摘要
光纤水听器具有高灵敏度、宽动态范围和抗电磁干扰等优点，是目前水声信号传感器研发的主要方向。然而，随着现代潜艇高频降噪技术的提升，新式潜艇能够较好规避现有水声探测装备的探测范围。甚低频[1]水声信号在水中传输衰减小、理论有效探测距离可达数千公里，是水下信号的优良载体。研究水下甚低频声信号探测技术，有助于增强我国水下作战的空间监视能力，保障领海安全。本文研制了一种基于宽带光干涉型甚低频光纤水听器，主要工作如下： 在水听器系统结构方面，本文针对光纤水听器常用的干涉结构进行研究分析，对比分析激光干涉与宽带光干涉的优缺点。结合上述分析，以迈克尔逊干涉仪为主体，以宽带光干涉原理为理论依据，提出扫频光学相干水听器，介绍了其结构组成，并对其性能进行了分析；在水听器探头设计方面，本文针对扫频光学相干水听器系统结构特点，设计了一种适用于扫频光学相干水听器的甚低频水听器探头，并对其关键参数包括等效刚度、声压灵敏度与谐振频率进行了理论推导。为验证理论的准确性，建立了有限元简化模型，对光纤水听器等效刚度进行了验证。为研究甚低频光纤水听器的水下响应特性，建立了水域模型，对其进行了模态分析及声压灵敏度仿真，获得了声压灵敏度频响曲线。此外，对光纤水听器的谐振频率、声压灵敏度进行了参数化分析，获取了一组最优结构参数；在信号解调方面，本文提出适用于扫频光学相干水听器的信号解调方法。针对扫频光学相干水听器的干涉信号在波长域非均匀正弦振荡导致傅里叶变换结果展宽的问题，提出了一种适用于扫频光学相干系统的波长标定方法。针对干涉信号时域截断导致傅里叶变换过程产生能量泄露的问题，采用了能量重心法对干涉信号进行频谱校正，将系统位移分辨率提高至纳米量级。 最后，对甚低频光纤水听器进行了实验研究，研制了光纤水听器样机，测量了光纤水听器的周期长度，对光纤水听器的等效刚度进行了实验测量，对比了理论、仿真与实验的结果。搭建了甚低频光纤水听器的动态特性实验测量系统，对甚低频光纤水听器的声压灵敏度及谐振频率进行了实验测试。实验结果表明，甚低频光纤水听器在0.5Hz~3Hz频率范围内声压灵敏度线性度较差，在3Hz~20Hz的频率范围内声压灵敏度为-134.30dB，波动在±2dB以内，扫频实验结果表明结构的谐振频率出现在115.5Hz附近，与仿真值基本吻合。
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