光纤水听器200km无中继传输系统噪声研究

　　1　引言

　　光纤水听器远程传输阵列在石油勘探和海洋预警中发挥着重要作用[1，2]。在实际应用中，通常需要实现水下声信号的全光获取及传输，因此建立无中继系统成为远程阵列发展的重要方向之一。但是随着距离的增加，非线性效应以及相干双重瑞利散射(DRS)等带来的传输噪声逐步增加，经远程无中继传输后，弱光信号的高增益放大也带来大量噪声，这些都成为限制系统传输距离的重要因素。因此需要对远程无中继系统中的各种噪声进行抑制。为降低光放大噪声，可利用分布式光纤拉曼放大(DFRA)的低噪声特点，采用DFRA和掺铒光纤放大(EDFA)的混合放大。目前对混合放大的研究多集中在光纤通信和分布式光纤光栅传感等领域，讨论其对系统噪声指数(NF)或光信噪比(OSNR)的改善情况[3，4]。另外对DRS的研究也多集中在光纤通信领域，讨论DRS对系统OSNR的影响[5，6]。

　　在干涉型光纤传感系统中，OSNR仅反映系统光强度的变化，相位噪声才是衡量系统性能的关键指标，因此需要对远程传输系统的相位噪声及抑制方案进行讨论。在已有研究中，王科研等[7]从实验上分析了DFRA对光纤水听器25km传输系统强度及相位噪声的抑制情况，但由于距离偏短，未对DFRA和EDFA混合的高增益放大系统进行研究。Cranch等[8]在25km传输光纤上加入了相位调制器抑制了光纤传感系统中的DRS噪声。在文献[9]中使用内调制相位产生载波(PGC)技术抑制了50km传输系统中DRS带来的相位噪声。但传输距离大于100km且存在光放大时DRS的噪声抑制效果尚未见报道。

　　本文从理论和实验上对影响光纤水听器远程无中继传输系统性能的各种噪声进行了研究。计算了注入远程光纤的最佳光功率，以实现对非线性噪声的抑制;推导了光放大引入的相位噪声公式，估算了DFRA和EDFA混合放大对噪声的改善能力;利用弱法布里 珀罗(F-P)干涉模型研究了PGC调制解调在消除系统相位衰落的同时对DRS噪声进行抑制的基本原理;通过噪声分离实验得到100～200km无中继传输系统中各种噪声的抑制水平，并对仿真分析结果进行了验证。

　　2　理论分析

　　高相干光源的干涉型光纤水听器短程系统本底噪声主要包括光源强度、频率噪声、光电探测器噪声和环境噪声等。由远程传输带来的附加噪声则主要包括非线性噪声、相干瑞利散射噪声和光放大噪声等，它们将直接或间接影响系统的相位噪声。本文在光纤水听器200km无中继远程传输系统中，采用控制注入远程光纤光功率、DFRA和EDFA的混合光放大以及PGC调制解调等方案对以上噪声进行抑制。

　　2.1　受激布里渊散射