基于迈克尔逊干涉仪隔振降噪技术研究*

赵宏琳 黄俊斌 顾宏灿 汪云云 宋文章 周 璇

（海军工程大学兵器工程学院 武汉 430033）

1 引言

光纤光栅激光水听器凭借其灵敏度高，体积小，易于复用成阵，抗电磁干扰能力强等优点，在大规模多基元成阵方面具有极大的优势，可以实现高精度长距离的探测［1～4］。为了实现远距离的探测，就要降低光纤激光水听器系统的噪声。系统的噪声来源主要分为两个方面，一是光纤激光器的强度噪声和频率噪声，二是解调系统中通过解调干涉仪引入的环境噪声、信号采集电路中光电探测器引入的噪声以及解调算法不适用性导致的信号失真等［5］。干涉仪是解调系统中的重要器件，其作用是将接收到光信号通过非平衡路径进行干涉，产生干涉信号，通过将光相位变化转化为光强度变化，最后经过光电转换，信号解调提取出原始信号［6］。目前，国内外对光纤光栅激光器的自噪声以及解调算法的研究较为多见，针对分布反馈式（DFB：Distributed FeedBack）光纤光栅激光水听器系统中干涉仪的降噪并不常见。根据解调干涉仪的工作环境分析，其易受外界振动等因素影响，降低了系统的灵敏度，因此对干涉仪降噪是降低光纤激光水听器系统噪声水平的必要环节。

针对干涉仪降噪的方法有以下三个方面。一是对解调干涉仪进行外部物理隔振，如715所王力求［7］将干涉仪放置在密闭罐内并对其进行了抽真空处理，在100Hz～1600Hz频段范围内，干涉仪的响应能够达到-100dB左右。相比于干涉仪放置在空气的环境下，干涉仪放于真空中并加隔振器进行隔振对噪声的抑制效果可以达到20dB。但是抽真空处理容易受气密性等因素的影响，工程应用难度和成本较高。二是对解调系统的光路进行设计或者控制。如Ning等［8］采提出了一种新型的干涉式波长检测方案，经过实验证明，结合附加的参考光束和反馈控制系统，该方案可以将信噪比提高约25dB，外界振动引起的相位噪声可以降低约25dB。但是该方案增加了系统的复杂度，而通过参考波长控制干涉仪的光程差也会引入噪声。三是通过参考补偿方法对环境噪声进行抵消。如Cranch等［9～10］基于单FBG和FFP的干涉型传感系统提出了一种新颖的参考补偿方法，用于消除动态光纤布拉格光栅（FBG）传感器的干涉式波长偏移解调中的环境噪声。通过在系统中采用屏蔽的波分复用参考FBG，可以从参考通道测量环境噪声，进而从每个传感器通道的解调结果中减去环境噪声。此方法可以在20Hz～2kHz的频率范围内将每个传感器通道中的环境噪声降低40dB。该方法还可以减少环境干扰引起的宽带噪声，并显著提高检测信号的信噪比。但是这种方法对低频（30Hz以下）噪声屏蔽的效果有限，有一定的局限性。

在实际应用中，外界环境的振动会通过干涉仪转化为解调系统的相位噪声，影响系统的探测能力。因此本文通过使用钢丝绳隔振器对干涉仪进行物理隔振，降低外部环境通过干涉仪引入的相位噪声。实验结果表明：这种隔振方式对抑制光纤光栅激光水听器系统中解调干涉仪引入的相位噪声有明显效果，低频带相位噪声峰值降低10dB～40dB，全频带相位噪声降低约10dB～15dB，能够使隔振后的相位噪声接近系统的本底噪声，进而降低系统的最小可探测声压［11］，提高系统的探测距离。

2 隔振原理

由于Michelson干涉仪在实际工程使用时，避免不了自振和外部环境的影响，为了减轻这种干扰，可以在解调干涉仪下方安装隔振器，本文选用的钢丝绳隔振器是利用钢丝绳之间的干摩擦阻尼吸收耗散振动能量［12］，在受到强烈冲击时，它可以产生较大的动态位移，同时吸收高频和低频振动使外部环境振动与干涉仪系统互相隔离。

隔振传递简化模型如图1所示。

图1 隔振传递简化模型

根据上图传递模型，设光纤干涉仪的质量为m，刚度为k，阻尼为c，以干涉仪静止为运动起点，建立运动微分方程：

式（1）和（2）联立，令a=x-y，则式（1）化简为

式（3）两边同除m，得：

式（4）中：ζ为阻尼比，ωn为整体固有频率。

设a(t)=Asin(ωt+φ)代入到式（4）中得：

联立式（5）、（6）解方程组得隔振传递率T：

隔振传递率为通过隔振器传递的位移量和激励振动幅值之比［13］。

实验中解调干涉仪的质量m为0.4kg，通过优化得系统的刚度系数k为0.2N/mm，阻尼比ζ为0.16，当隔振器承载解调干涉仪时，结合式（7）得出系统的隔振传递曲线，如图2所示。

图2 解调干涉仪隔振传递曲线

通过图2可以得出当振动频率大于10Hz时，整个系统的隔振效率大于74%（约为11dB）。隔振传递率随着频率的增大而减小，隔振效率明显提高。

3 实验与分析

搭建基于Michelson干涉仪的隔振降噪系统，如图3所示，干涉仪内部结构如图4所示。

图3 基于Michelson干涉仪隔振降噪系统

图4 迈克尔逊干涉仪结构图

在泵浦光源的作用下，980 nm的光经过隔离器和980/1550 nm波分复用器（WDM）传输到有待测声压信号作用的DFB光纤激光器上，激光器反射出的1550nm的光将携带着待测信号导致的波长变化量共同经过WDM和隔离器传输到干涉仪中进行干涉，最后经过探测器实现光电转换，将激光信号转换为电信号，用采集卡进行采样后，运用解调算法提取出待测信号。图4中迈克尔逊干涉仪由2×2耦合器、3×3耦合器和法拉第旋转镜组成，其中2×2耦合器和3×3耦合器分别有一臂空置，为了减少这两臂的光反射，将这两臂的光纤缠绕成小圆环放置于干涉仪中，两个法拉第旋转镜接于3×3耦合器的两臂后。

由于振动台上的空间有限，制作合适规格的铝合金板装在振动台上，用螺丝将铝合金板与振动台刚性连接，即振动台施加的激振频率和铝合金板的振动频率相等。通过suin TFG6930A型信号发生器对振动台施加正弦振动信号，经过ymc/A1500型功率放大器对振动台的振动幅度和频率进行控制。用495胶ymc222A50型加速度计粘在铝合金板上与板刚性连接，加速度值通过ymc8102A型电荷放大器放大后用示波器读取。将隔振器的下端用螺丝固定在板子上，再将干涉仪用螺丝固定在隔振器上端，干涉仪输出信号通过探测器，采集系统获得干涉信号。具体实验实物图如图5所示。

图5 实验系统实物图

首先不加隔振器将干涉仪裸放置在铝合金板上，与振动台刚性连接，由于加速度计与振动台也为刚性连接，所以通过示波器测得加速度值等于干涉仪的加速度值，即此时干涉仪受到的振动频率与振动台施加的振动频率相等。通过信号发生器对振动台施加10Hz的振动频率，振动幅度为2V，调整功率放大器，使示波器读数恒定为650mv，通过Labview采取数据。改变振动频率分别为20Hz、40Hz、50Hz、80Hz、100Hz、200Hz、315Hz、400Hz、500Hz、800Hz、1000Hz，振动幅度均为2V，重复上述步骤。

在干涉仪和振动台之间安装隔振器，再对振动台施加上述相同频率和振幅，通过Labview采取数据，用Matlab对上述两组数据进行处理，得到相位噪声与频率的关系，并与本底噪声对比，如图6（a）、（b）所示。

图6 振频相位噪声对比图

为了能够使信号在一个周期内采样点数较多，保持好的波形，当振动频率高于100Hz时，将系统的采样频率由125kHz调整为625kHz。通过图6（a）、（b）可知，外加振动信号不作用于干涉仪时，系统的相位噪声即为本底噪声，对干涉仪施加100Hz以下（包含100Hz）的振动信号，系统的整体相位噪声水平增加了10dB～20dB，相位噪声峰值增长最为明显，约30dB～40dB。结合图6（a），（b）中所有曲线可知，当激振频率为100Hz时系统的整体相位噪声水平最大，约为-60dB，由于自制的干涉仪中2×2耦合器、3×3耦合器、法拉第旋转镜以及100m非平衡长度的光纤没有刚性与干涉仪外壳连接，当干涉仪受到振动时，其中的光纤受到的振动信号频率可能产生偏移，导致图6（b）中激振频率为200Hz、315Hz和400Hz的曲线在0～4k的频带范围内出现谐振峰。因此需要运用隔振器来减轻外界振动对干涉仪产生的影响。

上述图6中干涉仪不加隔振器时，相位噪声在0～1k频带范围内峰值会有明显增加，在干涉仪和振动台之间安置隔振器，通过信号发生器对振动台施加实验方案中相同的激振频率，在0～1k频带范围内，得到相位噪声峰值隔振效果对比如图7所示。

图7 相位噪声峰值隔振对比图

根据图7可知对干涉仪施加隔振器进行隔振，能够明显降低相位噪声的峰值，当激振频率为400Hz，通过隔振能够最大降低相位噪声约40dB，针对10Hz～1000Hz的激振频率，整体峰值降低约10dB～40dB，能够满足应用需求。

图6两图表示干涉仪不加隔振器，整体的相位噪声水平较高，并且激振频率100hz的整体相位噪声最大，在200Hz～400Hz的激振频率范围内出现谐振峰，施加隔振器时，由于系统中解调干涉仪在实际工作时，受到外界振动影响的频率范围大多在100Hz～500Hz，所以选择激振频率为100Hz、200Hz、315Hz和400Hz的相位噪声在隔振前后对比分析如图8所示。

图8（a）中所示，通过隔振器对干涉仪隔振，100Hz频点处相位噪声峰值降低约20dB，3kHz以下相位噪声降低约10dB，3kHz以上频带范围内相位噪声降低约20dB。图8（b）、（c）、（d）表明，通过这种隔振方式能够有效消除0～4kHz频带范围内的谐振峰，并且三个图全频带均能降低相位噪声约10dB～15dB。运用这种钢丝绳隔振器对干涉仪进行隔振处理效果显著，能够达到实际应用的指标，满足工程应用需求。

图8 激振频率隔振效果

4 结语

通过实验表明，光纤光栅激光水听器系统中解调干涉仪在工作时，外部振动会对其产生很大影响，振动信号会通过解调传递转化为相位噪声，增加系统的相位噪声水平，使解调信号失真。通过钢丝绳隔振器对解调干涉仪进行隔振，低频带相位噪声峰值降低10dB～40dB，全频带相位噪声降低约10dB～15dB，能够有效降低外界环境的干扰，满足工程应用需要。