畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）光纖聲學(xué)傳感器光路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、干涉型聲波傳感器光路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要光纖傳感器是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一種在軍事和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中可以起到重要作用的傳感器，對(duì)比其他的傳感器其具有防串?dāng)_，抗腐蝕，不易燃燒等優(yōu)點(diǎn)，因此，其在電流，壓力，氣體，磁場(chǎng)等各種力場(chǎng)中都能發(fā)揮其重要的作用。同時(shí)，光纖聲波傳感器因其在軍事和民用領(lǐng)域巨大的應(yīng)用價(jià)值而得到了迅速的發(fā)展。它利用光纖與聲波信號(hào)的相互作用而產(chǎn)生的調(diào)制效應(yīng)，而將聲場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可調(diào)節(jié)的光信號(hào)。在光纖傳感器的研究范圍內(nèi)，對(duì)于光強(qiáng)的強(qiáng)弱的研究是大量的。這篇論文則想通過(guò)探究馬赫-澤德干涉儀來(lái)進(jìn)行聲波傳感器的研究，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)利用輸入輸出波的相位變化來(lái)測(cè)量聲音信號(hào)，了解其頻率和聲壓級(jí)，通過(guò)研究其相位的變化，

2、可以使系統(tǒng)的精確度得到提升。首先介紹了光纖傳感器的分類與特點(diǎn)，介紹了光纖聲波傳感器國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展方向。光纖傳感器分為傳光型和傳感型兩種，本文選擇傳感型光纖傳感器，傳感型光纖傳感器應(yīng)用最多即為干涉型光纖傳感器，即外界因素使光纖中傳輸光的相位變化，進(jìn)而改變射出光的強(qiáng)度變化來(lái)達(dá)到測(cè)量目的。展示了干涉型聲波傳感器的工作原理和聲場(chǎng)的制作原理。在此基礎(chǔ)上提出了一種干涉型聲波傳感器的光路設(shè)計(jì)方案，通過(guò)分析選取了適當(dāng)?shù)墓庠?，增敏的傳感臂探頭，以及消除偏振衰落的方法。最后對(duì)光纖聲波傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，并對(duì)光路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的optisystem的仿真模擬。 關(guān)鍵詞：光纖聲學(xué)傳感器，馬赫-澤德干涉儀,動(dòng)

3、態(tài)范圍design of interferometric optical acoustic sensorabstractoptical fiber sensor is a kind of military and economic fields can play an important role in the sensor developed at the end of twentieth century, compared to other sensors which can prevent crosstalk, corrosion resistance, not easy to burn

4、 and other advantages, therefore, in the current, pressure, gas, magnetic field, force field can play its important effect of. at the same time, fiber acoustic sensor because of its military and civil fields in the application value of huge and obtained the rapid development. modulation effect of it

5、 use and interact with the optical fiber acoustic signals, and the sound signal into optical signal adjustable. in the scope of the study of optical fiber sensor, for the study of the light intensity is the number of. this thesis is to study macher zehnder interferometer for acoustic sensor, in the

6、experiment to measure the sound signal by using phase change of the input and output wave, the frequency and sound pressure level, through the change of the phase, can make the system precision is improved.first introduced the classification and characteristics of optical fiber sensor, introduces th

7、e development status and development direction of fiber acoustic sensor at home and abroad. optical fiber sensor is divided into light transmission and sensing type two kinds, the selection of the sensor of optical fiber sensor, the sensing optical fiber sensor used most for interferometric fiber op

8、tic sensor, i.e. the phase change optical transmission in optical fiber, and then change the light intensity changes to achieve the purpose of measurement.show the principle of making work principle and field interference wave sensor. on the basis of an interferometric acoustic sensor optical path d

9、esign, through the analysis of the proper selection of the light source, the sensing arm probe sensitivity, and methods of eliminating polarization-induced fading.at the end of the optical fiber acoustic sensor is the analysis of the experimental data, and the optical simulation of simple optisystem

10、. key words: optical fiber acoustic sensor, macher zehnder interferometer, dynamic range目 錄第一章緒論11.1引言11.2 光纖傳感器的分類與特點(diǎn)11.2.1 光纖傳感器的種類11.2.2 光纖傳感器的特點(diǎn)31.3 光纖聲波傳感器簡(jiǎn)介31.3.1 光纖聲波傳感器的特點(diǎn)31.3.2 光纖聲學(xué)傳感器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.3.3光纖聲學(xué)傳感器的發(fā)展方向51.4 課題的意義及主要研究?jī)?nèi)容51.4.1研究光纖傳感器的意義51.4.2主要研究?jī)?nèi)容5第二章 干涉型聲波傳感器的設(shè)計(jì)原理72.1 幾種干涉儀基本原理72.1.

11、1幾種常見(jiàn)的干涉儀72.1.2光纖干涉儀的特點(diǎn)分析112.2 干涉型光纖聲波傳感器聲場(chǎng)調(diào)制原理14第三章 干涉型聲波傳感器光路設(shè)計(jì)163.1干涉型聲波傳感器光路總體設(shè)計(jì)163.2 干涉型聲波傳感器光路器件的選擇163.2.1 干涉型聲波傳感器光源的選取163.2.2光纖耦合器的選擇173.2.3傳感臂探頭的選擇173.2.4消除偏振衰落的方法173.3 干涉型聲波傳感器光路的性能分析18第四章 干涉型聲波傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)204.1 干涉型聲波傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)204.1.1系統(tǒng)干涉結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析204.1.2誤差分析224.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析234.2.1 optisystem系統(tǒng)234.2.2

12、仿真結(jié)構(gòu)框圖24第五章 總結(jié)與展望27參考文獻(xiàn)28致謝.30第一章 緒論1.1 引言近年來(lái)，在傳感器朝著精確，靈敏，小巧和智能化發(fā)展的過(guò)程中，光纖傳感器作為傳感器的新成員越來(lái)越受到人們的青睞。光纖具有的許多優(yōu)異性能成為它被人們選擇的不二之選。激光在光纖中傳輸時(shí)受到外力，外界溫度，電磁場(chǎng)等因素作用，是其的頻率，相位，光強(qiáng)發(fā)生微小的變化，在對(duì)這些變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行解調(diào)，就可以對(duì)激光傳輸?shù)奈锢砹窟M(jìn)行測(cè)量。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室的不斷研究，光纖傳感器已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)由于光纖傳感器自身的優(yōu)勢(shì)，使得光纖傳感器迅速在許多的專業(yè)領(lǐng)域取得了好的成果。1.2 光纖傳感器的分類

13、與特點(diǎn)1.2.1 光纖傳感器的種類光纖傳感器有許多種類，按工作原理可分為非功能型（傳光型）傳感器和功能型（傳感型）傳感器。非功能型傳感器中的光纖僅作為傳光媒介，由其他敏感元件采集信號(hào)，其原理如圖1.1（a）；而功能型傳感器中的光纖兼具傳光和傳感元件的作用，其原理如圖1.1（b）。目前正在研究的高精度、高分辨率的光纖傳感器多以功能型光纖傳感器為主1。（a）非功能型傳感器（b）功能型傳感器圖1.1 光纖傳感器工作原理按光信號(hào)調(diào)制原理角度分類可分為：光強(qiáng)調(diào)制型、光頻率調(diào)制型、光相位調(diào)制型及光偏振調(diào)制型傳感器2，其中光強(qiáng)調(diào)制型傳感器與光頻率調(diào)制型傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可測(cè)量范圍大而被廣泛應(yīng)用在一般工程測(cè)

14、量中，而對(duì)測(cè)量的精度要求較高時(shí)一般采用光相位調(diào)制型和光偏振調(diào)制型傳感器。這兩類傳感器也是目前光纖傳感器研究的主要熱點(diǎn)。其中光相位調(diào)制型傳感器檢測(cè)信號(hào)是利用光的信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。由于傳感器結(jié)構(gòu)和原理的不同，光相位調(diào)制型傳感器可分為麥克爾遜(michelson)干涉型、馬赫-澤德(mach-zehnder)干涉型、法布里-泊羅(fabry-perot)干涉型和賽格奈克(sagnac)型傳感器，原理如圖1.2。(a) 麥克爾遜（michelson）干涉型(b) 馬赫-增德?tīng)枺╩ach-zehnder）干涉型(c) 法布里-泊羅（fabry-perot）干涉型(d) 賽格奈克(sagnac)型圖1.2

15、 干涉型光纖傳感器原理1.2.2 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖具有頻帶寬，比微波高出5個(gè)數(shù)量級(jí)的特性，在光纖中光波的傳輸其相位，振幅，等參數(shù)將發(fā)生一系列變化，因此將產(chǎn)生與外部環(huán)境的變化相應(yīng)的變化。因此，光纖傳感器與一般的傳感器相比具有許多其不具備的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：高精確度，抗干擾能力強(qiáng)，耐高壓，耐腐蝕，安全可靠。1.3 光纖聲波傳感器簡(jiǎn)介1.3.1 光纖聲波傳感器的特點(diǎn)現(xiàn)代聲波傳感對(duì)傳感器性能有著很高的要求，而光纖聲波傳感器恰好能夠滿足這些要求。光纖聲波傳感器是利用光纖的中光的傳輸特性與聲場(chǎng)信號(hào)相互作用而產(chǎn)生的調(diào)制效應(yīng)，將聲場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為可解調(diào)的光信號(hào)，從而偵聽(tīng)聲場(chǎng)信號(hào)的光纖傳感器。光纖聲學(xué)傳感器發(fā)展初

16、期出現(xiàn)了多種測(cè)量方法，有干涉型，也有直接利用聲場(chǎng)對(duì)光強(qiáng)調(diào)制等方法。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)在眾多光纖聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)方案中，干涉型傳感器與相位生成載波解調(diào)技術(shù)相結(jié)合的方案測(cè)量效果最好，它具有許多許多其他系統(tǒng)不具備的優(yōu)點(diǎn)。其它各種類型的聲學(xué)傳感器逐漸被淘汰，現(xiàn)在所提到的光纖聲學(xué)傳感器一般都是以光束干涉的原理為測(cè)量基礎(chǔ)的。 光纖聲波傳感器與傳統(tǒng)聲學(xué)傳感器相比有以下特點(diǎn)：1靈敏度高，光纖聲學(xué)傳感器采用光學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量，最小可檢測(cè)信號(hào)與噪聲之比與傳統(tǒng)壓電傳感器相比要高3個(gè)數(shù)量級(jí)；2動(dòng)態(tài)范圍大，傳統(tǒng)聲學(xué)傳感器的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍在80db到89db之間，而光纖聲學(xué)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到145db以上；3

17、頻響特性較好，帶寬較寬，對(duì)低頻信號(hào)也可進(jìn)行測(cè)量；4抗干擾能力強(qiáng)，光纖聲學(xué)傳感器信號(hào)傳輸與傳感都以光為載體，因此將會(huì)有極少電磁的干擾，同時(shí)信號(hào)間的串?dāng)_也會(huì)降到最低；5光纖聲學(xué)傳感器體積較小，同時(shí)對(duì)多路傳感信號(hào)可采用波分、時(shí)分及空分等方式進(jìn)行復(fù)用，適于大規(guī)模組陣，可組成光纖水聽(tīng)器陣列。1.3.2 光纖聲學(xué)傳感器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀光纖傳感技術(shù)是隨著光纖和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)。自十九年代末的光纖傳感器是出現(xiàn)，便由于其防火，防爆，高精度，低損耗，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，性價(jià)比高，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，抗電磁干擾，頻帶范圍寬，動(dòng)態(tài)范圍大，易于與光纖傳動(dòng)系統(tǒng)由遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

18、隨著研究的深入，光纖傳感器將有深遠(yuǎn)的影響在科學(xué)研究，生產(chǎn)，生活等其他領(lǐng)域光纖傳感器在上世紀(jì)末開(kāi)始研究。由于美國(guó)海軍研究所（nrl）在1977開(kāi)始的光纖傳感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)（foss）程序，世界上的許多實(shí)驗(yàn)都研究了光纖傳感技術(shù)，隨著光纖傳感器研究的深入，許多國(guó)際學(xué)術(shù)交流越來(lái)越多的。目前美、英、日、澳等西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此項(xiàng)技術(shù)已研究多年，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，并已在其海軍艦船上部署。1983以來(lái)國(guó)際光纖傳感器會(huì)議定期召開(kāi)3。在最早的光纖傳感器的研發(fā)中，美國(guó)海軍研究所開(kāi)發(fā)出了水聽(tīng)器，水下探測(cè)設(shè)備，現(xiàn)代數(shù)字光學(xué)控制系統(tǒng)（adss），光纖解碼光纖傳感系統(tǒng)和光纖陀螺（fog），核輻射監(jiān)測(cè)（nrm），飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)

19、控，參與研發(fā)的還有美國(guó)航空航天局的研究（美國(guó)宇航局），兩屋電力公司，斯坦福長(zhǎng)等。在1983年歐洲的傳感器展示會(huì)上，英國(guó)帶來(lái)了可以測(cè)量壓力，溫度，速度測(cè)量的光纖傳感器，光纖干涉儀，適用于危險(xiǎn)區(qū)域，為高分辨率和長(zhǎng)行程位移傳感器控制電磁噪聲環(huán)境。德國(guó)西門(mén)子公司的年1980年開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的光纖電流互感器。日本從1979到1986年的“光的應(yīng)用程序控制系統(tǒng)”的七年計(jì)劃投資達(dá)70億美元，已成為光纖傳感器的強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆危險(xiǎn)環(huán)境信息測(cè)量中的應(yīng)用，生產(chǎn)工程傳動(dòng)與控制。24著名公司和大學(xué)如松下，三菱，東京大學(xué)已經(jīng)在光纖傳感器的早期研究。光纖電流表松下公司生產(chǎn)，電壓表和光纖測(cè)溫儀已投入市場(chǎng)，磁場(chǎng)測(cè)量極限可

20、達(dá)4700am，限制電壓為220v，精度±l %，溫度范圍為- 10 + 40，精度±0.05。光纖壓力傳感器的接近光圈葉片或輕軌運(yùn)動(dòng)80年外調(diào)制光信號(hào)，由膜擠壓光纖，光纖壓力傳感器的精度，其輸出特性的變化是高達(dá)3%，線性度達(dá)4% 15%。目前美國(guó)諾斯羅普.格魯曼公司研制的新型船身多陣列光纖陀螺和光纖水聽(tīng)傳感器已經(jīng)在美國(guó)海軍“弗吉尼亞”級(jí)潛艇上應(yīng)用。由于光纖聲波傳感器可以在軍事中發(fā)揮重要的作用，因此外國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)相當(dāng)?shù)闹匾暎瑢?duì)一切關(guān)于這方便的資料都進(jìn)行嚴(yán)密的封鎖，這就造成了我國(guó)對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的研究要比其他國(guó)家晚。而且這項(xiàng)技術(shù)涉及到許多相關(guān)學(xué)科，對(duì)光電子工業(yè)的水平有較高的要求，

21、所以我國(guó)與西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距仍然很大。浙江大學(xué)在1997年研制了利用馬赫-澤德干涉儀的光纖水聲傳感器，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，據(jù)報(bào)道其靈敏度在待測(cè)信號(hào)為630hz時(shí)可到134db。國(guó)防科技大學(xué)和海軍工程大學(xué)等科研院所都進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的光纖水聽(tīng)器技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，尤其是水聽(tīng)器成陣試驗(yàn)4。九五期間我國(guó)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)耦合器的時(shí)分，光纖水聽(tīng)器的陣列與多元頻分復(fù)用陣列等項(xiàng)目進(jìn)行了研究，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2003年，進(jìn)行了對(duì)32元光纖水聽(tīng)器陣列的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了對(duì)于海洋石油探測(cè)和聲波物理測(cè)量研究，并取得了可用性的結(jié)論。同時(shí)國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)對(duì)其他類型的光纖聲學(xué)傳感器也進(jìn)行了研究，香港理工大學(xué)、清華大學(xué)

22、、武漢理工大學(xué)、中山大學(xué)等大學(xué)進(jìn)行了對(duì)將光纖光柵傳感器用于溫度、壓力、聲場(chǎng)傳感的研究。這些實(shí)驗(yàn)研究為進(jìn)一步進(jìn)行光纖聲學(xué)傳感器系統(tǒng)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但要距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。1.3.3光纖聲學(xué)傳感器的發(fā)展方向隨著光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提示，對(duì)光纖傳感器提出了更高的要求，光纖聲學(xué)傳感器的發(fā)展方向主要有：1 全光纖便捷化，傳感元件全部由一根光纖構(gòu)成己成為光纖傳感器發(fā)展的未來(lái)，全光纖傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，體積小，損耗小。2 高精度、高靈敏度，對(duì)于水下聲場(chǎng)測(cè)量的要求的日益提高，對(duì)光纖聲學(xué)傳感器精度與靈敏度的要求也在相應(yīng)提高。3 智能化、網(wǎng)絡(luò)化，隨著光纖聲波傳感器的不斷研究與發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)

23、其實(shí)用性，便捷性，智能性的要求越來(lái)越高。1.4 課題的意義及主要研究?jī)?nèi)容1.4.1研究光纖傳感器的意義與傳統(tǒng)的各類傳感器相比，光纖傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：光纖本身構(gòu)成基本傳感器，具有高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、防爆以及不干擾被測(cè)場(chǎng)等特點(diǎn)；另外，光纖也可同時(shí)作為信號(hào)的傳輸系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的金屬線路相比，具有抗電磁場(chǎng)的干擾、可靠性高、安全及可長(zhǎng)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)；并且便于與計(jì)算機(jī)連接、與光纖傳感系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)；而且光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕。除此以外光纖還有可撓曲的優(yōu)點(diǎn)，利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的光纖各種傳感器，有利于航空、航天以及狹窄空間的應(yīng)用。光纖傳感器對(duì)被測(cè)介質(zhì)的影響小，這對(duì)于醫(yī)藥

24、生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。因此光纖傳感器在七十年代一經(jīng)問(wèn)世就受到人們的高度重視。到目前為止，光纖傳感器已用于測(cè)量溫度、壓力、流量、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、應(yīng)變、速度、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)以及輻射等上百余種物理量?？梢哉f(shuō)，光纖傳感器能完成絕大多數(shù)傳統(tǒng)傳感器所不能完成的對(duì)各種物理量的測(cè)量，同時(shí)，在有些領(lǐng)域，如高溫、高壓、防爆、強(qiáng)腐蝕等一些特殊的環(huán)境下，它具有傳統(tǒng)傳感器不可替代的作用5。1.4.2主要研究?jī)?nèi)容隨著科技的進(jìn)步，光纖聲學(xué)傳感器技術(shù)已逐漸成熟，目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家的干涉型光纖聲學(xué)傳感器技術(shù)已發(fā)展到一定水平，其非接觸型、傳感距離遠(yuǎn)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)已得到體現(xiàn)，在實(shí)際軍事、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)

25、是一個(gè)海洋大國(guó)，對(duì)于這樣一個(gè)具有很大軍事應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究是十分必要的。本文在己有研究成果的基礎(chǔ)上，做了一下幾方面的工作：1介紹了干涉型光纖傳感器的原理和干涉型光纖傳感器相位調(diào)制原理。2 提出了一種光纖聲學(xué)傳感器的光路設(shè)計(jì)方案，通過(guò)分析選取適用的光源，pzt探頭，耦合器，及消除偏振衰落的方法。3 對(duì)所設(shè)計(jì)的光路進(jìn)行試驗(yàn)，分別適用了寬帶光源與半導(dǎo)體激光器對(duì)光路進(jìn)行了驗(yàn)證，并作出了輸入與輸出波形的對(duì)比。4 使用optisystem對(duì)光路進(jìn)行了仿真，再次對(duì)比了輸入與輸出波形。第二章 干涉型聲波傳感器的設(shè)計(jì)原理2.1 幾種干涉儀基本原理 兩束相干光束即，信號(hào)光束和參考光束，同時(shí)照射在一光電檢測(cè)器

26、上，光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系，通過(guò)干涉現(xiàn)象能把光束之間的相位差轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變化，實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)。2.1.1幾種常見(jiàn)的干涉儀1. 邁克爾孫干涉儀基本原理圖2.1邁克爾遜干涉儀原理圖圖2.1所示是普通邁克爾遜干涉儀原理圖。激光器輸出的單色光由分束 器分成光強(qiáng)相等的兩束光。其中一束射向固定反射鏡，然后反射回到分束器，被分束器投射的那一部分光由光探測(cè)器接受，被分束器反射的那部分返回到激光器。激光器輸出的經(jīng)由分束器投射的另一束光入射到可移動(dòng)反射鏡上，然后反射回分 束器上，經(jīng)分束器反射的一部分光傳至光探測(cè)器，另一部分經(jīng)分束器投射，返回到激光器。當(dāng)兩個(gè)反射鏡到分束器間的光程差小于激光器的相干長(zhǎng)

27、度時(shí)，射到光探測(cè)器上的兩個(gè)相干光束便產(chǎn)生干涉，干涉光強(qiáng)由公式確定，兩束相干光的相位差為 (2.1)式中，0 是光在空氣中的傳播常數(shù),2l是兩束相干光的光程差。由式(2.1)和式(2.2)可知，可移動(dòng)反射鏡每移動(dòng)長(zhǎng)度，光探測(cè)器的輸出就從最大值變到最小值，再變到最大值，即變化一個(gè)周期。在許多環(huán)境比較惡劣的條件下，如水聲探測(cè)器和地下核爆核查測(cè)試等，為了克服空氣受環(huán)境條件影響所導(dǎo)致的空氣光程的變化，一般采用全光纖干涉儀結(jié)構(gòu) 來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與高靈敏度6。2.mach-zehnder干涉儀基本原理馬赫-澤德?tīng)柛缮鎯x與邁克爾遜干涉儀有一些相似之處。同樣，從激光器輸出的光束先經(jīng)分束器分成光強(qiáng)相同的兩束光，

28、經(jīng)過(guò)不同的路徑后再合成。兩束光由可移動(dòng)反射鏡的移動(dòng)引起相位差，并在光探測(cè)器上產(chǎn)生干涉。這種干涉儀也能探測(cè)小至l0-13m的位移。這種干涉儀具有與邁克爾遜干涉儀不同的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，它沒(méi)有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光會(huì)造成激光器的不穩(wěn)定噪聲，對(duì)干涉測(cè)量不利。此外，由圖2.2可以看到，從分束器2向上還有另外兩束光，一束是上面水平光束的反射部分，另一束是垂直光束的投射部分。如果需要，也可以用這兩束光的干涉光強(qiáng)獲得第二個(gè)輸出信號(hào)，這在一些應(yīng)用上是很方便的。圖2.2 馬赫-澤德干涉儀原理圖3賽格納克干涉儀基本原理 應(yīng)用sagnac效應(yīng)的sagnac干涉儀是一種高精度的干涉儀。它的原理圖如圖2.3所

29、示 這種干涉儀的特點(diǎn)是，激光束分為反射和透射兩束沿方向相反的閉合光路傳播，最后匯合到分束器回到探測(cè)器。在這種干涉儀中，任何一塊反射鏡在垂直表面的方向上移動(dòng)，兩束光的變化皆相等，因此接收端探測(cè)不到光強(qiáng)變化。它的優(yōu)勢(shì)在于，因?yàn)閮墒馓幵谙嗤沫h(huán)境中，所以可以屏蔽外界環(huán)境對(duì)光路的影響，即具有互已性7。圖2.3薩格納克干涉儀原理圖 論光在折射率為的光路中的傳播。當(dāng)光路未旋轉(zhuǎn)之前，兩束光在光路中的傳播速度均為。當(dāng)有角速度q(設(shè)為順時(shí)針?lè)较?輸入時(shí)，兩束光的傳播速度不再相等，根據(jù)洛侖茲一愛(ài)因斯坦速度公式變換式，可得沿順時(shí)針、逆時(shí)針傳輸?shù)膬墒獾乃俣确謩e為： (2.2) (2.3)在此情況下，兩束沿相反方向

30、傳輸?shù)墓馐@行光纖環(huán)一周的時(shí)間分別滿足下列關(guān)系： (2.4) (2.5)將式(2.4)、(2.5)分別代入式(2.6)、(2.7)中，得 (2.6) (2.7)故 (2.8)由上式可以看出，在介質(zhì)中沿相反方向傳輸?shù)膬墒饫@光纖環(huán)一周的時(shí)間差與在真空中的情況完全相同，故在折射率為n情況下，產(chǎn)生的光程差為： (2.9)式中，c為光在介質(zhì)環(huán)路中的傳播速度8。若光纖環(huán)的長(zhǎng)度為l，繞成半徑為r的圓環(huán)，則有，的值為： (2.10)兩束光之間由光程差產(chǎn)生的相位差為 (2.11)式中，為波矢量9。4法布里-泊羅干涉儀基本原理圖2.4為法布里-泊羅干涉儀原理圖。它由兩塊部分反射、部分透射、平行放置的反射鏡組成。

31、在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面鍍有反射膜。其反射率通常達(dá)95以上。由激光器輸出的光束入射到干涉儀，在兩個(gè)相對(duì)的反射鏡表面做很多次往返，透射出去的平行光束由光探測(cè)器接受。這種干涉儀與前幾種干涉儀的根本區(qū)別是，前幾種干涉儀都是雙光束干涉，而法布里-珀羅干涉儀是多光束干涉9。圖2.4法布里-泊羅干涉儀原理圖根據(jù)多光束干涉的原理，探測(cè)器上探測(cè)到的干涉光強(qiáng)變化為 (2.12)式中，r為是反射鏡的反射率，為是相鄰光束間的相位差。由上式可知，當(dāng)反射鏡的反射率r值一定時(shí)，透射的干涉光強(qiáng)隨變化。當(dāng) (n為整數(shù))時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值；當(dāng) (n為整數(shù))時(shí)，干涉光強(qiáng)有最小值 (2.13)這樣，透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之

32、比為 (2.14)可見(jiàn)，反射率越大，干涉光強(qiáng)變化越顯著，即有高的分辨率，這是法布里-珀羅干涉儀最突出的特點(diǎn)。通常，可以通過(guò)提高反射鏡的反射率來(lái)提高干涉儀的分辨率，使干涉測(cè)量有極高的靈敏性10。2.1.2光纖干涉儀的特點(diǎn)分析 前面介紹的干涉儀有一個(gè)共同點(diǎn)：它們的相干光均在空氣中傳播。由于空氣受環(huán)境溫度變化的影響，會(huì)引起空氣折射率的擾動(dòng)及聲波的干涉。這將導(dǎo)致空氣光程的變化，造成工作的不穩(wěn)定，降低精度。利用單模光纖作干涉儀的光路，就可以排除這些影響，并可克服加長(zhǎng)光路對(duì)相干長(zhǎng)度的嚴(yán)格限制，從而制造出千米量級(jí)的光路長(zhǎng)度的光纖干涉儀。這種全光纖結(jié)構(gòu)不僅避免了非待測(cè)場(chǎng)的干擾影響，而且免除了每次測(cè)量要調(diào)光路準(zhǔn)

33、直等繁瑣的工作，容易準(zhǔn)直且干涉儀是封閉式的光路，不受外界干擾。使其更適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，更接近實(shí)用化。在上述基本原理中，容易搭建光纖干涉儀。圖2.5所示為四種不同類型的全光纖干涉儀結(jié)構(gòu)邁克爾遜干涉儀這種傳感器的特點(diǎn)是信號(hào)光纖與參考光纖在同一環(huán)境中，受環(huán)境的影響小，同時(shí)光的發(fā)出與接收在同一側(cè)，屬于單端操作。 法布里-泊羅干涉儀傳感器的特點(diǎn)是采用單根光纖，利用多束光干涉來(lái)檢測(cè)應(yīng)變。避免了前兩種傳感器所需雙根光纖配對(duì)的問(wèn)題，且比邁克爾遜干涉儀更適合于低頻率應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量。當(dāng)中光纖中的光遇到光纖兩端面后分別產(chǎn)生兩束反射光，這兩束反射光相遇后產(chǎn)生干涉。當(dāng)法布里腔腔長(zhǎng)發(fā)生變化，兩反射光的相位差也隨之變化，因此光

34、電探測(cè)器輸出的電信號(hào)隨應(yīng)變的變化而變化。這種光纖傳感器的分辨率很高，充分體現(xiàn)光纖的質(zhì)輕，靈敏度高的特點(diǎn)，但用于計(jì)算時(shí)抗干擾能力差，傳感頭的制作復(fù)雜13。薩格納克干涉儀傳感器是光纖傳感器中光相位調(diào)制型傳感器，多用于物理旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的測(cè)量，也用于時(shí)變信號(hào)的測(cè)量。其具有互易性的特點(diǎn)，光程差為0，對(duì)光源要求較低，可使用高功率的寬帶光源，更適于長(zhǎng)距離管道檢測(cè)。光纖馬赫-澤德與邁克爾遜干涉儀的不同在于，信號(hào)光纖在被測(cè)環(huán)境中，而參考光纖可在其他環(huán)境中。光的發(fā)射與接收在傳感器的兩端，屬于雙端操作。隨著光纖技術(shù)的成熟，基于全光纖的馬赫-澤德干涉儀具有損耗小，頻率響應(yīng)范圍寬，原理簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，檢測(cè)靈敏度高，與光纖的

35、兼容性好，具有梳狀波特性等優(yōu)點(diǎn)而在波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。圖2.5(b)為馬赫-澤德雙光束干涉儀原理圖。激光器輸出的激光經(jīng)3db耦合器分離成兩束，分別經(jīng)過(guò)參考臂與信號(hào)臂，再經(jīng)另一個(gè)耦合器進(jìn)行干涉，輸出端經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。探測(cè)器處得到的電場(chǎng)可表示為： （2.15）其中是光源的電場(chǎng)矢量，隨時(shí)間變化，、分別為第i個(gè)耦合器兩端口的分光比，、表示光波從激光器發(fā)出分別經(jīng)信號(hào)兩臂到達(dá)光電探測(cè)儀的時(shí)間，、分別表示光波分別經(jīng)信號(hào)兩臂傳輸所產(chǎn)生的相位延時(shí)。由于耦合器兩端口有的相位延時(shí)，因此有 （2.16）探測(cè)器處的光強(qiáng)可利用下式計(jì)算： （2.17）(a) 光纖邁克爾遜干涉儀(

36、b)光纖馬赫-澤德干涉儀(c)光纖法布里-泊羅干涉儀(d)光纖薩格納克干涉儀圖2.5各種光纖干涉儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖將（2.15）以及（2.16）帶入（2.17）得到： （2.18）用光強(qiáng)表示及，光源的相干強(qiáng)度可表示為： （2.19） （2.20）干涉條紋可見(jiàn)度為： （2.21）將其帶入（2.18）式可得： （2.22）其中 由上述分析可知，干涉條紋的可見(jiàn)度與干涉儀兩臂相對(duì)光強(qiáng)有關(guān)，并且與光源相干強(qiáng)度成正比。由 (2.22) 式可知，馬赫-澤德干涉儀光相位變化可轉(zhuǎn)化為外部信號(hào)導(dǎo)致的光強(qiáng)度的變化，光電轉(zhuǎn)換器將光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)處理，它可以提取的聲學(xué)干擾信號(hào)的儀器的影響。馬赫-澤德光纖干涉儀的典型應(yīng)用有光

37、纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖加速度傳感器、利用磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)(電流)傳感器以及光纖超聲測(cè)量。2.2 干涉型光纖聲波傳感器聲場(chǎng)調(diào)制原理光纖的總的物理長(zhǎng)度，光纖內(nèi)的折射率，還有光纖的分布方式，是光波在光纖中傳輸是相位的三個(gè)決定因素。這里假設(shè)光纖波導(dǎo)中傳輸?shù)募す馐菃晤l的，其在空氣中波長(zhǎng)為。假定光纖折射率分布隨外界環(huán)境變化保持恒定，下面將分析由上述的三種因素的變化而引起的光波相位變化。在了解外界信號(hào)作用的光纖上的值后，可以模糊計(jì)算出光纖對(duì)外界信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_的相位準(zhǔn)確度。激光通過(guò)長(zhǎng)度為l的光纖，出射光波相位延遲為： （2.23）其中c為真空中光速，n為光纖纖芯折射率，l為光纖的長(zhǎng)度，為激光頻

38、率；由于光纖長(zhǎng)度，纖芯折射率及激光頻率的變化都會(huì)引起光波在光纖中傳輸時(shí)相位的變化，因此可得： （2.24）聲場(chǎng)的產(chǎn)生的壓力作用于光纖會(huì)在三個(gè)方面引起相位的變化：光纖長(zhǎng)度發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致光波相位變化；光纖的直徑的數(shù)值發(fā)生改變時(shí)，能夠產(chǎn)生橫向改變，導(dǎo)致波數(shù)發(fā)生改變，使光波相位改變；光纖的縱橫向應(yīng)變將出現(xiàn)光彈效應(yīng)，導(dǎo)致纖芯折射率發(fā)生變化，使相位發(fā)生改變 15。因此，設(shè)，為光在真空中的波數(shù)，k為光在介質(zhì)中的波數(shù)，帶入式（2.11）可得： （2.25）計(jì)算可得： （2.26）由光彈效應(yīng)，單模光纖中橫向性質(zhì)可得： （2.27）其中、為光彈系數(shù)，是由光纖材料決定的，將其帶入（2-26）可得： （2.28）該

39、式是干涉型光纖傳感器受聲場(chǎng)相位調(diào)制原理的理論基礎(chǔ) 14。 第三章 干涉型聲波傳感器光路設(shè)計(jì)3.1干涉型聲波傳感器光路總體設(shè)計(jì)干涉型聲波傳感器的光路設(shè)計(jì)采用馬赫-澤德干涉儀的傳感器設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3.1。激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)耦合器進(jìn)入干涉儀的參考臂和傳感臂，使用信號(hào)發(fā)生器與功放影響對(duì)參考臂上的傳感器測(cè)量探頭進(jìn)行外接聲壓作用，使其上的裸光纖產(chǎn)生形變。兩路光經(jīng)過(guò)反射后再通過(guò)耦合器進(jìn)行干涉。最后，將干涉儀輸出的光信號(hào)通過(guò)光探頭轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行處理15。圖3.1 干涉型聲波傳感器光路原理圖3.2 干涉型聲波傳感器光路器件的選擇3.2.1 干涉型聲波傳感器光源的選取由于干涉型光纖聲學(xué)傳感器是通過(guò)光波干涉

40、的原理將包含在光波相位中的待測(cè)信號(hào)解調(diào)出來(lái)，因此對(duì)傳感器光路中選用的光源最重要的要求就是光源的譜線很窄，需要具有良好的相干性，這樣才能發(fā)生雙光干涉，才能進(jìn)行對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行處理。在研究過(guò)程中，有三種光源可供選擇，一、he-ne激光器（波長(zhǎng)630nm）其相干性最好，但激光耦合較為困難且體積龐大。二、普通半導(dǎo)體激光器（波長(zhǎng)640-660）易于進(jìn)行激光耦合，體積小巧，但相干性較差且功率不穩(wěn)定。三、通信用半導(dǎo)體激光器（波長(zhǎng)1550nm）相干性較好，易于激光耦合。經(jīng)過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)對(duì)照，最后方案選擇對(duì)聲音敏感度高且耦合方便的通信用半導(dǎo)體激光器作為光源。3.2.2光纖耦合器的選擇光纖耦合器是一種用于傳送和分配光

41、信號(hào)的無(wú)源器件。通常，光信號(hào)由耦合器的一個(gè)端口輸入，而從另一個(gè)端口或幾個(gè)端口輸出。其特點(diǎn)是器件的主體是光纖，不含其它光學(xué)元件；通過(guò)光纖中傳輸模式的耦合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)光的耦合功能；光信號(hào)的傳送方式是固定的。耦合器的基本功能就是把一個(gè)光纖信號(hào)通道的光信號(hào)傳送到另一個(gè)信道。因此，依據(jù)耦合器的傳送信號(hào)的方式可分為如下幾種：l、透射型m×n耦合器：由輸入一側(cè)的m個(gè)端口中的任何一個(gè)端口進(jìn)入的光信號(hào)都將按一定的比例分配至輸出一側(cè)n個(gè)端口輸出，輸入一側(cè)的各端口之間是相互隔離的，輸入側(cè)與輸出側(cè)可以相互交換而不影響器件的特性。2、反射型i×n耦合器：由n個(gè)端口中任何一個(gè)端口輸入的光信號(hào)都將按一定的

42、比例分配至其他端口輸出。3、透反型m×n耦合器：它實(shí)際上兼有透射和反射型兩種耦合器的功能，即當(dāng)由n個(gè)端口中的某個(gè)端口輸入時(shí)，將從其他所有端口輸出(反射型)；當(dāng)由m個(gè)端口中的某個(gè)端口輸入時(shí)，將只從另一側(cè)n 個(gè)端口輸出，而同側(cè)端口之間相互隔離(透射型)在光纖傳感器的干涉儀中，光耦合器起著分束與混合光信號(hào)的雙重作用，使干涉儀得以實(shí)現(xiàn)，它是構(gòu)成本設(shè)計(jì)方案所用的馬赫-澤德光纖干涉儀的重要組成部分。本實(shí)驗(yàn)采用的耦合器，兩只均為2×2路的1550nm波段的3db耦合器。設(shè)計(jì)分光比50/50，實(shí)際測(cè)試分光比49/50，插入損耗最大為0.8db。3.2.3傳感臂探頭的選擇設(shè)計(jì)高靈敏度的探頭是

43、光纖聲波傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了增大聲壓對(duì)光纖形變的影響效果，在進(jìn)行傳感器探頭的選擇時(shí)，選擇一個(gè)空心的壓電陶瓷（pzt）。壓力陶瓷，是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無(wú)機(jī)非金屬材料。其原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差，反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻生信號(hào)。所以在這個(gè)柱面上纏繞一圈或多圈光纖，并在其徑向或軸向施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于pzt的直徑隨驅(qū)動(dòng)信號(hào)變化，隨意纏繞在其上的光纖也隨之伸縮。光纖受到壓力，光波的相位將隨之發(fā)生信號(hào)變化。3.2.4消除偏振衰落的方法干涉型光纖傳感器的原

44、理為雙光干涉，而發(fā)生干涉的重要條件之一就是參與干涉的兩束激光偏振方向一致。偏振光在普通單模光纖中傳輸會(huì)引起在纖芯中傳輸激光偏振態(tài)發(fā)生不恒定變化，使輸出干涉條紋的變的迷糊不清，同時(shí)會(huì)減小要測(cè)量的信號(hào)的幅值變小，或者變?yōu)?值。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏度，需要使用一些手段來(lái)消除偏振衰落現(xiàn)象的影響16使用分集檢測(cè)技術(shù)消除干涉型光纖傳感器偏振衰落是常用的一種方法，其原理圖如圖3.2 所示。將干涉儀輸出激光通過(guò)透鏡擴(kuò)束，再通過(guò)均勻分隔的3個(gè)偏振膜，各偏振膜角度相差60度，再分別進(jìn)入3個(gè)光電探測(cè)器；由3個(gè)光電探測(cè)器分別檢測(cè)不同偏振態(tài)下的信號(hào)17。3路檢測(cè)的結(jié)果總有一路能夠得到可見(jiàn)度大于零的干涉信號(hào)。若在下

45、面的系統(tǒng)中使用自動(dòng)增益控制電路，就可以通過(guò)降低信噪來(lái)得出一段偏振態(tài)有規(guī)律變化的輸出信號(hào)。圖3.2 分集檢測(cè)技術(shù)原理圖這種方法可實(shí)時(shí)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)，目前已在系統(tǒng)中應(yīng)用。但該方法最少需要3路探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)價(jià)格比較高。使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡來(lái)消除偏振衰落，也是目前使用比較多的方法。做法就是在干涉儀的末端加單程旋轉(zhuǎn)角為45度的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，從而使干涉儀兩臂偏振的隨機(jī)變化互相抵消?？墒菇?jīng)參考臂與傳感臂返回的激光具有相同的偏振方向，干涉信號(hào)可見(jiàn)度始終保持為l。法拉第旋轉(zhuǎn)鏡由尾纖、光纖準(zhǔn)直器、磁套管、法拉第晶體和反射鏡組成的，其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。圖3.3 法拉第旋轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)3.3 干涉型聲波傳

46、感器光路的性能分析假設(shè)輸入光的電場(chǎng)為，經(jīng)3db耦合器，上光臂 ,下光臂 ,經(jīng)過(guò)延時(shí)后，于是光臂的相位差，上光臂變?yōu)?。所以經(jīng)過(guò)第二個(gè)耦合器輸出的電場(chǎng)為： （3.1）可求得輸入光強(qiáng) （3.2）輸出光強(qiáng) （3.3）求得輸入光強(qiáng)與輸出光強(qiáng)后即可求得透射率t,透射率是出射光功率與入射光功率之比： （3.4）所以經(jīng)分析得，從干涉儀透過(guò)的光強(qiáng)的透過(guò)率只與 有關(guān)。 第四章 干涉型聲波傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1 干涉型聲波傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1.1系統(tǒng)干涉結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.1.1.1 寬帶光源干涉輸出在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先選用了寬帶光源進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)采用寬帶光源時(shí)，其輸出的的圖樣如圖4.1所示。從該圖可以看出，該傳感器對(duì)

47、寬帶光源的輸入信號(hào)有較好的響應(yīng)。圖4.1 寬帶光源 然后，我們對(duì)這樣的寬帶光源進(jìn)行干涉，經(jīng)過(guò)耦合器，m-z干涉儀的作用，可以看到波形得到了較好的還原，一些誤差可能來(lái)自外界的噪聲或電壓。如圖：4.2,4.3所示圖4.2干涉結(jié)果圖4.3干涉局部放大圖樣由于信號(hào)發(fā)生器材料限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)我們選擇了壓電陶瓷進(jìn)行模擬，在壓電陶瓷上外加電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4.4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)，輸出波形也會(huì)隨之發(fā)生改變。圖4.4上加上電壓時(shí)干涉圖樣4.1.1.2 dfb-ld光源干涉輸出 當(dāng)系統(tǒng)采用dfb-ld半導(dǎo)體激光器時(shí)，其光源輸出圖樣如圖：4.5所示圖4.5半導(dǎo)體激光器光源經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后，其干涉圖樣如圖4.6

48、所示圖4.6半導(dǎo)體激光器經(jīng)干涉后圖樣4.1.2誤差分析(1)光源的影響由于光源老化等問(wèn)題，其光功率和波長(zhǎng)可能發(fā)生變化，光功率的變化將引信號(hào)強(qiáng)度的變化:波長(zhǎng)的變化將導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)相位延遲的變化，由此將帶來(lái)測(cè)量誤差。(2)干涉儀的影響實(shí)驗(yàn)所采用的為馬赫-澤德光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，應(yīng)該要求干涉儀兩路光完全對(duì)稱。由于實(shí)驗(yàn)中兩臂長(zhǎng)度略有差別，因此對(duì)外界環(huán)境各種干擾信號(hào)的反應(yīng)不完全一致，有一定的誤差。并且實(shí)驗(yàn)所采用的耦合器經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其分光比并不完全是1:1，因此兩路光的輸出強(qiáng)度也會(huì)有一定的誤差。(3)偏振態(tài)影響由于馬赫-澤德干涉儀屬于雙光束干涉，因此對(duì)于偏振態(tài)要求比較高，當(dāng)兩束光偏振態(tài)完全正交時(shí)，輸出信號(hào)

49、為零。因此要保證輸出的穩(wěn)定，必須使偏振態(tài)不能隨機(jī)變化。可采用保偏光纖及保偏光纖耦合器減小偏振態(tài)的隨機(jī)影響。(4)光纖折射率的變化引起的誤差在對(duì)該測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，視光纖折射率為一常數(shù)，然而事實(shí)上，光纖的輸出波形不僅是波長(zhǎng)的函數(shù)，而且光纖的折射率隨環(huán)境溫度t而變化，這樣也必然會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析4.2.1 optisystem系統(tǒng)光通信系統(tǒng)正變得越來(lái)越復(fù)雜。這些系統(tǒng)通常包括多個(gè)信號(hào)通道，和不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)非線性器件，和非高斯噪聲源，它們的設(shè)計(jì)和分析是相當(dāng)復(fù)雜的，需要花費(fèi)相當(dāng)大的勞動(dòng)。國(guó)家的最先進(jìn)的軟件工具，使這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，迅速和有效。 optisystem

50、的是一個(gè)創(chuàng)新的光通信系統(tǒng)仿真軟件包，它結(jié)合了各種類型的寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接器的功能于一身，長(zhǎng)途通信系統(tǒng)局域網(wǎng)和大廈的設(shè)計(jì)，測(cè)試和優(yōu)化?；趯?shí)際的光纖通信系統(tǒng)模型的系統(tǒng)級(jí)模擬器，optisystem的，具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的層次定義的組件和系統(tǒng)。它的性能可以通過(guò)額外的用戶的移動(dòng)設(shè)備將擴(kuò)大到成為一種廣泛使用的工具庫(kù)和完整的接口。綜合圖形用戶界面控制光子器件的設(shè)計(jì)，設(shè)備的型號(hào)和示范。有源和無(wú)源器件，包括物理參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)的巨大的圖書(shū)館。掃描和優(yōu)化的參數(shù)允許用戶研究的特定的移動(dòng)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)性能的參數(shù)。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，光通信工程師，研究人員和學(xué)術(shù)界的，optisystem可滿足光子市場(chǎng)

51、的快速發(fā)展的需求，是一個(gè)功能強(qiáng)大且易于使用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具。投資風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)迅速在市場(chǎng)上顯著減少，速度快，成本低的原型，全面了解系統(tǒng)性能，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)公差參數(shù)，參數(shù)敏感性評(píng)價(jià)，直觀的面向用戶的設(shè)計(jì)方案和腳本，直接進(jìn)入大型系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，參數(shù)自動(dòng)掃描和優(yōu)化應(yīng)用optisystem可允許任何類型的虛擬物理層光學(xué)連接的長(zhǎng)途通信和寬帶光網(wǎng)絡(luò)分析城域網(wǎng)和局域網(wǎng)。它的廣泛應(yīng)用，包括：物理層設(shè)備級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，catv，tdm / wdm網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，sonet / sdh環(huán)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)，信道，放大器和接收器，色散圖的設(shè)計(jì)評(píng)估接受模式的誤碼率（ber）和系統(tǒng)成本（點(diǎn)球），擴(kuò)增系統(tǒng)的誤

52、碼率和鏈路預(yù)算的主要特點(diǎn)。本文仿真實(shí)驗(yàn)中用到的仿真模塊有： 連續(xù)激光器（cw laser）：產(chǎn)生光信號(hào)正弦信號(hào)，用來(lái)模擬參考波和調(diào)制波波形圖分析器，用來(lái)觀察信號(hào)波形m-z干涉儀，用于對(duì)光源進(jìn)行干涉光時(shí)域可視化工具，觀測(cè)輸出功率 光學(xué)頻譜分析儀（optical spectrum analyzer）：觀察頻譜4.2.2仿真結(jié)構(gòu)框圖干涉型聲波傳感器光路在系統(tǒng)optisystem仿真結(jié)構(gòu)框圖。如圖：4.8所示。圖4.8 optisystem仿真結(jié)構(gòu)框圖仿真系統(tǒng)中cw激光光源的參數(shù)設(shè)置為光源中心頻率為1552nm，線寬10mhz，其光譜圖如圖4.9所示圖4.9 cw激光光源 m-z干涉儀調(diào)制輸入信號(hào)為頻

53、率為1ghz的正弦信號(hào)，波形如圖4.10所示圖4.10 1ghz正弦信號(hào)波形 m-z干涉儀輸出時(shí)域信號(hào)如圖4.11所示圖4.11 干涉時(shí)域信號(hào)m-z干涉儀輸出光譜信號(hào)，如圖4.13所示。由圖可知，干涉后有明顯的干涉條紋，光譜中有新的頻譜成分，頻譜間隔是以調(diào)制信號(hào)的頻率進(jìn)行了頻譜的搬移。圖4.12 m-z干涉儀干涉輸出第五章 總結(jié)與展望干涉型聲波傳感器的核心技術(shù)是光纖傳感器，通過(guò)外界因素使光纖中傳輸?shù)墓獍l(fā)生相位變化，進(jìn)而改變干涉光的強(qiáng)度來(lái)達(dá)到測(cè)量目的1本文通過(guò)馬赫-澤德全光纖干涉儀，通過(guò)出現(xiàn)的不同相位差來(lái)測(cè)量所想測(cè)量聲音信號(hào)的頻率，并進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，為后面的研究打下了基礎(chǔ)。2本文提出了一種干涉型聲

54、波光纖傳感器的光路設(shè)計(jì)方案。通過(guò)分析，選取了適合的光源，增敏的傳感臂探頭，以及一種利用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡來(lái)消除偏振衰落現(xiàn)象的方法。3從兩個(gè)方面對(duì)干涉型聲波傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了分析：第一，從貝塞爾函數(shù)的方面分析了相位載波幅值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，選取了相位載波幅值的最優(yōu)取值為2.4；第二，通過(guò)分析得出了影響動(dòng)態(tài)范圍的因素，在此基礎(chǔ)上得出了待測(cè)信號(hào)頻率與最大可測(cè)量信號(hào)幅度的關(guān)系。得出的結(jié)論對(duì)實(shí)際的光纖聲學(xué)傳感器設(shè)計(jì)和性能的改善有較大的參考意義。本課題在研究過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題這里提出了一些改進(jìn)的措施和未來(lái)研究的方向，主要有：1本系統(tǒng)的光纖傳感器在其可測(cè)試范圍內(nèi)，對(duì)所要測(cè)量的頻率和聲壓級(jí)都能顯示出良好的效果，但本系統(tǒng)對(duì)于高頻聲波的測(cè)量會(huì)出現(xiàn)誤差，這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)的設(shè)備的，如，傳感臂探頭的固有頻率。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中我們可以通過(guò)使用良好材料的或更加厚實(shí)的探頭，從而改變其共振頻率，是測(cè)量的范圍增加。2增加測(cè)量聲波頻率范圍，我們還可以通過(guò)多纏繞探頭的光纖的圈數(shù)。同時(shí)，在提高測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度是，外界中的噪聲會(huì)成為嚴(yán)重的干擾，未來(lái)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該對(duì)將要進(jìn)行的測(cè)量聲波降噪，這樣就可以使檢測(cè)聲波更加的清晰，使結(jié)果更加的準(zhǔn)確。我國(guó)光纖傳感器方面的研究工作起步比較晚，因此同國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距。近年來(lái)通過(guò)不斷的