新型干涉型光纤水听器动态范围研究及在水下测量中的应用

摘要

随着海洋科学的发展，光纤水听器的应用领域越来越广。比起传统的光纤水听器，声光耦合干涉型光纤水听器可以在空中机载平台发射探测激光，在水面通过激光多普勒效应耦合水下声场信息，通过检测反射光信号遥感测量水下声场信号。声光耦合干涉型光纤水听器不仅灵敏度高，而且可以对危险海域进行非接触式探测，是一种非常有潜在应用价值的传感器;
　　本论文首先介绍了光纤水听器发展历史和声光耦合型光纤水听器的应用;研究分析了一种基于π/2相位调制的声光耦合干涉型光纤水听器，介绍利用这种调制方法获取两路正交信号的原理;详细介绍了两种常用的光纤水听器数字解调方法，微分交叉算法和反正切算法，分别分析这两种解调算法的动态范围上限以及动态范围受限原因，对比这两种解调算法的优缺点;提出了微分交叉相乘算法无畸变动态范围的概念，通过分析其解调原理发现其动态范围上限随采样频率线性增大;通过Matlab仿真，分析了信号幅度、频率和采样频率对这两种解调算法的影响;并研究了当待解调的两路信号处于非正交的状态时对两种解调算法的影响。
　　搭建了基于PZT环的π/2相位调制干涉实验系统，对振动信号进行解调测试，实验结果证明该解调系统最小可检测相移量为2.4×10-5rad，系统的动态范围受信号频率和采样频率的影响，当信号频率从5kHz变化到1kHz，系统无畸变动态范围从87dB提高到102dB。搭建了声光耦合型干涉水听器实验系统进行水池实验，探测到了水下10m处铝板的反射声波信号。根据实验结果分析，声光耦合型干涉水听器可检测最大深度为36m。
　　最后提出了一种利用激光声源和声光耦合干涉型光纤水听器阵列探测水下目标方位和尺寸的方法，分析其工作原理。介绍了使用的差分定位算法和解卷积算法分别来估算水下目标方位和尺寸的原理。最后对探测系统进行了数值仿真，验证了这种方法的可行性。

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第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 光纤水听器发展历史

1．3 声光耦合光纤水听器的应用

1．4 论文研究内容和组织构架

第2章 基于π／2相位解调技术光纤水听器动态范围研究

2．1 π／2相位调制解调技术

2．1．1 π／2相位调制解调结构

2．1．2 信号传播数学模型

2．1．3 微分交叉相乘算法

2．2 动态范围分析

2．2．1 微分交叉相乘算法对动态范围的影响

2．2．2 反正切算法对动态范围的影响

2．3 本章小结

第3章 π／2相位调制光纤水听器动态范围仿真

3．1 微分交叉算法动态范围的仿真

3．1．1 不同信号幅度下的仿真

3．1．2 不同信号频率下的仿真

3．1．3 不同采样频率下的仿真

3．2 反正切算法动态范围的仿真

3．2．1 不同信号幅度下的仿真

3．2．2 不同信号频率下的仿真

3．3 正交误差对解调的影响

3．4 本章小结

第4章 新型光纤水听器实验验证

4．1 实验设计

4．2 动态范围测量

4．2．1 最小可检测信号

4．2．2 最大可检测信号

4．3 不同信号频率下的动态范围

4．4 水池实验

4．4．1 实验环境

4．4．2 实验结果分析

4．5 本章小结

第5章 新型干涉型光纤水听器阵列在水下测量中的应用

5．1 系统结构

5．1．1 水下目标方位及尺寸测量原理

5．1．2 信号传播数学模型

5．1．3 差分定位及解卷积算法

5．2 水下目标方位及尺寸测量仿真

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 主要研究工作

6．2 展望

参考文献

作者简历