光纤激光水听器阵列实验研究

　　1　引　言

　　光纤水听器与传统压电式水听器相比具有许多独特的优点,在未来的声纳系统中作为接收阵列具有广阔的应用前景[1~3]。为了制作细线型的光纤水听器,利用分布反馈式(DFB)光纤激光器应变传感特性制作小体积光纤激光水听器[4,5]。DFB光纤激光器作为水声传感单元其直径即为光纤的外径,体积较小,并同时具有光纤水听器抗电磁干扰、灵敏度高等特点。光纤水听器在水声领域主要是以阵列的形式应用,而目前光纤激光水听器的研究仍以单个水听器为主[6~9]。

　　本文利用DFB光纤激光器的本征波长可复用性,基于波分复用(WDM)技术构建了4元光纤激光水听器阵列,测试了阵列的功率、噪声和串扰等性能指标,并进行了水声探测实验。测试数据和水声探测实验表明,基于WDM技术构建的光纤激光水听器阵列可以应用于水声信号探测。

　　2　光纤激光水听器WDM成阵原理

　　由于DFB光纤激光器属波长传感,其本身具有可WDM的特点,将工作波长分别为1529.8、1539.9、1549.8 nm和1559.8 nm的4元DFB光纤激光器间隔1 m按序熔接于一根光纤内组成光纤激光水听器阵列,原理如图1所示,每个激光器作为水声传感单元对应一个光纤激光水听器阵元,980 nm的泵浦光通过980 nm/1550 nm的光纤波WDM器向阵列提供泵浦,光隔离器抑制反射激光的干扰,干涉仪作为频率-相位转换敏感器件,采用200m不平衡路径的光纤马赫曾德干涉仪。干涉仪的输出进入通道间隔与DFB光纤激光器工作波长相匹配的商用解WDM(BWDM)器,各通道输出选通与其导通中心波长相对应的光纤激光水听器的干涉信号[10],经光电探测后进行数据处理解调出各阵元探测的水声信号。

　　进入非平衡马赫曾德干涉仪的信号由不同波长的激光组成,干涉仪输出的信号是阵列中所有光纤激光水听器输出激光信号的复合。干涉仪输出耦合进介质膜滤波型BWDM器的输入端,选通相应波长的激光至各自独立的通道,各路探测器的电压强度为相应激光器输出激光的干涉强度,可表示为

　　式中:i是对应于特定激光器的整数值;Ai为对应于DFB光纤激光器输出激光信号强度和系统光损耗的常数;αi是干涉有效可见度;n是光纤有效折射率;λi是各DFB光纤激光器出射激光的波长;d1和d2分别为干涉仪两臂光纤的长度。

　　从式(1)可得,水声压力作用下,DFB激光器出射激光波长变化Δλ引起的相位变化Δφ为

　　使用干涉检测技术可解调出各通道信号中正比于声压大小的相位变化[11~13],得出各光纤激光水听器所探测的水声信号。在1550 nm波长,干涉仪两臂长度差为200 m时,产生2π的相位变化仅需要波长变化8.25×10-3pm。在干涉仪相位分辨率为10-6rad时,对应可以达到的波长测量分辨率为1.3×10-9pm。如此小的波长变化分辨率表明,系统能探测到极低的声压。