CN101470199A - 一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，包括激光源阵列、干涉型光纤水听器时分复用阵列、波分混合器、密集解波分复用器、相位产生载波解调器以及数据生成器；其中，激光源阵列发出多种波长的激光束脉冲，并输入到干涉型光纤水听器时分复用阵列中；干涉型光纤水听器时分复用阵列根据水声信号调制激光束脉冲，生成干涉激光束脉冲；波分混合器将所有干涉激光束脉冲做波分混合；密集解波分复用器将混合后的干涉激光束脉冲解复用分离成多组单波长的干涉激光束脉冲；相位产生载波解调器对干涉激光束脉冲做相位检测、光电转换和数字解调；数据生成器根据数字解调结果生成共形阵的多通道声纳数字信号。

Description

一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置

技术领域

本发明涉及声纳装置领域，特别涉及一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置。

背景技术

声纳是海洋探测中最为重要的一种设备，它被广泛应用于诸如潜艇、水下无人探测器等水下潜器上。应用于水下潜器上的声纳又被称为潜用声纳设备，怎样提高潜用声纳设备的目标探测能力一直是世界各国科研人员的研究重点。

在现有技术中，潜用声纳设备的声纳传感器通常被安装在水下潜器的外壳上。按照声纳传感器在水下潜器外壳上的安装方式，潜用声纳设备可进一步分为非铺设式共形阵声纳和铺设式共形阵声纳。所述的铺设式共形阵声纳是指在保持水下潜器外形不受影响的前提下，将声纳传感器铺设在水下潜器的外表面的共形阵声纳。而所述的非铺设式共形阵声纳是指除铺设式共形阵声纳以外的其它共形阵声纳的总称。现有水下潜器所采用的大多为非铺设式共形阵声纳，如安装在水下潜器舰艏部声纳舱室内的柱状、球状或者半球状非铺设式共阵声纳。铺设式共形阵声纳只见于国外的一些先进潜艇上，如美国的弗吉尼亚型潜艇的艏部便安装有铺设式共形阵声纳。铺设式共形阵声纳与非铺设式共性阵声纳相比，安装更加方便，维修与升级也更加容易。

潜用声纳设备中所采用的声纳传感器按照工作原理可以分为多个类型，干涉型光纤水听器就是其中的一种。所谓的干涉型光纤水听器是指通过干涉仪进行干涉激光调制获得水声信号的一种光纤水听器类型，根据所使用干涉仪的不同又可以分为Michelson干涉型光纤水听器、Mach-Zehnder干涉型光纤水听器等。干涉型光纤水听器具有高灵敏度的相位监测能力和大的动态范围，其检测声压灵敏度比传统的压电式水听器高出三个数量级，而且具有体积小、重量轻、耐腐蚀等特点。虽然干涉型光纤水听器是一项相对成熟的光纤水听器技术，但在现有技术中只是给出了单个共形干涉型光纤水听器的结构，如美国专利号为5140559，名称为Lowflow-noise conformal fiber optic hydrophone的参考文献1，而没有考虑到光纤成阵的问题。这就限制了干涉型光纤水听器在水下潜器上的大规模应用，也不利于潜用声纳设备性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中不存在采用干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置的缺陷，从而提供一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，包括激光源阵列、干涉型光纤水听器时分复用阵列、波分混合器、密集解波分复用器、相位产生载波解调器以及数据生成器；其中，

所述的激光源阵列发出多种波长的激光束脉冲，并输入到所述的干涉型光纤水听器时分复用阵列中；所述的干涉型光纤水听器时分复用阵列根据外部环境的水声信号调制激光束脉冲，生成干涉激光束脉冲；所述的波分混合器将所述干涉型光纤水听器时分复用阵列所生成的所有干涉激光束脉冲做波分混合；所述的密集解波分复用器将混合后的干涉激光束脉冲解复用分离成多组单波长的干涉激光束脉冲；所述的相位产生载波解调器对干涉激光束脉冲做相位检测、光电转换和数字解调；所述的数据生成器根据数字解调结果生成共形阵的多通道声纳数字信号。

上述技术方案中，所述的激光源阵列包括多个激光源，各个激光源所发出激光束脉冲的波长互不相同。

上述技术方案中，所述的激光源采用泵浦激光源、红宝石激光器、二氧化碳激光器、Nd:YAG激光器中的一种。

上述技术方案中，所述的干涉型光纤水听器时分复用阵列包括多个由干涉型光纤水听器连接组成的线阵；所述线阵的数目与所述激光源阵列中的激光源的数目相同，一个线阵只接收激光源阵列中一个激光源所发出的特定波长的激光束脉冲；各个线阵之间相互隔离。

上述技术方案中，在所述干涉型光纤水听器时分复用阵列的一个线阵中，依次连接的干涉型光纤水听器所接收的激光束脉冲存在时延。

上述技术方案中，所述的干涉型光纤水听器包括透射式Mach-Zehnder干涉仪。

上述技术方案中，所述的相位产生载波解调器包括相位检测器阵列、光电转换器以及数字解调器；其中，

所述的相位检测器阵列对干涉激光束脉冲做相位检测；

所述的光电转换器将相位检测后的光信号转换为电信号；

所述的数字解调器对电信号做数字采样后，进行相位产生载波数字解调。

上述技术方案中，所述的相位检测器阵列包括多个相位检测器，一个相位检测器对所述密集解波分复用器分离得到的一组单波长的干涉激光束脉冲做相位检测。

本发明还提供了一种铺设式共形阵声纳装置的安装方法，将所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置中的干涉型光纤水听器时分复用阵列安装在水下潜器的外壳上，所述干涉型光纤水听器时分复用阵列中的各个线阵按辐射条带状由所述水下潜器的艏部导出，沿外壳延伸到所述水下潜器的尾部。

上述技术方案中，所述的干涉型光纤水听器安装在水下潜器的外壳上时，采用了双层腔圆柱式封装结构；该结构包括封装外壳、支撑刚体、弹性体以及光纤，其中的弹性体通过支撑刚体安装在所述的封装外壳内，弹性体与封装外壳间的部分为外腔、位于弹性体内的部分为内腔，在所述内腔外缠绕了干涉臂光纤，在所述弹性体上缠绕信号臂光纤；在所述干涉型光纤水听器外腔内靠近水下潜器外壳的一侧加装有用于吸声隔振橡胶。

本发明的优点在于：

1、本发明的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置根据水下潜器的形状特点将声纳装置中的干涉型光纤水听器按照辐射条带状布置在水下潜器的表面，通过探测孔径和探测范围的扩大，以及共形阵阵元的数目增加，使水下潜器在不影响基本构造的基础上能够获得更好的目标探测性能。

2、本发明通过在干涉型光纤水听器的外部封装结构上加装橡胶吸声材料进行了单侧吸声隔振，使得水下潜器具有良好的隐身性能，更适于在水下隐蔽工作。

3、本发明通过使用波分/时分混合复用技术，降低了干涉型光纤水听器时分复用阵列中各个线阵之间的互干扰和相位噪声水平，简化了光调制解调装置的复杂程度，提高了干端设备的复用程度，使得整个声纳装置更具实用性。

附图说明

图1为本发明的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置的结构图；

图2为透射式Mach-Zehnder干涉型光纤水听器的工作原理示意图；

图3为激光束脉冲在时分复用、波分复用前后的时序变化图；

图4为激光束脉冲做相位解调和数据整理过程的示意图；

图5为数字解调器做相位产生载波解调的过程示意图；

图6为激光束脉冲做密集波分解复用、相位产生载波数字解调以及数据生成过程中的变化时序图；

图7为本发明的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置在安装时的示意图；

图8为干涉型光纤水听器在安装时的外部封装结构图。

图面说明

101 激光源阵列               102 干涉型光纤水听器时分复用阵列

103 波分混合器               104 密集解波分复用器

105 相位产生载波解调器       106 数据生成器

110 相位检测器阵列           111 光电转换器

112 数字解调器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参考图1，本发明的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置包括激光源阵列101、干涉型光纤水听器时分复用阵列102、波分混合器103、密集解波分复用器104、相位产生载波解调器105以及数据生成器106。其中，激光源阵列101中的各个激光源分别产生不同波长的激光束脉冲，然后将所述不同波长的激光束脉冲分别入射到干涉型光纤水听器时分复用阵列102的对应线阵中。干涉型光纤水听器时分复用阵列102的各个线阵采用其中的干涉型光纤水听器调制水声信号，并通过耦合生成包含有多个脉冲的干涉激光束脉冲。所有线阵所生成的干涉激光束脉冲通过波分混合器103做光束混合，混合后的干涉激光束脉冲被传输到密集解波分复用器104。密集解波分复用器104将混合的干涉激光束脉冲解复用分离成多组单波长的干涉激光束脉冲，然后由相位产生载波解调器105进行相位检测、光电转换和数字解调后，再由数据生成器106根据波长关系和时延关系生成共形阵多通道声纳数字信号，为声纳信号处理单元提供数据。下面将对声纳装置中的各个部分做详细说明。

激光源阵列101由M路激光源组成，各路激光源产生不同波长的激光束脉冲，这些激光束脉冲可以分别用λ1、λ2......λM表示。在图1中，激光源阵列101中的激光源采用了泵浦激光源，但在实际应用中，并不局限于此，如现有技术中的红宝石激光器、二氧化碳激光器、Nd：YAG激光器等都可应用于本发明。激光源阵列101中的激光源个数M可根据需要选择。激光源阵列101中各个激光源所产生的激光脉冲的周期为T，这个周期由水声信号的采样频率决定，一般水声探测信号的采样频率均在50千赫兹以下，因此T一般取在20微秒以上。

干涉型光纤水听器时分复用阵列102由M个线阵组成，每一个线阵又由N个由干涉型光纤水听器所形成的阵元组成。所述线阵的个数M与激光源阵列中的激光源的个数相同，使得每一个线阵可以专为一个激光源所生成的激光束脉冲做时分复用。在每个线阵上还在激光源与水听器之间采用了隔离器做单向的光隔离。在本发明中，所述的干涉型光纤水听器可以采用现有技术中的各种干涉型光纤水听器，在下面的实例中，以透射式Mach-Zehnder干涉仪结构为例，对干涉型光纤水听器如何获取外部环境的水声信号加以说明。

如图2所示，激光源将一束具有特定波长的激光束脉冲发送到一个干涉型光纤水听器时分复用线阵后，这一激光束脉冲首先进入该线阵中的第一个由透射式Mach-Zehnder干涉仪组成的干涉型光纤水听器。从图中可以看出，激光束脉冲由透射式Mach-Zehnder干涉仪的3dB光纤耦合器分成两束，分别经过透射式Mach-Zehnder干涉仪的干涉臂和信号臂。其中的信号臂用来感应外部环境的水声信号，而干涉臂则用来为信号臂的相位提供参考值。激光束脉冲在通过信号臂时，由于外部水声信号的调制作用会发生变化，这些变化反映了水声信号中所包含的信息。经过所述干涉臂与信号臂的两束激光再在透射式Mach-Zehnder干涉仪的又一个3dB光纤耦合器中合成一束干涉激光束脉冲，所合成的干涉激光束脉冲经由光纤传导出干涉型光纤水听器时分复用阵列102后，进入所述的波分复用器103。干涉型光纤水听器的上述操作可以用下面的数学公式表示。

若假设透射式Mach-Zehnder干涉仪中的信号臂与干涉臂的相位差为θ(t)，干涉型光纤水听器最后生成的干涉激光束脉冲的光强用I表示，则I可用以下公式表示：

其中，A是与干涉仪有关的直流项，B＝kA，k是干涉条纹相干度，k<1；(t)表示水声信号作用信号臂产生的相位差；φ(t)表示调制光源产生的相位差，由于干涉仪两臂光纤长度不等，两者之间存在相位差而且是调制光频v的函数，因此φ(t)可以表示为：

$\mathrm{\&phi;}\left(t\right)=\frac{4\mathrm{\&pi;n}}{c}\mathrm{l\&Delta;}v\cos {\mathrm{\&omega;}}_{0}t---\left(2\right)$

若将相位调制系数C表示为 $C=\frac{4\mathrm{\&pi;n}}{c}\mathrm{l\&Delta;v}$ ，则公式(2)可以改写为：

φ(t)＝Ccosω₀t              (3)

上述公式中，c表示真空中的光速，l为干涉臂静态臂长差，ω₀为调制频率，Δv为最大调制时的光频移。

将公式(3)代入公式(1)可将干涉激光束脉冲的光强表达式用如下公式表示：

采用上述公式就可以表示一个干涉型光纤水听器的输出结果。

对于干涉型光纤水听器时分复用线阵中的其他干涉型光纤水听器而言，具体的工作流程与第一个干涉型光纤水听器相似，只是它们所接收的入射激光经过了时延光纤所做的时延操作，使得各个阵元所生成的干涉激光束脉冲之间也具有时延性，这些阵元所生成的干涉激光束脉冲同样也包含了外部环境的水声信号中的信息。一个线程的不同阵元间的时延可以用τ₁，τ₂，…，τ_N-1分别加以表示，时延的大小由激光源所发出的激光脉冲的周期T和线阵中的阵元数目N决定，在本发明中用如下公式表示：

τ＝τ₁＝τ_N-1/(N-1)<T/N            (5)

根据干涉型光纤水听器的上述工作原理，使得干涉型光纤水听器能够将外部环境的水声信号的应力作用通过相位调制在干涉激光束脉冲上，形成稳定的干涉激光束脉冲，而线阵内的时延光纤延时可以将各阵元所产生的干涉激光束脉冲分隔开来，达到时分复用的作用。

波分混合器103将干涉型光纤水听器时分复用阵列102的M个线阵所生成的干涉激光束脉冲加以混合，形成一个波分复用的混合干涉激光束脉冲。采用波分混合器103后，整个声纳装置可以用一根光纤将由干涉型光纤水听器时分复用阵列102所生成的所有干涉激光束脉冲传输到后续处理装置中。

在图3中，对激光束脉冲由激光源射出后，在干涉型光纤水听器时分复用阵列102中做时分复用，在波分混合器103中做波分复用的整个时序变化关系做了说明，在该图中，在未作波分复用前，具有单波长的激光束脉冲用内部空白的方框表示，而在波分复用后，包含有多种波长激光的混合光用内部黑色的方框表示。该图形象地表示了时分复用、波分复用前后激光束脉冲的变化情况。

密集解波分复用器104将波分混合器103所生成的混合干涉激光束脉冲解复用分离成了M组具有单波长的干涉激光束脉冲，这些干涉激光束脉冲的波长分别可以用λ1、λ2......λM表示。密集解波分复用器104的实现可采用现有技术，在本发明中不做详细说明。

本发明中，通过上述波分混合器103以及密集解波分复用器104的使用，使得干涉型光纤水听器时分复用阵列102所生成的所有干涉激光束脉冲能用一根光纤传输，简化了装置的复杂度。

相位产生载波解调器105可按功能进一步分为相位检测器阵列110、光电转换器111以及数字解调器112。如图4所示，其中的相位检测器阵列110由M个相位检测器组成，各个相位检测器分别对密集解波分复用器104分离得到的M个干涉激光束脉冲进行相位检测。光电转换器111将相位检测后的多路光信号转换为电信号。数字解调器112对电信号做数字采样后，进行相位产生载波数字解调，解调后生成的数据输送到数据生成器106。相位产生载波解调器105中各个部分的实现结果同样可以用如下的数学公式表示。

将用前述公式(5)所表示的干涉激光束脉冲转化为电信号后，可用如下公式表示：

其中，(t)表示待测相位。

电压信号经过数字采样后，再通过如图5所示流程进行数字解调，可得：

其中的J₁(C)、J₂(C)分别表示第一类1、2阶Bessel函数。由于B、C都是系统参数，因此通过V_out可以得到(t)，再通过高通滤波滤出(t)低频分量之后便能得到调制的水声信号。

数据生成器106根据波长关系和时延关系生成共形阵多通道声纳数字信号，为后续的声纳信号处理单元提供数据。在本发明的声纳装置中，由于采用了波分/时分混合复用技术，波长相同而时延位置不同的信号对应同一个干涉型光纤水听器时分复用线阵上的不同阵元，而时延位置相同且波长不同的信号对应不同干涉型光纤水听器时分复用线阵上相同位置顺序的阵元。因此，通过上述的波长和时延关系，可以通过数据生成器106整理得到对应的共形阵多通道声纳数字信号。

在图6中，对图3所得到的混合干涉激光束脉冲所做的密集波分解复用、数字解调以及数据生成过程的相关结果做了说明。从中可以看出，混合干涉激光束脉冲密集波分解复用器104分离成多组单波长的干涉激光束脉冲；每组单波长的干涉激光束脉冲分别经过相应的相位检测器检出后进行相位产生载波数字解调，经过数据生成器106后形成采样周期T内的一行数据，对应由同一波长激光干涉得到的同一线阵中的N个阵元采集的水声信号；M组波长对应M个线阵最后获得N行×M列的数据矩阵，代表采样周期T内的整个系统采集的水声信号。

以上是对本发明的声纳装置的结构，以及声纳装置的各个部分对信号所做处理的具体说明。下面对本发明的声纳装置如何安装使用以得到更好的效果进行说明。

以潜用声纳装置最为常见的应用环境潜艇为例，由于潜艇的外形呈圆柱线形，因此，如图7所示，干涉型光纤水听器时分复用阵列102中的所有水听器都安装在潜艇的外壳上，由水听器形成的各个线阵按辐射条带状空间布放结构布置，并由艇艏导出、沿艇壳延伸到艇侧后部。这样的布置方式可以使得每一个线阵上所能布置的干涉型光纤水听器的个数尽可能地多，并能避免光路交叉问题。此外，多路线阵间的相互隔离也能尽可能地减少通道串扰、相位噪声，从而使声纳干端设备的复杂度降低。而声纳装置中的其他设备都安装在所述的潜艇内。

由于本发明的声纳装置中的各个干涉型光纤水听器都安装在潜艇的刚性外壳上，且水听器的灵敏度都较高，因此需要对水听器做吸声隔振处理，以防止潜艇外壳的反射声波和壳体振动噪声对声纳装置检测性能的影响。在本发明中可采用橡胶作为隔振吸声的材料。在图8中给出了安装在潜艇外部的干涉型光纤水听器外部封装结构的示意图。从图中可以看出，干涉型光纤水听器采用了双层腔圆柱式封装结构。在这一结构中包括有封装外壳、支撑刚体、弹性体以及光纤。其中的弹性体通过支撑刚体安装在所述的封装外壳内，弹性体与封装外壳间的部分为外腔、位于弹性体内的部分为内腔。封装外壳和支撑杆体起到固定和保护干涉型光纤水听器的作用。在内腔外缠绕了干涉臂光纤，并可存放多余光纤以及耦合器。弹性体可用来缠绕信号臂光纤，弹性体的内层充有空气以提高灵敏度并平衡静水压。在干涉型光纤水听器外腔内侧靠近刚性艇壳一侧加装橡胶吸声隔振层，可以有效地隔离干扰。干涉型光纤水听器外腔内还可注入聚合物，方便单侧声波的进入。

本发明的干涉型光纤水听器除了可以安装在潜艇上外，还可以安装在其他类型的水下潜器，如无人探测器等。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，包括激光源阵列(101)、干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)、波分混合器(103)、密集解波分复用器(104)、相位产生载波解调器(105)以及数据生成器(106)；其中，

所述的激光源阵列(101)发出多种波长的激光束脉冲，并输入到所述的干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)中；所述的干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)根据外部环境的水声信号调制激光束脉冲，生成干涉激光束脉冲；所述的波分混合器(103)将所述干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)所生成的所有干涉激光束脉冲做波分混合；所述的密集解波分复用器(104)将混合后的干涉激光束脉冲解复用分离成多组单波长的干涉激光束脉冲；所述的相位产生载波解调器(105)对干涉激光束脉冲做相位检测、光电转换和数字解调；所述的数据生成器(106)根据数字解调结果生成共形阵的多通道声纳数字信号。

2、根据权利要求1所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，所述的激光源阵列(101)包括多个激光源，各个激光源所发出激光束脉冲的波长互不相同。

3、根据权利要求2所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，所述的激光源采用泵浦激光源、红宝石激光器、二氧化碳激光器、Nd：YAG激光器中的一种。

4、根据权利要求2所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，所述的干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)包括多个由干涉型光纤水听器连接组成的线阵；所述线阵的数目与所述激光源阵列(101)中的激光源的数目相同，一个线阵只接收激光源阵列(101)中一个激光源所发出的特定波长的激光束脉冲；各个线阵之间相互隔离。

5、根据权利要求4所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，在所述干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)的一个线阵中，依次连接的干涉型光纤水听器所接收的激光束脉冲存在时延。

6、根据权利要求4所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，所述的干涉型光纤水听器包括透射式Mach-Zehnder干涉仪。

7、根据权利要求1所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，所述的相位产生载波解调器(105)包括相位检测器阵列(110)、光电转换器(111)以及数字解调器(112)；其中，

所述的相位检测器阵列(110)对干涉激光束脉冲做相位检测；

所述的光电转换器(111)将相位检测后的光信号转换为电信号；

所述的数字解调器(112)对电信号做数字采样后，进行相位产生载波数字解调。

8、根据权利要求7所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置，其特征在于，所述的相位检测器阵列(110)包括多个相位检测器，一个相位检测器对所述密集解波分复用器(104)分离得到的一组单波长的干涉激光束脉冲做相位检测。

9、一种铺设式共形阵声纳装置的安装方法，其特征在于，将权利要求1-8之一所述的基于干涉型光纤水听器的铺设式共形阵声纳装置中的干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)安装在水下潜器的外壳上，所述干涉型光纤水听器时分复用阵列(102)中的各个线阵按辐射条带状由所述水下潜器的艏部导出，沿外壳延伸到所述水下潜器的尾部。

10、根据权利要求9所述的铺设式共形阵声纳装置的安装方法，其特征在于，所述的干涉型光纤水听器安装在水下潜器的外壳上时，采用了双层腔圆柱式封装结构；该结构包括封装外壳、支撑刚体、弹性体以及光纤，其中的弹性体通过支撑刚体安装在所述的封装外壳内，弹性体与封装外壳间的部分为外腔、位于弹性体内的部分为内腔，在所述内腔外缠绕了干涉臂光纤，在所述弹性体上缠绕信号臂光纤；在所述干涉型光纤水听器外腔内靠近水下潜器外壳的一侧加装有用于吸声隔振橡胶。

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