光纤激光矢量水听器研究
矢量水听器能够探测水声场矢量信号,以单个单元对声源目标进行定向,在低频目标探测与水声目标定位上比传统声压水听器更有优势.二维矢量水听器已足以对水下目标在水平面上进行定位,而光纤传感技术用于水声探测的广阔前景已经获得证实,于是本文采用分布反馈式(DFB)光纤激光器作为敏感元件,结合矢量水听器与光纤传感技术进行了二维光纤激光矢量水听器的研究.
本文研制了两种探测水声加速度的同振型二维光纤激光矢量水听器,其内部由光纤激光加速度计构成,主要性能包括加速度灵敏度、工作频段、指向性以及噪声水平.
首先研制了二维球型光纤激光矢量水听器,其采用了双膜片结构的光纤激光加速度计,各分量性能一致性高,易于装配:测试表明其x分量的加速度灵敏度约为30 pm/g(对应30 dB(re pm/g)),y分量的加速度灵敏度约为15 pm/g(对应23 dB(repm/g)),工作频段为100 Hz,两个分量在工作频段内的典型分辨率达到了20 dB.
基于阵列应用的需求又重点研制了二维细长型光纤激光矢量水听器,其采用了V型曲折梁与固支梁结构的光纤激光加速度计,体积较小,更适于组阵应用:分析了光纤激光加速度计常见结构的加速度灵敏度特性,归纳了光纤激光加速度计加速度灵敏度的变化规律,提出了在不减小矢量水听器工作频段的前提下增加其加速度灵敏度的设计方案-V型曲折梁结构.对其建立了弹性力学与声学模型,并利用有限元模拟仿真进行了分析,修正了由纯理论模型分析获得的形变公式.测试结果表明其x分量的加速度灵敏度约为50 pm/g(对应34 dB(re pm/g),y分量的加速度灵敏度约为39 pm/g(对应32 dB(re pm/g)),与理论修正结果一致.结合光纤激光矢量水听器的噪声水平5*10-6pm/√Hz,二维细长型光纤激光矢量水听器达到了125 ng/√Hz的最小可探测信号.工作频段为100 Hz,两个分量在整个工作频段内的分辨率均在20 dB以上.
两种二维光纤激光矢量水听器的各个分量均在100 Hz以内有较平坦的加速度响应,并且这些分量的谐振频率均在300 Hz附近,与设计目标和理论分析一致.研制结果表明二维细长型光纤激光矢量水听器的体积与性能均具有可观的阵列应用能力.
最后研究了光纤激光矢量水听器的指向性,对光纤激光器的横向振动进行了理论分析;分析了光纤激光器封装后噪声水平上升的原因.
- 作者：
- 马睿
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 微电子学与固体电子学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 李芳
- 关键词：
- 光纤矢量水听器；光纤激光器；指向性；双膜片结构
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