分布式光纤拉曼放大对远程光纤水听器系统噪声特性的影响

　　1 引言

　　随着光纤水听器(FOH)阵列关键技术的成熟,超远程大规模光纤水听器阵列成为其主要发展方向。20世纪末美国实施了系列光纤水下探测系统的重大开发计划,并取得较大成功,对其水下信息网的建立和第一、二岛链对我水下封锁体系的建设发挥了重要作用。近年来英国也开始进行500km,512基元远程大规模光纤水听器阵列技术的研究。我国海洋环境监测和海洋防御体系的建立对远程大规模光纤水听器阵列也提出了明确的应用需求。光放大技术是实现远程大规模光纤水听器阵列的关键技术之一。常用的掺铒光纤在线放大器(EDFA)[1]因其远程抽运传输损耗大、放大带宽窄和噪声大等缺陷而使其应用受限。分布式光纤拉曼放大器(DFRA)凭借其在线、增益带宽范围大、噪声小等优点,逐渐成为光纤通信系统中光放大的重要手段[2~7]。同时,在线、低噪声等特点使得它在光纤传感系统中同样具有广阔的应用前景。

　　目前,光纤拉曼放大器在光纤传感系统中应用的报道主要集中在分布式温度传感系统和光纤光栅压力传感系统。本文将DFRA作为在线放大器应用于远程光纤水听器系统,实验研究了其引入对远程光纤水听器系统噪声性能的影响。

　　2 系统噪声分析及其测试方法

　　光纤水听器系统的噪声本底通过声压灵敏度转化为等效噪声声压,而等效噪声声压决定了系统对弱信号的探测能力,限制了系统的探测性能。高灵敏度的干涉型光纤水听器系统的噪声包括强度噪声和光学相位噪声,在实际传感中强度噪声将转化为等效的相位噪声,为区分两种噪声及其影响,分别对其进行了测试,首先介绍干涉型光纤水听器系统的强度噪声和相位噪声的测试原理及方法。

　　2.1 强度噪声

　　在干涉型光纤水听器实际应用中,系统强度噪声将转化为等效的相位噪声来影响系统性能,因此常用系统相对强度噪声(RIN)来描述系统的强度噪声Nr,Nr定义为[8]

　　式中为系统输出光功率起伏均方谱密度,为系统平均输出光功率。干涉型光纤水听器检测的是声压引起的干涉仪相位变化,由相对强度噪声产生的等效相位噪声δΦ为

　　式中f为信号频率值。相对强度噪声Nr和等效相位噪声D<都是与信号频率f相关的量。依据此定义,通过光电探测器分别测量探测器输出电压的均值和方差,即可计算出系统的相对强度噪声。

　　2.2 相位噪声

　　系统相位噪声主要来自激光器自身的相位噪声以及由于外界环境干扰引起的激光器中心频率抖动和谱线展宽带来的相位噪声,相位噪声的存在限制了系统测量的最小相位,即光纤水听器可探测的最小声压。