F-P型光纤水听器温度特性研究

　　引言

　　光纤水听器是通过接收声波对水下目标进行探测、定位和识别的传感器,它在民用及军事领域,尤其是水下反潜战中有着重要作用[1]。由于军事应用的推动,美、英等国都投入大量的资金从事该领域的研究,并取得了巨大发展。我国在水听器方面的研究起步于20世纪80年代,与国外领先技术差距很大[2]。所以加大对水听器的研究力度,解决研究进程中一些关键技术障碍迫在眉睫。温度漂移对光纤水听器工作稳定性的影响就是其中之一,它很早就被水听器研究人员提出来,然而见诸文献的研究结果却很少。本文从理论出发分析了温度变化对干涉型光纤水听器各个方面的影响。在实验室条件下对温度影响水听器相移输出作了详细的实验,得出与理论比较符合的结果。

　　2 系统设计及工作原理

　　一个完整的F-P干涉型光纤水听器[3-5]一般包括三个部分:光源及入射系统、信号调制系统、信号检测及反馈系统,如图1所示。光源入射系统中,光源发射的光经过偏振片及法拉第旋转镜,经过透镜聚焦进入光纤谐振腔。

　　信号调制系统部分主要是光纤耦合器及由一根单模光纤构成的全光纤环形谐振腔,光纤耦合器将光分成两部分,其中小部分出射,绝大部分重新耦合入光纤,光在光纤中往返传输形成多光束干涉。光纤的长度受外界声压信号调制,只要测得干涉信号的变化就能得到声信号的波形。全光纤环形谐振腔是F-P干涉型水听器的核心部分,它性能的好坏直接影响水听器的性能指标。在信号检测部分,由光电探测器将光信号转变成电信号,通过滤波器将信号分成高频信号及低频信号两部分。一般认为,声信号的频率范围为几十到几千兆之间,低于几十兆都将之看成噪声,尤其是由于温度变化对系统的影响,低频信号经过伺服电路反馈进行相位修正,从而提高系统的稳定性。

　　在由耦合器和光纤环路构成的全光纤环型F-P干涉仪中,多光束的干涉迭加是由光学环路造成的,所以常把它称之为F-P环形谐振器或简称为环形谐振器。其原理结构示意图如图2所示。

　　由图2可知环形谐振腔由一个2x2定向耦合器和一个光纤环路构成,激光器输出经透镜汇聚后的光ε1入射到耦合器,分成ε4和ε3两束。其中,ε4形成出射光,ε3则经光纤传输耦合后重新入射,此时该光束记为ε2。如此循环往复,在光纤环内形成了多光束干涉。

　　设光纤耦合器的损耗为αc,耦合系数为K,单位长度上的光纤损耗(传输损耗)为αf,环形腔的长度为l,入射光频率为M0,则可以得到光在光纤环内传输一周所用的时间τ=l/u,其中,u为光在光纤中传输的速度。设入射光电矢量表达式为