基于邁克爾遜干涉儀隔振降噪技術研究*

趙宏琳 黃俊斌 顧宏燦 汪云云 宋文章 周 璇

（海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）

1 引言

光纖光柵激光水聽器憑借其靈敏度高，體積小，易于復用成陣，抗電磁干擾能力強等優點，在大規模多基元成陣方面具有極大的優勢，可以實現高精度長距離的探測［1～4］。為了實現遠距離的探測，就要降低光纖激光水聽器系統的噪聲。系統的噪聲來源主要分為兩個方面，一是光纖激光器的強度噪聲和頻率噪聲，二是解調系統中通過解調干涉儀引入的環境噪聲、信號采集電路中光電探測器引入的噪聲以及解調算法不適用性導致的信號失真等［5］。干涉儀是解調系統中的重要器件，其作用是將接收到光信號通過非平衡路徑進行干涉，產生干涉信號，通過將光相位變化轉化為光強度變化，最后經過光電轉換，信號解調提取出原始信號［6］。目前，國內外對光纖光柵激光器的自噪聲以及解調算法的研究較為多見，針對分布反饋式（DFB：Distributed FeedBack）光纖光柵激光水聽器系統中干涉儀的降噪并不常見。根據解調干涉儀的工作環境分析，其易受外界振動等因素影響，降低了系統的靈敏度，因此對干涉儀降噪是降低光纖激光水聽器系統噪聲水平的必要環節。

針對干涉儀降噪的方法有以下三個方面。一是對解調干涉儀進行外部物理隔振，如715所王力求［7］將干涉儀放置在密閉罐內并對其進行了抽真空處理，在100Hz～1600Hz頻段范圍內，干涉儀的響應能夠達到-100dB左右。相比于干涉儀放置在空氣的環境下，干涉儀放于真空中并加隔振器進行隔振對噪聲的抑制效果可以達到20dB。但是抽真空處理容易受氣密性等因素的影響，工程應用難度和成本較高。二是對解調系統的光路進行設計或者控制。如Ning等［8］采提出了一種新型的干涉式波長檢測方案，經過實驗證明，結合附加的參考光束和反饋控制系統，該方案可以將信噪比提高約25dB，外界振動引起的相位噪聲可以降低約25dB。但是該方案增加了系統的復雜度，而通過參考波長控制干涉儀的光程差也會引入噪聲。三是通過參考補償方法對環境噪聲進行抵消。如Cranch等［9～10］基于單FBG和FFP的干涉型傳感系統提出了一種新穎的參考補償方法，用于消除動態光纖布拉格光柵（FBG）傳感器的干涉式波長偏移解調中的環境噪聲。通過在系統中采用屏蔽的波分復用參考FBG，可以從參考通道測量環境噪聲，進而從每個傳感器通道的解調結果中減去環境噪聲。此方法可以在20Hz～2kHz的頻率范圍內將每個傳感器通道中的環境噪聲降低40dB。該方法還可以減少環境干擾引起的寬帶噪聲，并顯著提高檢測信號的信噪比。但是這種方法對低頻（30Hz以下）噪聲屏蔽的效果有限，有一定的局限性。

在實際應用中，外界環境的振動會通過干涉儀轉化為解調系統的相位噪聲，影響系統的探測能力。因此本文通過使用鋼絲繩隔振器對干涉儀進行物理隔振，降低外部環境通過干涉儀引入的相位噪聲。實驗結果表明：這種隔振方式對抑制光纖光柵激光水聽器系統中解調干涉儀引入的相位噪聲有明顯效果，低頻帶相位噪聲峰值降低10dB～40dB，全頻帶相位噪聲降低約10dB～15dB，能夠使隔振后的相位噪聲接近系統的本底噪聲，進而降低系統的最小可探測聲壓［11］，提高系統的探測距離。

2 隔振原理

由于Michelson干涉儀在實際工程使用時，避免不了自振和外部環境的影響，為了減輕這種干擾，可以在解調干涉儀下方安裝隔振器，本文選用的鋼絲繩隔振器是利用鋼絲繩之間的干摩擦阻尼吸收耗散振動能量［12］，在受到強烈沖擊時，它可以產生較大的動態位移，同時吸收高頻和低頻振動使外部環境振動與干涉儀系統互相隔離。

隔振傳遞簡化模型如圖1所示。

圖1 隔振傳遞簡化模型

根據上圖傳遞模型，設光纖干涉儀的質量為m，剛度為k，阻尼為c，以干涉儀靜止為運動起點，建立運動微分方程：

式（1）和（2）聯立，令a=x-y，則式（1）化簡為

式（3）兩邊同除m，得：

式（4）中：ζ為阻尼比，ωn為整體固有頻率。

設a(t)=Asin(ωt+φ)代入到式（4）中得：

聯立式（5）、（6）解方程組得隔振傳遞率T：

隔振傳遞率為通過隔振器傳遞的位移量和激勵振動幅值之比［13］。

實驗中解調干涉儀的質量m為0.4kg，通過優化得系統的剛度系數k為0.2N/mm，阻尼比ζ為0.16，當隔振器承載解調干涉儀時，結合式（7）得出系統的隔振傳遞曲線，如圖2所示。

圖2 解調干涉儀隔振傳遞曲線

通過圖2可以得出當振動頻率大于10Hz時，整個系統的隔振效率大于74%（約為11dB）。隔振傳遞率隨著頻率的增大而減小，隔振效率明顯提高。

3 實驗與分析

搭建基于Michelson干涉儀的隔振降噪系統，如圖3所示，干涉儀內部結構如圖4所示。

圖3 基于Michelson干涉儀隔振降噪系統

圖4 邁克爾遜干涉儀結構圖

在泵浦光源的作用下，980 nm的光經過隔離器和980/1550 nm波分復用器（WDM）傳輸到有待測聲壓信號作用的DFB光纖激光器上，激光器反射出的1550nm的光將攜帶著待測信號導致的波長變化量共同經過WDM和隔離器傳輸到干涉儀中進行干涉，最后經過探測器實現光電轉換，將激光信號轉換為電信號，用采集卡進行采樣后，運用解調算法提取出待測信號。圖4中邁克爾遜干涉儀由2×2耦合器、3×3耦合器和法拉第旋轉鏡組成，其中2×2耦合器和3×3耦合器分別有一臂空置，為了減少這兩臂的光反射，將這兩臂的光纖纏繞成小圓環放置于干涉儀中，兩個法拉第旋轉鏡接于3×3耦合器的兩臂后。

由于振動臺上的空間有限，制作合適規格的鋁合金板裝在振動臺上，用螺絲將鋁合金板與振動臺剛性連接，即振動臺施加的激振頻率和鋁合金板的振動頻率相等。通過suin TFG6930A型信號發生器對振動臺施加正弦振動信號，經過ymc/A1500型功率放大器對振動臺的振動幅度和頻率進行控制。用495膠ymc222A50型加速度計粘在鋁合金板上與板剛性連接，加速度值通過ymc8102A型電荷放大器放大后用示波器讀取。將隔振器的下端用螺絲固定在板子上，再將干涉儀用螺絲固定在隔振器上端，干涉儀輸出信號通過探測器，采集系統獲得干涉信號。具體實驗實物圖如圖5所示。

圖5 實驗系統實物圖

首先不加隔振器將干涉儀裸放置在鋁合金板上，與振動臺剛性連接，由于加速度計與振動臺也為剛性連接，所以通過示波器測得加速度值等于干涉儀的加速度值，即此時干涉儀受到的振動頻率與振動臺施加的振動頻率相等。通過信號發生器對振動臺施加10Hz的振動頻率，振動幅度為2V，調整功率放大器，使示波器讀數恒定為650mv，通過Labview采取數據。改變振動頻率分別為20Hz、40Hz、50Hz、80Hz、100Hz、200Hz、315Hz、400Hz、500Hz、800Hz、1000Hz，振動幅度均為2V，重復上述步驟。

在干涉儀和振動臺之間安裝隔振器，再對振動臺施加上述相同頻率和振幅，通過Labview采取數據，用Matlab對上述兩組數據進行處理，得到相位噪聲與頻率的關系，并與本底噪聲對比，如圖6（a）、（b）所示。

圖6 振頻相位噪聲對比圖

為了能夠使信號在一個周期內采樣點數較多，保持好的波形，當振動頻率高于100Hz時，將系統的采樣頻率由125kHz調整為625kHz。通過圖6（a）、（b）可知，外加振動信號不作用于干涉儀時，系統的相位噪聲即為本底噪聲，對干涉儀施加100Hz以下（包含100Hz）的振動信號，系統的整體相位噪聲水平增加了10dB～20dB，相位噪聲峰值增長最為明顯，約30dB～40dB。結合圖6（a），（b）中所有曲線可知，當激振頻率為100Hz時系統的整體相位噪聲水平最大，約為-60dB，由于自制的干涉儀中2×2耦合器、3×3耦合器、法拉第旋轉鏡以及100m非平衡長度的光纖沒有剛性與干涉儀外殼連接，當干涉儀受到振動時，其中的光纖受到的振動信號頻率可能產生偏移，導致圖6（b）中激振頻率為200Hz、315Hz和400Hz的曲線在0～4k的頻帶范圍內出現諧振峰。因此需要運用隔振器來減輕外界振動對干涉儀產生的影響。

上述圖6中干涉儀不加隔振器時，相位噪聲在0～1k頻帶范圍內峰值會有明顯增加，在干涉儀和振動臺之間安置隔振器，通過信號發生器對振動臺施加實驗方案中相同的激振頻率，在0～1k頻帶范圍內，得到相位噪聲峰值隔振效果對比如圖7所示。

圖7 相位噪聲峰值隔振對比圖

根據圖7可知對干涉儀施加隔振器進行隔振，能夠明顯降低相位噪聲的峰值，當激振頻率為400Hz，通過隔振能夠最大降低相位噪聲約40dB，針對10Hz～1000Hz的激振頻率，整體峰值降低約10dB～40dB，能夠滿足應用需求。

圖6兩圖表示干涉儀不加隔振器，整體的相位噪聲水平較高，并且激振頻率100hz的整體相位噪聲最大，在200Hz～400Hz的激振頻率范圍內出現諧振峰，施加隔振器時，由于系統中解調干涉儀在實際工作時，受到外界振動影響的頻率范圍大多在100Hz～500Hz，所以選擇激振頻率為100Hz、200Hz、315Hz和400Hz的相位噪聲在隔振前后對比分析如圖8所示。

圖8（a）中所示，通過隔振器對干涉儀隔振，100Hz頻點處相位噪聲峰值降低約20dB，3kHz以下相位噪聲降低約10dB，3kHz以上頻帶范圍內相位噪聲降低約20dB。圖8（b）、（c）、（d）表明，通過這種隔振方式能夠有效消除0～4kHz頻帶范圍內的諧振峰，并且三個圖全頻帶均能降低相位噪聲約10dB～15dB。運用這種鋼絲繩隔振器對干涉儀進行隔振處理效果顯著，能夠達到實際應用的指標，滿足工程應用需求。

圖8 激振頻率隔振效果

4 結語

通過實驗表明，光纖光柵激光水聽器系統中解調干涉儀在工作時，外部振動會對其產生很大影響，振動信號會通過解調傳遞轉化為相位噪聲，增加系統的相位噪聲水平，使解調信號失真。通過鋼絲繩隔振器對解調干涉儀進行隔振，低頻帶相位噪聲峰值降低10dB～40dB，全頻帶相位噪聲降低約10dB～15dB，能夠有效降低外界環境的干擾，滿足工程應用需要。