基于微分干涉原理的全光纤水下侦听技术

唐璜++缪璇++赵栋+

文章编号： 10055630(2014)02010705

收稿日期： 20130926

基金项目： 973课题(2010CB327805);科技部科技支撑计划课题(2011BAF06B01);国家重大科学仪器专项项目(2012YQ150213);国家自然科学基金项目(61107077);上海市科委科研计划项目(11231203400)

摘要： 针对水下安防这个特殊领域,介绍了一种基于微分干涉原理的全光纤水下声音传感系统。系统光路采用改进的Sagnac结构,利用宽光谱光源,实现了以相位压缩原理为基础的微分干涉,相较传统干涉结构,本系统基于干涉光束共光路的特性,只响应振动等动态变化的物理量,自动屏蔽温度起伏等静态、准静态干扰因素,使其在保持传统光学干涉类传感器高灵敏性的同时,又克服了传统干涉类传感器不稳定的缺点。该系统的水下部分仅由光纤及其无源器件组成,适应水下长期工作环境。实验验证了该方法可行、有效。

关键词： 水下侦听; 光纤; 微分干涉; 传感器

中图分类号： TB 937文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.02.004

Submarine listening based on fiber differential interferometer

TANG Huang1, MIAO Xuan2, ZHAO Dong1

(1.Department of Material Science, Fudan University, Shanghai 200433, China;

2.Shanghai Fudan Intelligent Surveillance Equipment Co., Ltd., Shanghai 200433, China)

Abstract： Submarine security is a special field. A submarine listening system based on fiber differential interferometer is introduced in this paper. Because of a modified sagnac interferometer and a broadband source, its optical system is a differential interferometer depending on the principle of phase compression. Based on the commonoptical path interferometer, this system only responds on dynamic disturbance such as vibration, and neglects static or quasistatic parameters such as temperature fluctuation. This system not only has the highsensitivity of traditional interferometric sensors, but also overcomes the instability of them, which tends to be affected from the external environmental condition such as temperature fluctuation. The underwater part of this system is fiber and passive optical components, which fits the longterm works in submarine condition. At last, the experimental results verify the feasibility of the system.

Key words： submarine listening; fiber; differential interference; sensor

引言水下安防是一个特殊领域,其主要作用是在临水特定区域对蛙人、机器人等水下入侵目标进行实时监测与预警。目前世界各国对来自空中和地面的恐怖袭击,已有了较为成熟的应对措施,但对较为隐蔽的水下恐怖袭击还缺乏行之有效的防控手段,是反恐的薄弱环节。随着恐怖活动不断从陆地向水下发展,对水下入侵目标的检测以及跟踪、识别成为新的关注焦点［1］。水下环境的特殊性使得声波成为主要的信息传输工具,同时也对电磁类器件在水下的长期使用提出了诸多限制。光纤传感技术近年来快速发展,以其灵敏度高、不含电磁器件的独特优势成为水下传感的优选。利用光纤做传感元件对水声信号进行探测相比传统的压电陶瓷具有噪声低、动态范围大、抗电磁干扰与信号串扰能力强、结构轻巧、适于远距离传输、组网等优点［24］。本文将提出一种基于微分干涉效应实现动态信号测量的水下全光纤声音侦听技术,并通过模拟实验验证了其有效性。1基本原理干涉型光纤传感技术具有高分辨率、高精度、高响应速度的优点,而其中以相位压缩原理为基础的微分干涉型光纤传感,因为利用了共光路的干涉结构,相较传统干涉结构,又同时具有了隔离静态、准静态的环境噪声影响(温度起伏等)、对光源要求低(可利用宽光谱光源)、线性范围大(相位压缩)、环境适应性强等优点,更具有实用价值,在长距离、大范围区域内进行动态信息的分布式监测方面有大的应用潜力［511］。光学仪器第36卷

第1期唐璜，等：基于微分干涉原理的全光纤水下侦听技术

水下蛙人或机器人运动产生的振动是以声波的形式传播到光纤,根据光纤的光弹效应,从而对光纤中传播的光信号的相位进行调制。可利用图1中所示的微分干涉型光路结构来进行解调,该系统包括一个宽光谱光源、两个光电探测器、一个2×2 光纤耦合器、一个3×3光纤耦合器、一段光纤延迟线、带有反射端的传感光纤。图1系统组成示意图

Fig.1The schematic diagram of the system从宽光谱光源发出的光信号首先被3×3光纤耦合器平分为三路,其中的两路光信号分别通过延迟臂和直接臂,经2×2光纤耦合器会合后沿传感光纤传播,遇到反射端后,这两路光信号原路返回,被2×2 光纤耦合器又平分为4路光信号,这4路光信号再次通过延迟臂和直接臂,通过3×3光纤耦合器后分别进入到两个探测器。两个探测器形成两路输出信号,有利于后续的信号处理。该光路系统中一共存在如下的4路光信号:光路1:光源→3×3光纤耦合器→延迟臂→传感光纤→2×2 光纤耦合器→延迟臂→探测器光路2:光源→3×3光纤耦合器→延迟臂→传感光纤→2×2 光纤耦合器→直接臂→探测器光路3:光源→3×3光纤耦合器→直接臂→传感光纤→2×2 光纤耦合器→直接臂→探测器光路4:光源→3×3光纤耦合器→直接臂→传感光纤→2×2 光纤耦合器→延迟臂→探测器由于宽光谱光源的相干长度极短,只有光路2和4才能够产生干涉,其他光路之间的光程差大于相干长度,只提供直流成分。当传感光纤静止不动的时候,光路2和光路4的光程完全相同;当传感光纤某一部分被声波信号调制时,光路2和光路4中传播的光信号经过该部分传感光纤时具有时间差(该时间差为光纤延迟线引入的时间延迟),因此当两路光信号叠加后即产生微分干涉现象。假设声波信号对光纤调制引起内部的光程变化量为L(t),光纤延迟线引入的时间延迟为τ,则上述光路2、光路4两路光信号叠加后所形成的光程差为L(t+τ)－L(t),则该光程差的变化在干涉系统中形成的干涉相位φ(t)可表示为φ(t)=2πλL′(t)•τ(1)其中,L′(t)=dL(t)dt表示调制引起的光程变化率,与光纤的光弹特性有关,λ为光的波长。滤除掉直流成分后,最终在两个探测器中探测到的对应光信号分量为I1(t)=I0cos［φ(t)+φ0］(2)

I2(t)=I0cos［φ(t)－φ0］(3)其中,φ0为由3×3光纤耦合器引入的初始相位差。根据式(1)、式(2)和式(3),可求得反映调制速率的物理量L′(t),通过积分运算,最终实现对传感光纤周围环境中声音信号的真实还原。在实际应用中,图1中的系统可被虚线划分为4个区域:监控区、传输区、预处理区和水下传感区。其中,传感区为水下的待测区域,将传感光纤缠绕在护栏上放入水下,并在末端制作一个反射端面;预处理区为干涉光路的主要组成部分,起到分离传感光纤和传输光纤的作用,即预处理区靠近监控区的一侧连接光纤只能传输调制后的光信号,该段光纤本身不能感知外界的声波信号;监控区由光源、探测器以及必须的软硬件部分组成,可放置在远离待测区域的监控室内;监控区和预处理区之间由常规的通信光纤(缆)远程连接。本系统除了在远离待测区域内的监控部分需要电能供应外,其余部分全部由光纤及无源器件组成,不含电磁器件,无需电能供应,适合在水下长期运行。同时基于微分干涉的传感原理,本系统只响应声波引起的振动等动态变化的物理量,而周围环境中温度起伏、水压变化等静态、准静态的物理量,由于他们的变化频率远小于1/τ,不会在系统中产生干涉现象,这些干扰因素将被本系统免疫。2模拟实验如图2所示,模拟实验在某游泳池内进行。泳池水深2.5 m,将本系统的传感光纤(直径0.9 mm紧包光纤)放置在泳池一侧底部,距离一边3.5 m的位置,在泳池另一侧实验人员穿戴脚蹼后,在水下约2 m的深度在位置1和位置2两点之间潜泳,两点之间的距离为10 m。图中L为蛙人和传感光纤之间的距离。

图2模拟实验示意图

Fig.2The schematic diagram of experimental simulation

图3为在监控区域内实时回放的水下声音数据图,由上而下分别为L=45 m、40 m和35 m处潜泳时的声音数据。从测试数据以及现场的声音回放可以看出,潜泳时,本系统能够捕捉到蛙人引起水波扰动的声音信号,有效探测距离大于45 m。

图3探测到不同距离的声波数据图

Fig.3Sound wave data detected at various distances

3结论本文介绍了一种基于微分干涉原理的全光纤水下声音侦听系统及其模拟实验。本系统利用宽光谱光源和新型的干涉光路结构,使得传感光纤仅对声波引起的振动等动态变化的物理量进行传感,而对环境温度起伏、水压变化等静态、准静态物理量免疫。本系统在保留传统干涉型光纤传感技术高灵敏度优点的基础上,克服了其易受环境干扰影响的缺点,能够在水下复杂环境中稳定有效地工作。模拟实验结果验证了该系统的可行性。参考文献：

［1］MCDONALD L,HICKS W.Acoustic fence:US 346414［P］.20030117.

［2］周波,李绪友,郝燕玲.干涉型光纤水听器PGC 零差解调技术研究与实现［J］.光学仪器,2004,26(3):3237.

［3］运朝青,罗洪,胡正良,等.应用于拖曳细线阵的光纤水听器研究［J］.光学学报,2012,32(12):7781.

［4］李东明,陈军,葛辉良,等.侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器［J］.光学学报,2012,32(5):2936.

［5］王廷云,郭强,唐明压,等.磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器［J］.光电子激光,2002,13(9):923925.

［6］赵新秋,韩伟.微分光纤传感器测量轧制力的研究［J］.仪器仪表学报,2006,27(6):16451646.

［7］陈德胜,部洪云,肖灵等.基于微分干涉仪的新型光纤声传感器［J］.光电子激光,2006,17(8):942944.

［8］WANG C,TANG H,XIAO Q,et al.The application of wide spectrum laser in noncontact vibration measurement［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(12):28582861.

［9］HONG G W,JIA B,WANG X.A novel allfiber high velocity interferometer for any reflector［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(8):20322035.

［10］HONG G W,JIA B.Allfiber multipoint VISAR［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(5):11991201.

［11］HONG G W,JIA B,TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber FoxSmith interferometer［J］.Journal of Lightwave Technology,2007,25(10):30573061.

I2(t)=I0cos［φ(t)－φ0］(3)其中,φ0为由3×3光纤耦合器引入的初始相位差。根据式(1)、式(2)和式(3),可求得反映调制速率的物理量L′(t),通过积分运算,最终实现对传感光纤周围环境中声音信号的真实还原。在实际应用中,图1中的系统可被虚线划分为4个区域:监控区、传输区、预处理区和水下传感区。其中,传感区为水下的待测区域,将传感光纤缠绕在护栏上放入水下,并在末端制作一个反射端面;预处理区为干涉光路的主要组成部分,起到分离传感光纤和传输光纤的作用,即预处理区靠近监控区的一侧连接光纤只能传输调制后的光信号,该段光纤本身不能感知外界的声波信号;监控区由光源、探测器以及必须的软硬件部分组成,可放置在远离待测区域的监控室内;监控区和预处理区之间由常规的通信光纤(缆)远程连接。本系统除了在远离待测区域内的监控部分需要电能供应外,其余部分全部由光纤及无源器件组成,不含电磁器件,无需电能供应,适合在水下长期运行。同时基于微分干涉的传感原理,本系统只响应声波引起的振动等动态变化的物理量,而周围环境中温度起伏、水压变化等静态、准静态的物理量,由于他们的变化频率远小于1/τ,不会在系统中产生干涉现象,这些干扰因素将被本系统免疫。2模拟实验如图2所示,模拟实验在某游泳池内进行。泳池水深2.5 m,将本系统的传感光纤(直径0.9 mm紧包光纤)放置在泳池一侧底部,距离一边3.5 m的位置,在泳池另一侧实验人员穿戴脚蹼后,在水下约2 m的深度在位置1和位置2两点之间潜泳,两点之间的距离为10 m。图中L为蛙人和传感光纤之间的距离。

图2模拟实验示意图

Fig.2The schematic diagram of experimental simulation

图3为在监控区域内实时回放的水下声音数据图,由上而下分别为L=45 m、40 m和35 m处潜泳时的声音数据。从测试数据以及现场的声音回放可以看出,潜泳时,本系统能够捕捉到蛙人引起水波扰动的声音信号,有效探测距离大于45 m。

图3探测到不同距离的声波数据图

Fig.3Sound wave data detected at various distances

3结论本文介绍了一种基于微分干涉原理的全光纤水下声音侦听系统及其模拟实验。本系统利用宽光谱光源和新型的干涉光路结构,使得传感光纤仅对声波引起的振动等动态变化的物理量进行传感,而对环境温度起伏、水压变化等静态、准静态物理量免疫。本系统在保留传统干涉型光纤传感技术高灵敏度优点的基础上,克服了其易受环境干扰影响的缺点,能够在水下复杂环境中稳定有效地工作。模拟实验结果验证了该系统的可行性。参考文献：

［1］MCDONALD L,HICKS W.Acoustic fence:US 346414［P］.20030117.

［2］周波,李绪友,郝燕玲.干涉型光纤水听器PGC 零差解调技术研究与实现［J］.光学仪器,2004,26(3):3237.

［3］运朝青,罗洪,胡正良,等.应用于拖曳细线阵的光纤水听器研究［J］.光学学报,2012,32(12):7781.

［4］李东明,陈军,葛辉良,等.侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器［J］.光学学报,2012,32(5):2936.

［5］王廷云,郭强,唐明压,等.磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器［J］.光电子激光,2002,13(9):923925.

［6］赵新秋,韩伟.微分光纤传感器测量轧制力的研究［J］.仪器仪表学报,2006,27(6):16451646.

［7］陈德胜,部洪云,肖灵等.基于微分干涉仪的新型光纤声传感器［J］.光电子激光,2006,17(8):942944.

［8］WANG C,TANG H,XIAO Q,et al.The application of wide spectrum laser in noncontact vibration measurement［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(12):28582861.

［9］HONG G W,JIA B,WANG X.A novel allfiber high velocity interferometer for any reflector［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(8):20322035.

［10］HONG G W,JIA B.Allfiber multipoint VISAR［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(5):11991201.

［11］HONG G W,JIA B,TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber FoxSmith interferometer［J］.Journal of Lightwave Technology,2007,25(10):30573061.

I2(t)=I0cos［φ(t)－φ0］(3)其中,φ0为由3×3光纤耦合器引入的初始相位差。根据式(1)、式(2)和式(3),可求得反映调制速率的物理量L′(t),通过积分运算,最终实现对传感光纤周围环境中声音信号的真实还原。在实际应用中,图1中的系统可被虚线划分为4个区域:监控区、传输区、预处理区和水下传感区。其中,传感区为水下的待测区域,将传感光纤缠绕在护栏上放入水下,并在末端制作一个反射端面;预处理区为干涉光路的主要组成部分,起到分离传感光纤和传输光纤的作用,即预处理区靠近监控区的一侧连接光纤只能传输调制后的光信号,该段光纤本身不能感知外界的声波信号;监控区由光源、探测器以及必须的软硬件部分组成,可放置在远离待测区域的监控室内;监控区和预处理区之间由常规的通信光纤(缆)远程连接。本系统除了在远离待测区域内的监控部分需要电能供应外,其余部分全部由光纤及无源器件组成,不含电磁器件,无需电能供应,适合在水下长期运行。同时基于微分干涉的传感原理,本系统只响应声波引起的振动等动态变化的物理量,而周围环境中温度起伏、水压变化等静态、准静态的物理量,由于他们的变化频率远小于1/τ,不会在系统中产生干涉现象,这些干扰因素将被本系统免疫。2模拟实验如图2所示,模拟实验在某游泳池内进行。泳池水深2.5 m,将本系统的传感光纤(直径0.9 mm紧包光纤)放置在泳池一侧底部,距离一边3.5 m的位置,在泳池另一侧实验人员穿戴脚蹼后,在水下约2 m的深度在位置1和位置2两点之间潜泳,两点之间的距离为10 m。图中L为蛙人和传感光纤之间的距离。

图2模拟实验示意图

Fig.2The schematic diagram of experimental simulation

图3为在监控区域内实时回放的水下声音数据图,由上而下分别为L=45 m、40 m和35 m处潜泳时的声音数据。从测试数据以及现场的声音回放可以看出,潜泳时,本系统能够捕捉到蛙人引起水波扰动的声音信号,有效探测距离大于45 m。

图3探测到不同距离的声波数据图

Fig.3Sound wave data detected at various distances

3结论本文介绍了一种基于微分干涉原理的全光纤水下声音侦听系统及其模拟实验。本系统利用宽光谱光源和新型的干涉光路结构,使得传感光纤仅对声波引起的振动等动态变化的物理量进行传感,而对环境温度起伏、水压变化等静态、准静态物理量免疫。本系统在保留传统干涉型光纤传感技术高灵敏度优点的基础上,克服了其易受环境干扰影响的缺点,能够在水下复杂环境中稳定有效地工作。模拟实验结果验证了该系统的可行性。参考文献：

［1］MCDONALD L,HICKS W.Acoustic fence:US 346414［P］.20030117.

［2］周波,李绪友,郝燕玲.干涉型光纤水听器PGC 零差解调技术研究与实现［J］.光学仪器,2004,26(3):3237.

［3］运朝青,罗洪,胡正良,等.应用于拖曳细线阵的光纤水听器研究［J］.光学学报,2012,32(12):7781.

［4］李东明,陈军,葛辉良,等.侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器［J］.光学学报,2012,32(5):2936.

［5］王廷云,郭强,唐明压,等.磁致伸缩效应光纤微分干涉电流传感器［J］.光电子激光,2002,13(9):923925.

［6］赵新秋,韩伟.微分光纤传感器测量轧制力的研究［J］.仪器仪表学报,2006,27(6):16451646.

［7］陈德胜,部洪云,肖灵等.基于微分干涉仪的新型光纤声传感器［J］.光电子激光,2006,17(8):942944.

［8］WANG C,TANG H,XIAO Q,et al.The application of wide spectrum laser in noncontact vibration measurement［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2009,51(12):28582861.

［9］HONG G W,JIA B,WANG X.A novel allfiber high velocity interferometer for any reflector［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(8):20322035.

［10］HONG G W,JIA B.Allfiber multipoint VISAR［J］.Microwave and Optical Technology Letters,2007,49(5):11991201.

［11］HONG G W,JIA B,TANG H.Location of a wideband perturbation using a fiber FoxSmith interferometer［J］.Journal of Lightwave Technology,2007,25(10):30573061.