基于光學(xué)微環(huán)諧振器的低頻水聲信號測量方法研究.pdf

1、隨著海洋戰(zhàn)略地位的不斷提升，如何更好的保護(hù)和開發(fā)海洋資源成為一個極其重要的研究課題，發(fā)展高性能水聽器設(shè)備具有異常重要的意義。微環(huán)諧振器(Micro Ring Resonator，MRR)由于其易集成、插入損耗小、串?dāng)_低且無需端面反饋的突出優(yōu)點(diǎn)，為海洋低頻水聲信號的精確測量提供了方向。論文旨在為研制更高靈敏度和更廣動態(tài)范圍的水聲測量設(shè)備提供理論支持，圍繞微環(huán)諧振器的參數(shù)分析及提高水聽器的傳感性能開展研究，主要工作如下：
　　首先，論

2、文梳理了國內(nèi)外在水聽器技術(shù)方面的研究進(jìn)程，回顧了海洋聲學(xué)環(huán)境及水聲學(xué)理論基礎(chǔ)、水聲信號測量原理與技術(shù)。矢量水聽器作為目前低頻水聲信號測量研究的熱點(diǎn)方向，對其測量原理進(jìn)行了回顧。重點(diǎn)深入分析了矢量水聽器的指向性和通道靈敏度兩大參數(shù)特性，推導(dǎo)了其加速度靈敏度Ma、聲壓靈敏度 pM、振速靈敏度Mv和位移靈敏度Mζ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。論文將利用水聲聲壓對設(shè)計器件的影響來進(jìn)行低頻水聲信號的測量研究。
　　然后，研究分析了單微環(huán)、串聯(lián)微環(huán)和并聯(lián)微

3、環(huán)諧振器的器件結(jié)構(gòu)，利用傳輸矩陣法推導(dǎo)出微環(huán)諧振器的傳輸函數(shù)，再結(jié)合有效折射率法、耦合模理論和時域有限差分方法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD），推導(dǎo)出其諧振半徑、有效折射率和傳遞函數(shù)的關(guān)系，通過仿真得到其各自的輸出光譜。為提高傳感器的性能，優(yōu)化諧振結(jié)構(gòu)的參數(shù)，分別研究了串聯(lián)對稱三微環(huán)諧振器和并聯(lián)對稱三微環(huán)諧振器的輸出光譜，結(jié)果表明，通過將多個單微環(huán)諧振器以串并聯(lián)的方式組合，能有效提高水聽器的傳感性

4、能。
　　最后，為了更有效的對低頻水聲信號進(jìn)行測量研究，分析了一種懸臂梁式支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)性能，并采用了該結(jié)構(gòu)對微環(huán)諧振傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定和增敏。利用單微環(huán)諧振器作為低頻水聲信號采集器件，設(shè)計了一種基于單微環(huán)諧振器的懸臂梁式低頻水聲信號采集裝置，得出諧振波長的光譜漂移與海洋低頻水聲聲壓的線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對水聲信號的測量。對其進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)擁有較理想的靈敏度和動態(tài)范圍。最后，分析串聯(lián)雙微環(huán)諧振器作為傳感受振結(jié)構(gòu)，研究其增