CN102721459B - 一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，属于光纤传感技术领域。该光纤水听器阵列包括光源、分束器A、起偏器、相位调制器、延迟光纤、分束器B、敏感单元阵列、光电探测器组成；敏感单元阵列包括法拉第旋光器、声探头、补偿光纤及反射镜。本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，可以有效抑制光路中的偏振态随机波动，解决了传统水听器的偏振衰落问题，且本发明采用准互易光路方案，因此对环境干扰的免疫能力很强。本发明采用反射式光路，信号来回两次经过声探头，检测声压信号为常规光纤传感器的两倍，有效提高了灵敏度，复用效率高，结构简单，相位噪声小。

Description

一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及利用干涉光相位检测声压的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列。

背景技术

声波是目前在海洋中能够远距离传输信息的最有效载体。在海洋中探测载有信号的声波所形成的声场的时空结构，是进行水下探测、识别、通讯及环境监测等的重要手段，它既可用于远距离军事目标探测，海底矿藏开发，鱼群探测，还可以用于海洋动力过程(内波、环流)的遥测和海洋、陆地地震波检测等。因此，先进的水声探测技术对于国民经济，国防建设和科学研究都有着重要意义。

光纤水听器是于七十年代末发展起来的一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它利用声波调制光纤中光波的强度、相位、偏振态或其它参量来进行声/光转换，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息，其灵敏度与传统压电水听器相比高三个数量级。光纤水听器集光纤传感器灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧、易于遥测和构成阵列等优越性于一体，是光纤传感技术研究的重要方向之一，也是新一代水声传感器的主要发展方向之一，它在军事领域的研究与应用受到了各国军方的高度重视。

自从1977年美国海军实验室Bucaro等人发表了第一篇关于光纤水听器的论文以来，已经经过了三十年的研究与发展。特别是近年来，随着光纤通信及光电子技术的迅速发展，光纤传感技术日趋成熟，光纤水听器也由实验室研究走向工程应用，成为现代光纤传感技术发展的重要方向，也是水声传感技术的主要发展方向。

光纤水听器按原理可分为强度型、干涉型、光栅型等。其中强度型光纤水听器的结构与信号检测相对简单，不存在干涉型光纤水听器中存在的信号相位波动及偏振态随机变化导致的信号衰落等问题，但是检测灵敏度不及干涉型，也不利于组成阵列结构，有较大的局限性，是早期光纤水声传感技术研究的主要内容。随着干涉型光纤水听器研究的兴起，其关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域己经形成产品，光纤水听器的研究热点已经从强度型转为干涉型。

干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造，利用声场对光纤中光波的传输相位进行调制，经过光纤干涉仪，将这种相位调制检测并解调出来而实现声传感。能够实现干涉型光纤水听器的光纤干涉仪结构主要有四种，分别是Mach-Zehnder型干涉仪、Michelson型干涉仪、Fabry-Perot型干涉仪、Sagnac型干涉仪等。其中，Fabry-Perot型光纤水听器灵敏度非常高，但它的动态范围小，易受光路损耗变化的影响，特别是信号解调复杂，不适于复用技术，用于水声传感的研究较少。目前，被研究最多的是基于Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪的光纤水听器，也是技术最为成熟的干涉型光纤水听器。但这两种干涉仪存在固有的问题，比如由于两干涉臂很难保证长度一致，在有些应用中还会人为地加大两臂的光程差，这将会使双光路干涉仪中光源的相位噪声转换为强度噪声。此外，两束相干光的光路不同，两束光的偏振态会发生随机波动，很难保持一致，这将导致干涉信号的对比度降低，严重情况下对比度甚至为零。而基于Sagnac型干涉仪的光纤水听器虽然解决了偏振态随机波动的问题，但由于Sagnac型干涉仪为互易光路系统，对于低频信号存在固有的不敏感性，存在一定的局限。

在未来军事领域应用的光纤水听器阵列将向着多节点，大监控范围的方向发展，每个阵列将包含几十甚至上百个节点，几百公里的监控范围。近年来各国对光纤水听器技术研究的重点集中到如何充分利用光纤传输损耗低，传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源，光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，这样既低了系统成本，又降低了维护上的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理可以极大的提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息，目前采用的阵列均基于以上传统的光纤水听器方案。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列包括光源、分束器A、起偏器、相位调制器、延迟光纤、分束器B、敏感单元阵列、光电探测器组成；敏感单元阵列包括法拉第旋光器、声探头、补偿光纤及反射镜；

光源的尾纤同分束器A的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分束器A的另一输入端光纤熔接在一起；分束器A的输出端光纤同起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同分束器B的输入光纤熔接，光由分束器B输出端分为两路，其中分束器B的一路输出尾纤与敏感单元阵列相连接，具体为分束器B的输出尾纤同法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与声探头的传感光纤的输入端光纤熔接，声探头的传感光纤的另一端与补偿光纤以90°熔接，补偿光纤的另一端光纤连接反射镜，而分束器B的另一路输出尾纤经延迟光纤与另一个分束器B相连接，分束器B的一路输出光纤连接另一个敏感单元阵列，该敏感单元阵列的连接方式与上述敏感单元阵列连接方式完全相同，分束器B的另一路输出光纤再通过延迟光纤、分束器B与敏感单元阵列相连接，采用相同的连接方法通过延迟延迟光纤和分束器B依次连接多个敏感单元阵列；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。

本发明的优点在于：

（1）本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，可以有效抑制光路中的偏振态随机波动，解决了传统水听器的偏振衰落问题。

（2）本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，采用准互易光路方案，因此对环境干扰的免疫能力很强。

（3）本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，采用反射式光路，信号来回两次经过声探头，检测声压信号为常规光纤传感器的两倍，有效提高了灵敏度。

（4）本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，复用效率高，结构简单，相位噪声小。

（5）本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，以光纤作为信息的传感与传输介质，不会被电磁干扰。

附图说明

图1是本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列的结构示意图。

图中：1-光源；        2-分束器A；        3-起偏器；        4-相位调制器；

      5-延迟光纤；    6-分束器B；        7-敏感单元阵列；  8-法拉第旋光器；

      9-声探头；      10-补偿光纤；      11-反射镜；       12-光电探测器；

      13-信号处理电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，如图1所示，具体包括光源1、分束器A2、起偏器3、相位调制器4、延迟光纤5、分束器B6、敏感单元阵列7、光电探测器12组成。其中，法拉第旋光器8、声探头9、补偿光纤10及反射镜11组成敏感单元阵列7。

分束器A2的输入端为两路输入，脉冲光信号在分束器A2的两路输入端具体为：一路是光源1的尾纤同分束器A2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器12的尾纤与分束器A2的另一输入端光纤熔接在一起；分束器A2的输出端光纤同起偏器3熔接，起偏器3的输出端保偏光纤与相位调制器4的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器4的输出端光纤同延迟光纤5的输入端光纤熔接，延迟光纤5的输出端光纤同分束器B6的输入光纤熔接，光由分束器B6输出端分为两路，其中分束器B6的一路输出尾纤与敏感单元阵列7相连接，具体为分束器B6的输出尾纤同法拉第旋光器8输入端光纤熔接，法拉第旋光器8输出端光纤与声探头9的传感光纤的输入端光纤熔接，声探头9的传感光纤的另一端与补偿光纤以90°熔接，补偿光纤的另一端光纤连接反射镜，而分束器B的另一路输出尾纤经过延迟光纤10与另一个分束器B6相连接，分束器B6的一路输出光纤连接另一个敏感单元阵列7，该敏感单元阵列7的连接方式与敏感单元阵列7连接方式完全相同，分束器B6的另一路输出光纤再通过延迟光纤5、分束器B6与敏感单元阵列7相连接，按照上述的连接方法，依次可以连接多个敏感单元阵列7，具体个数根据实际应用需要调整，且相邻两个敏感单元阵列7均通过延迟光纤5和分束器B6连接。光电探测器12的输出端与信号处理电路13相连接，光电探测器12将获取的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路13检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路13将输出信号施加给相位调制器4从而实现相位调制。

所述的光源1可以为SLD光源、掺铒光纤光源或LED光源等宽谱光源。所述的声探头9的传感光纤采用保偏光纤。所述的分束器A2和分束器B6可以是保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或单模耦合器。所述的延迟光纤5与相位调制器4、分束器B6的连接可以是跳线连接或熔接方式。反射镜11可以采用在光纤端面镀膜或采用单独反射镜。法拉第旋光器8旋光角度为45°。相位调制器4的调制方式可以采用方波调制或正弦波调制。

本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列的光路的基本原理为：首先由光源1发出的光通过耦合器后，由起偏器3起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，在相位调制器4进行分别调制，通过延迟光纤5后在法拉第旋光器8旋转45°，由分束器B6分束后进入声探头，由于声探头9采用保偏光纤，因此声探头9感应待测声压，保偏光纤受到调制，传输光的两个正交偏振模式之间产生相位变化，然后以90°进入互易补偿光纤10，补偿由于声探头9保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射，二次经过声探头，敏感信号加倍，然后通过分束器B6耦合进入延迟光纤5，经过法拉第旋光器8后再次旋转45°，最后在起偏器3处与两个模式的光发生干涉。携带干涉相位信息的光返回光电探测器12（PIN）后，由信号处理电路13检测。由于顺次连接的多个敏感单元阵列7之间不发生干涉，因此，通过采用脉冲光源并对干涉信号的分时检测，即可检测出阵列信息。

光电探测器获取的干涉光信号I_D(t)的表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ})-{\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中I₀为到达光电探测器12的光强，φ_m(t)为相位调制器4的调制相位，φ_s为由于敏感声压造成的相位差，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，t表示时间。

Claims (2)

1.一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，其特征在于：包括光源、分束器A、起偏器、相位调制器、延迟光纤、分束器B、敏感单元阵列、光电探测器组成；敏感单元阵列包括法拉第旋光器、声探头、补偿光纤及反射镜；

光源的尾纤同分束器A的一输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分束器A的另一输入端光纤熔接在一起；分束器A的输出端光纤同起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同分束器B的输入光纤熔接，光由分束器B输出端分为两路，其中分束器B的一路输出尾纤与敏感单元阵列相连接，具体为分束器B的输出尾纤同法拉第旋光器输入端光纤熔接，法拉第旋光器输出端光纤与声探头的传感光纤的输入端光纤熔接，声探头的传感光纤的另一端与补偿光纤以90°熔接，补偿光纤的另一端光纤连接反射镜，而分束器B的另一路输出尾纤经延迟光纤与另一个分束器B相连接，该分束器B的一路输出光纤连接另一个敏感单元阵列，该敏感单元阵列的连接方式与上述敏感单元阵列连接方式完全相同，该分束器B的另一路输出光纤再通过延迟光纤、分束器B与敏感单元阵列相连接，采用相同的连接方法通过延迟光纤和分束器B依次连接多个敏感单元阵列；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路将输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制；所述的声探头的传感光纤采用保偏光纤、所述的分束器A和分束器B为保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或单模耦合器；所述的反射镜采用在光纤端面镀膜或采用单独反射镜；所述的法拉第旋光器的旋光角度为45°；所述的相位调制器的调制方式采用方波调制或正弦波调制；所述的光电探测器获取的干涉光信号I_D(t)的表达式为：

$I_D\left(t\right)=\frac{I_0}{2}\{1+\cos [{\mathrm{\φ}}_m(t-\mathrm{\τ}){\mathrm{\φ}}_m\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_s\left]\right\}$

其中I₀为到达光电探测器12的光强，φ_m(t)为相位调制器4的调制相位，φ_s为由于敏感声压造成的相位差，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，t表示时间。

2.根据权利要求1所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，其特征在于：所述的光源为SLD光源、掺铒光纤光源或LED光源。