泵浦激光器驰豫振荡噪声对光纤激光水听器的影响

作者:郝歌扬;吴国俊;刘博;吕沛;王皓; 刊名:光子学报 上传者:齐明

【摘要】对采用相位生成载波解调的光纤激光水听器系统中3kHz附近频域内固有噪声的产生机理进行了理论推导,并设计实验进行验证.首先测量得到泵浦激光器的驰豫振荡频率峰值,随后以400 Hz为间隔逐渐降低相位生成载波信号频率,观察固有噪声峰值的移动方向和大小.实验结果表明,随着载波信号频率的降低,固有噪声峰也向低频方向移动,移动间隔同样为400 Hz.可知相位生成载波解调算法中高频载波调制信号与泵浦激光器的驰豫振荡频率叠加是形成探测频谱固有噪声的主要原因.通过降低高频载波调制信号频率的方法对驰豫振荡噪声进行抑制,消除了探测频谱中的固有噪声峰,得到了较为平坦的本底噪声谱.

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(2青岛海洋科学与技术国家实验室,山东青岛266237)0引言分布反馈(Distributed Feedback,DFB)光纤激光水听器是近年来新兴的一种光纤水听器形式,与传统的干涉式光纤水听器相比,灵敏度更高、尺寸更小、复用难度更低,在水下目标探测方面具有广泛的应用前1-1006080景[1-4].光纤激光水听器采用980nm的半导体激光器进行泵浦,以掺杂光纤光栅形成的激光谐振腔作为声敏感元件,配合非平衡解调干涉仪和相关算法进行信号解算.由于非平衡解调干涉仪等无源光纤器件本身并不引入噪声,因此认为光纤激光水听器系统内的光学噪声主要来源于光纤激光器和泵浦激光器的强度噪声[5-6]和频率噪声[7-8].驰豫振荡噪声属于强度噪声的一种,该噪声会通过非平衡解调干涉仪转化为相位噪声,使光纤激光水听器的本底噪声升高,探测能力降低.在采用3×3耦合器解调算法的光纤激光水听器系统中,通过在求导运算之前增加一次开方运算便可消除驰豫振荡噪声的影响[9].相比于3×3耦合器解调算法,相位生成载波(Phase Generated Carrier,PGC)解调算法的工程实现难度更低,特别是在大规模光纤水听器阵列中,其所需的光电转换和A/D采样通道数更少,能够大幅节省硬件资源和系统功耗.但在PGC解调算法中,非平衡干涉仪所施加的调制信号与泵浦激光器的驰豫振荡频率属于同一频段[10-11],这两个频率分量会发生叠加并产生新的噪声分量,对该噪声的抑制更加困难.本文从PGC解调算法的原理入手,详细分析频率叠加对水听器系统探测频带的影响,并通过调整高频载波信号频率的方法对该噪声进行了抑制.1基本原理光纤激光水听器与传统的干涉式光纤水听器的最大差别在于,其声敏元件为DFB光纤激光器,声压作用直接引起激光器输出波长的变化[12].随后通过解调系统中设置的解调干涉仪,将激光器波长的变化转化为相位的变化,进而利用相关解调算法等方法完成对声信号的解调.PGC解调算法的基本思想是在干涉信号中加入一个高频载波,并将经过高频载波调制后的干涉信号分解为两路,使用一定的信号处理方法获得相位信息,其算法原理如图1.图1 PGC解调算法原理Fig.1 Principle of PGC demodulation algorithm理想情况下,经过高频载波信号调制的干涉信号可以表示为I=A+Bcos(Ccosω0t+φ0+Δφ)(1)式中,A、B为与输入光功率和探测器的响应成正比的常量,C为调制度,ω0表示载波信号的频率,φ0表示初始相位,Δφ表示带有声波信息的相位变化.当考虑激光器驰豫振荡的影响时,B值则不能被认为是一个常数,而是一个受到弛豫振荡频率和幅值影响的复杂函数.若假设弛豫振荡是一个中心频率为ωr、幅值为KB的单频余弦信号,则B可以表示为激光器强度噪声对光纤水听器相位载波解调的影响[13],即B=B0(1+KBcosωrt)(2)则此时光纤干涉仪输出的信号可以表示为I(t)=A+B0(1+KBcos wrt)cos(Ccos w0t+φ)(3)将式(3)用Bessl函数展开,即I=A+B0(1+KBcosωrt){[J0(C)+2!k=1(-1)kJ2k(C)cos2kω0t]cosφ-2[!k=1(-1)kJ2k+1(C)cos·(2k+1)ω0t]sinφ}=A+B0{[J0(C)+2!k=1(-1)kJ2k(C)cos2kω0t]cosφ-2[!k=0(-1)kJ2k+1(C)cos·(2k+1)ω0t]sinφ}+B0KB{[J0(C)+2!k=1(-1)kJ2k(C)cos2k

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