光纤水听器性能优化研究

论文摘要

光纤水听器自问世以来,在巨大的军事价值和民用价值推动下得到了迅速发展,已逐渐从实验室阶段走向工程应用。本论文所做的工作正致力于光纤水听器实用化设计与研究。本文首先阐述了干涉型光纤传感器调制与检测理论,介绍了两种实用的检测解调方案,即相位生成载波(PGC)技术,3×3耦合器多相检测技术。然后对光纤水听器系统的两个重要技术指标灵敏度和动态范围进行了详细的分析,讨论了光纤水听器系统的相位灵敏度和声压灵敏度,以及两种灵敏度的物理意义和内在联系;介绍了动态范围上限,动态范围下限(本底噪声)的概念,并分析了动态范围的影响因素。为了提高光纤水听器系统的整体性能,文中对PGC解调光纤水听器系统低通滤波器的频率特性进行了深入地研究,以无失真传输理论为基础分析了低通滤波器的幅频特性和相频特性,并得出结论。为保证解调信号无失真输出,要求低通滤波器具有陡峭截止特性和线性相位;如果低通滤波器相频特性为非线性,则会导致PGC解调系统输出信号的频率成分发生变化,给光纤水听器系统输出信号的频谱分析带来干扰。文中又结合PGC解调系统仿真,对低通滤波器的截止频率进行优化设置,提高了系统动态范围上限。这些结论为今后光纤水听器的测试与研究提供了重要的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤传感器概述
• 1.1.1 光纤传感器工作原理
• 1.1.2 光纤传感器的分类
• 1.1.3 光纤传感器的发展方向
• 1.2 光纤水听器概述
• 1.2.1 干涉型光纤水听器的关键技术
• 1.2.2 光纤水听器国内外研究动态
• 1.3 课题的研究内容及意义
• 第2章 干涉型光纤传感器检测原理
• 2.1 光纤相位调制原理
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 引起相位调制的物理因素
• 2.2 光相位调制的干涉测量
• 2.2.1 光相位调制的干涉测量理论
• 2.2.2 Michelson干涉仪的检测原理
• 2.3 本章小结
• 第3章 干涉型光纤传感器信号解调技术
• 3.1 零差检测技术概述
• 3.2 相位生成载波（PGC）检测技术
• 3.2.1 PGC检测方案的介绍
• 3.2.2 PGC检测方案的数学模型
• 3.3 3×3耦合器多相检测技术
• 3.3.1 3×3耦合器多相检测方案概述
• 3.3.2 3×3耦合器多相检测方案数学模型
• 3.4 消除偏振衰落技术
• 3.4.1 光的双折射效应与偏振衰落现象
• 3.4.2 消除偏振衰落现象的技术方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 干涉型光纤水听器性能则试技术指标
• 4.1 相位灵敏度
• 4.1.1 相位灵敏度定义
• 4.1.2 相位灵敏度的影响因素
• 4.2 声压灵敏度
• 4.2.1 声压灵敏度定义
• 4.2.2 声压灵敏度的影响因素
• 4.3 相位灵敏度与声压灵敏度的关系
• 4.4 动态范围定义
• 4.5 PGC解调方案光纤水听器系统动态范围上限分析
• 4.5.1 Bessel函数性质
• 4.5.2 动态范围上限分析
• 4.5.3 光源有限的调制频率
• 4.6 PGC解调方案光纤水听器系统动态范围下限分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 PGC解调光纤水听器系统低通滤波器频率特性分析
• 5.1 无失真传输
• 5.1.1 无失真传输系统
• 5.1.2 无失真传输系统的频率特性
• 5.1.3 PGC解调系统低通滤波器的无失真传输
• 5.2 低通滤波器输入、输出信号频谱分析
• 5.3 PGC解调系统仿真
• 5.3.1 待测信号幅度对低通滤波器输入信号频谱的影响
• 5.3.2 动态范围上限的获取
• 5.4 低通滤波器截止特性分析
• 5.5 低通滤波器截止频率优化设置
• 5.6 低通滤波器相频特性分析
• 5.6.1 低通滤波器非线性相位对 PGC解调的影响
• 5.6.2 系统仿真
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A PGC解调系统Simulink仿真图及说明
• 附录B PGC解调系统Matlab仿真.m文件程序