)境適應性強等優(yōu)點(diǎn),更具有實(shí)用價(jià)值,在長(cháng)距離、大范圍區域內進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息的分布式監測方面有大的應用潛力［511］。光學(xué)儀器第36卷第1期唐璜，等：基于微分干涉原理的全光纖水下偵聽(tīng)技術(shù)水下蛙人或機器人運動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)是以聲波的形式傳播到光纖,根據光纖的光彈效應,從而對光纖中傳播的光信號的相位進(jìn)行調制�？衫脠D1中所示的微分干涉型光路結構來(lái)進(jìn)行解調,該系統包括一個(gè)寬光譜光源、兩個(gè)光電探測器、一個(gè)2×2 光纖耦合器、一個(gè)3×3光纖耦合器、一段光纖延遲線(xiàn)、帶有反射端的傳感光纖。圖1系統組成示意圖
Fig.1The schematic diagram of the system從寬光譜光源發(fā)出的光信號首先被3×3光纖耦合器平分為三路,其中的兩路光信號分別通過(guò)延遲臂和直接臂,經(jīng)2×2光纖耦合器會(huì )合后沿傳感光纖傳播,遇到反射端后,這兩路光信號原路返回,被2×2 光纖耦合器又平分為4路光信號,這4路光信號再次通過(guò)延遲臂和直接臂,通過(guò)3×3光纖耦合器后分別進(jìn)入到兩個(gè)探測器。兩個(gè)探測器形成兩路輸出信號,有利于后續的信號處理。該光路系統中一共存在如下的4路光信號:光路1:光源→3×3光纖耦合器→延遲臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→延遲臂→探測器光路2:光源→3×3光纖耦合器→延遲臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→直接臂→探測器光路3:光源→3×3光纖耦合器→直接臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→直接臂→探測器光路4:光源→3×3光纖耦合器→直接臂→傳感光纖→2×2 光纖耦合器→延遲臂→探測器由于寬光譜光源的相干長(cháng)度極短,只有光路2和4才能夠產(chǎn)生干涉,其他光路之間的.光程差大于相干長(cháng)度,只提供直流成分。當傳感光纖靜止不動(dòng)的時(shí)候,光路2和光路4的光程完全相同;當傳感光纖某一部分被聲波信號調制時(shí),光路2和光路4中傳播的光信號經(jīng)過(guò)該部分傳感光纖時(shí)具有時(shí)間差(該時(shí)間差為光纖延遲線(xiàn)引入的時(shí)間延遲),因此當兩路光信號疊加后即產(chǎn)生微分干涉現象。假設聲波信號對光纖調制引起內部的光程變化量為L(cháng)(t),光纖延遲線(xiàn)引入的時(shí)間延遲為τ,則上述光路2、光路4兩路光信號疊加后所形成的光程差為L(cháng)(t+τ)－L(t),則該光程差的變化在干涉系統中形成的干涉相位φ(t)可表示為φ(t)=2πλL′(t)τ(1)其中,L′(t)=dL(t)dt表示調制引起的光程變化率,與光纖的光彈特性有關(guān),λ為光的波長(cháng)。濾除掉直流成分后,最終在兩個(gè)探測器中探測到的對應光信號分量為I1(t)=I0cos［φ(t)+φ0］(2)
I2(t)=I0cos［φ(t)－φ0］(3)其中,φ0為由3×3光纖耦合器引入的初始相位差。根據式(1)、式(2)和式(3),可求得反映調制速率的物理量L′(t),通過(guò)積分運算,最終實(shí)現對傳感光纖周?chē)h(huán)境中聲音信號的真實(shí)還原。在實(shí)際應用中,圖1中的系統可被虛線(xiàn)劃分為4個(gè)區域:監控區、傳輸區、預處理區和水下傳感區。其中,傳感區為水下的待測區域,將傳感光纖纏繞在護欄上放入水下,并在末端制作一個(gè)反射端面;預處理區為干涉光路的主要組成部分,起到分離傳感光纖和傳輸光纖的作用,即預處理區靠近監控區的一側連接光纖只能傳輸調制后的光信號,該段光纖本身不能感知外界的聲波信號;監控區由光源、探測器以及必須的軟硬件部分組成,可放置在遠離待測區域的監控室內;監控區和預處理區之間由常規的通信光纖(纜)遠程連接。本系統除了在遠離待測區域內的監控部分需要電能供應外,其余部分全部由光纖及無(wú)源器件組成,不含電磁器件,無(wú)需電能供應,適合在水下長(cháng)期運行。同時(shí)基于微分干涉的傳感原理,本系統只響應聲波引起的振動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化的物理量,而周?chē)h(huán)境中溫度起伏、水壓變化等靜態(tài)、準靜態(tài)的物理量,由于他們的變化頻率遠小于1/τ,不會(huì )在系統中產(chǎn)生干涉現象,這些干擾因素將被本系統免疫。
2模擬實(shí)驗
如圖2所示,模擬實(shí)驗在某游泳池內進(jìn)行。泳池水深2.5 m,將本系統的傳感光纖(直徑0.9 mm緊包光纖)放置在泳池一側底部,距離一邊3.5 m的位置,在泳池另一側實(shí)驗人員穿戴腳蹼后,在水下約2 m的深度在位置1和位置2兩點(diǎn)之間潛泳,兩點(diǎn)之間的距離為10 m。圖中L為蛙人和傳感光纖之間的距離。
圖2模擬實(shí)驗示意圖
Fig.2The schematic diagram of experimental simulation
圖3為在監控區域內實(shí)時(shí)回放的水下聲音數據圖,由上而下分別為L(cháng)=45 m、40 m和35 m處潛泳時(shí)的聲音數據。從測試數據以及現場(chǎng)的聲音回放可以看出,潛泳時(shí),本系統能夠捕捉到蛙人引起水波擾動(dòng)的聲音信號,有效探測距離大于45 m。
圖3探測到不同距離的聲波數據圖
Fig.3Sound wave data detected at various distances
3結論
本文介紹了一種基于微分干涉原理的全光纖水下聲音偵聽(tīng)系統及其模擬實(shí)驗。本系統利用寬光譜光源和新型的干涉光路結構,使得傳感光纖僅對聲波引起的振動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化的物理量 進(jìn)行傳感,而對環(huán)境溫度起伏、水壓變化等靜態(tài)、準靜態(tài)物理量免疫。本系統在保留傳統干涉型光纖傳感技術(shù)高靈敏度優(yōu)點(diǎn)的基礎上,克服了其易受環(huán)境干擾影響的缺點(diǎn),能夠在水下復雜環(huán)境中穩定有效地工作。模擬實(shí)驗結果驗證了該系統的可行性。
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