超弱光纤光栅斐索干涉水听器阵列

徐倩楠, 周次明, 范典, 庞彦东, 赵晨光, 陈希, 黄俊斌, 顾宏灿. 基于斐索干涉的超弱光纤光栅水听器阵列实验研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(15): 150602

我国海岸线总长度约为1.8万公里,是名副其实的海洋大国。在维护国家海洋安全的同时合理利用海洋资源、发展海洋经济对我国海洋强国战略的实现至关重要。发展海洋事业的关键在于提升海洋观测技术,水声探测是海洋观测的关键技术之一,而光纤光栅水听器是目前用于水下信号探测的主要水声设备。

随着对海洋研究的日益深入,水声探测需求逐渐往甚低频段(≤10Hz)发展,但工作频率的降低会造成水听器单元的几何尺寸加大,阵列可测距离变短,原有的光纤光栅水听器技术已不能满足当今探测需求,因此发展一种应用于甚低频水声探测的新型水听器技术十分必要。

武汉理工大学周次明研究员课题组将超弱光纤光栅阵列与斐索(Fizeau)干涉技术相结合构建了超弱光纤光栅Fizeau干涉水听器阵列,并对水声信号解调算法进行分析,以期实现甚低频水声信号的探测。

该课题组在通过拉丝塔在线刻写技术制备的任意两个相邻光栅间距固定的超弱光纤光栅(uwFBG)阵列中,任意两个相邻uwFBG及之间的光纤均构成一个超弱光纤光栅Fizeau干涉水听器,如图1所示。该类型水听器不仅能够充分利用Fizeau腔双光束干涉的优势以减少传感单元之间的串扰,提高系统信噪比,而且由于所用光栅反射率为-40~-50dB,因此可以在一根光纤上以时分复用的方式复用成千上万个FBG,可用于构建大规模水声传感网络。另外,系统所用解调算法为改进的3×3耦合器解调算法--反正切算法,如图2所示,此算法不仅能够消除干涉信号中的直流分量,而且计算过程简单的同时又能将信号中存在的光路噪声和光源噪声抵消,有利于探测甚低频水声信号。

                       
图1超弱光纤光栅Fizeau干涉水听器系统原理图                                  图2 反正切解调算法原理框图

该课题组使用振动液柱法实现了2-2000Hz水声信号的幅度、频率和相位的同时解调,实现了信号为10Hz时信噪比为43.785dB。采用复用实验,验证了超弱光纤光栅Fizeau干涉水听器阵列可以同时探测多个位置的水声信息。该系统能够实现甚低频段、宽频带、高灵敏度水声信号的探测,为水下精准定位和大规模水声传感提供了一种有效的方法。

研究人员表示,在后续工作中,将进行超弱光纤光栅Fizeau干涉水听器阵列的增敏与封装操作,并对数据处理方式进行改进,争取早日应用于海洋监测,为光纤光栅水听器系统的发展尽一份绵薄之力。