CN105356945A - 一种外差式光纤水听器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外差式光纤水听器系统，其解决了现有光纤水听器系统中信号探测端的信号强度及信噪比差异性较大，存在不均衡性的技术问题，其包括多波长单频光源、波分复用器、脉冲调制单元、第一放大器、传感阵列、第二放大器、解复用器和功率均衡单元，多波长单频光源的输出端与所述波分复用器的输入端连接，波分复用器的输出端与脉冲调制单元的输入端连接，脉冲调制单元的输出端通过第一放大器与传感阵列的输入端连接，传感阵列的输出端通过第二放大器与解复用器的输入端连接，解复用器的输出端与功率均衡单元连接。本发明广泛用于光纤传感及水声信号测量领域。

Description

一种外差式光纤水听器系统

技术领域

本发明涉及一种水听器系统，尤其是涉及一种具有功率均衡功能的外差式光纤水听器系统。

背景技术

光纤水听器是基于光纤、光电子技术的一种新型光纤传感器，相对于传统压电式水听器，具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。光纤水听器应用广泛，不同阵列形式的光纤水听器系统可以应用于包括海底自然资源勘探(可燃冰，海洋石油、天然气等)、海军作战及水下兵器试验探测，近海养殖防盗监测等。随着光纤水听器应用的不断深入，对其探测距离、信号信噪比、动态范围等提出了更高的要求。

光纤水听器系统通常采用波分复用(WDM，WavelenthDivisionMultiplexing)的方式，即将多个不同波长的激光耦合进同一条传感阵列，这种方式有效增加了光纤水听器传感阵列的规模，但由于不同时分阵列的损耗及传输特性存在差异，造成回到信号探测端(干端)的信号强度及信噪比差异性较大，存在不均衡性，给信号解调带来了极大的难度。增加光纤水听器阵列规模的另外一种方式是采用放大技术，包括掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼放大器(FRA)，由于光纤中存在非线性效应，大限制了作为功率放大器的EDFA的使用范围。

发明内容

本发明就是为了解决现有光纤水听器系统中信号探测端的信号强度及信噪比差异性较大，存在不均衡性的技术问题，提供了一种具有功率均衡功能的外差式光纤水听器系统。

本发明提供的外差式光纤水听器系统，包括多波长单频光源、波分复用器、脉冲调制单元、第一放大器、传感阵列、第二放大器、解复用器和功率均衡单元，多波长单频光源的输出端与所述波分复用器的输入端连接，波分复用器的输出端与脉冲调制单元的输入端连接，脉冲调制单元的输出端通过第一放大器与传感阵列的输入端连接，传感阵列的输出端通过第二放大器与解复用器的输入端连接，解复用器的输出端与功率均衡单元连接。

优选地，传感阵列包括时分传感阵列、波长分离器和波长增加器，波长增加器连接于波长分离器和时分传感阵列之间。

优选地，多波长单频光源可以输出以1550nm为中心，间隔2nm的窄线宽连续光，最大同时可输出波长数目为16，每个波长对应输出功率为0～10MW可调，线宽小于20KHz；

波分复用器和解复用器为同类器件，其工作波长数目与多波长单频光源输出的波长一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm，插入损耗小于4dB，且各通道间隔离度不低于30dB；

脉冲调制单元设有两支1X2光纤耦合器和两个光脉冲调制器，两支1X2光纤耦合器的耦合比例均为50％：50％，光脉冲调制器具有光移频和脉冲调制功能且两个光脉冲调制器的频移差为0～200KHz可调，光脉冲调制器的调制消光比不小于40dB，调制光脉冲上升沿不高于50ns；

第一放大器的输入波长范围为1528nm～1563nm，饱和输出功率为10～20dBm可调，噪声指数小于4.5dB；

第二放大器的输入波长范围为1528nm～1563nm,输入光功率小于-20dBm，饱和输出功率0～10dBm可调，输入隔离度为大于30dB，噪声指数小于4.5dB；

功率均衡单元的通道数目与单频光源波长数目相同，其内部集成了相应数目的微机械式可调衰减器，工作电压范围为0～5V，光衰减范围为0.7db-30dB。

本发明的有益效果是：(1)采用外差方式对水听器阵元拾取的信号进行解调，避免了3*3方案硬件规模的限制及PGC(相位生产载波)动态范围的限制。(2)采用功率放大器加前置放大器的方案，最大限度的增加了注入传感阵列的有效光功率，同时在信号光进入信号探测单元之前使用前置放大器对信号光进行了放大，大大提高了接收机的探测灵敏度。(3)本技术方案在信号接收端，波分复用器将不同波长的光分离后，利用功率均衡单元对每一个波长的光信号进行动态功率均衡处理，避免由于各个波长信号强度不同，造成信号动态范围过大对信号解调带来的难度。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明外差式光纤水听器系统的结构示意图；

图2传感阵列的结构示意图。

附图符号说明：

1.多波长单频光源；2.波分复用器；3.脉冲调制单元；4.第一放大器；5.传感阵列；6.第二放大器；7.解复用器；8.功率均衡单元；9.信号探测单元；10.信号解调及显示单元；11.波长分离器；12.波长增加器；13.时分传感阵列。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，多波长单频光源1的输出端与波分复用器2的输入端连接，波分复用器2的输出端与脉冲调制单元3的输入端连接，脉冲调制单元3的输出端通过第一放大器4与传感阵列5的输入端连接，传感阵列5的输出端通过第二放大器6与解复用器7的输入端连接，解复用器7的输出端与功率均衡单元8的输入端连接，功率均衡单元8的输出端与信号探测单元9的输入端连接，信号探测单元9的输出端与信号解调及显示单元10连接。

传感阵列5为完成信号传感的“湿端”，其余部分组成信号探测、解调与显示的“干端”。脉冲调制单元3通过其内部两个分立的声光调制器(采用保偏光纤保持调制光脉冲的偏振态)及一段延迟光纤调制成一组询问脉冲对，输入给传感阵列5并通过波长分离器11进入时分传感阵列13进行询问工作。

如图2所示，传感阵列5包括多组时分传感阵列13、波长分离器11和波长增加器12，一个分传感阵列13、波长分离器11和波长增加器12构成一组。每组时分传感阵列对应一个单频光源波长，也就是说时分传感阵列13的数量与单频光源波长数目相同。波长分离器11的COM端口为输入端口，透射端口连接时分传感阵列的输入端，反射端口连接下一个波长分离器的COM端口，依次类推。时分传感阵列13的输出端连接相应波长增加器12的透射端，波长增加器12的反射端连接前一个波长增加器的COM端，依次类推。

多波长单频光源1发出多个波长的单频连续光，每个波长对应波分复用器2相应的输入端口，波分复用器2的输出端口与脉冲调制单元3的输入相连接，脉冲调制单元3的输出信号经过第一放大器4进入传感阵列5。传感阵列5的输出端通过第二放大器6与解复用器7的输入端口相连接，解复用器7的输出端口与功率均衡单元8的每一个输入端口连接，经过功率均衡处理后的信号光被信号探测单元9探测到并进行光电转换处理，经过上位机信号解调及显示单元10将信号解调为声音信号并在软件上显示波形。

通过对在探测光进入传感阵列5之前的光功率损耗使用第一放大器4进行补偿，同时避免在传感阵列5中出现非线性效应。探测光信号进入传感阵列5后，不同波长的探测光信号经过相应的波长分离器11进入对应的时分传感阵列13，拾取声信号后经过对应的波长增加器返回信号接收部分(干端)。信号通过第二放大器6进行预放大，在没有改变传感阵列非线性阈值的前提下提高信号探测单元9光接收机的灵敏度。信号光经过第2放大器放大及解复用器7将不同波长的光分离后，利用功率均衡单元8对不同波长的信号进行功率均衡处理，使之有相近或相同的光功率。

在传统水听器系统中，由于不同波长激光器功率、DWDM(密集波分复用系统)、OA/DM(光增/删复用系统)以及光电探测器PIN-FET(场效应管PIN探测器)指标的离散性，造成解调系统得到的各通道脉冲信号强度不一致，降低了系统的动态范围。采用功率均衡单元8可以根据信号实际强度，动态调节返回到光电探测器的信号，已达到均衡目的。

多波长单频光源1可以输出以1550nm为中心，间隔2nm的窄线宽连续光，最大同时可输出波长数目为16，每个波长对应输出功率为0～10MW可调，线宽小于20KHz。

波分复用器2、解复用器7为同类器件，工作波长数目与多波长单频光源1输出的波长一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm，插入损耗小于4dB，且各通道间隔离度不低于30dB。

脉冲调制单元3由两支1X2光纤耦合器及两个光脉冲调制器及一定长度的延迟光纤组成。两支1X2光纤耦合器的耦合比例均为50％：50％，光脉冲调制器具有光移频和脉冲调制功能且两个光脉冲调制器的频移差为0～200KHz可调，光脉冲调制器的调制消光比不小于40dB，调制光脉冲上升沿不高于50ns。

第一放大器4为功率放大器，输入波长范围为1528nm～1563nm，饱和输出功率为10～20dBm可调，噪声指数小于4.5dB。

传感阵列5中每一组波长分离器11与波长增加器12为同类器件且透射波长与单频光源波长一一对应，中心波长精度小于±0.2nm，通道隔离度大于30dB。时分传感阵列13为多个串联形式的光纤干涉仪，可以是迈克尔逊式或马赫-泽德式等。

第二放大器6为前置放大器，输入波长范围为1528nm～1563nm,输入光功率小于-20dBm，饱和输出功率0～10dBm可调。输入隔离度为大于30dB，噪声指数小于4.5dB。

功率均衡单元8的通道数目与单频光源波长数目相同，其内部集成了相应数目的微机械式可调衰减器，工作电压范围为0～5V，光衰减范围为0.7db-30dB。

信号探测单元9的通道数目与单频光源波长数目相同，其内部集成了相应数目的场效应管PIN探测器及模拟/数字转换芯片，探测器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB带宽小于50MHz，模拟/数字转换芯片采样率不低于100Msps,精度不低于12bit。

信号解调及显示单元10包括能执行解调算法的计算机及其显示软件部分，其特征是既能显示对应某一特定波长的时分传感阵列13的整体信号，又能显示时分传感阵列13中特定传感阵元的信号。

上述方案可实现超过1024阵元的长距离光纤水听器系统。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种外差式光纤水听器系统，其特征在于，包括多波长单频光源、波分复用器、脉冲调制单元、第一放大器、传感阵列、第二放大器、解复用器和功率均衡单元，所述多波长单频光源的输出端与所述波分复用器的输入端连接，所述波分复用器的输出端与所述脉冲调制单元的输入端连接，所述脉冲调制单元的输出端通过所述第一放大器与所述传感阵列的输入端连接，所述传感阵列的输出端通过所述第二放大器与所述解复用器的输入端连接，所述解复用器的输出端与所述功率均衡单元连接。

2.根据权利要求1所述的外差式光纤水听器系统，其特征在于，所述传感阵列包括时分传感阵列、波长分离器和波长增加器，所述波长增加器连接于所述波长分离器和所述时分传感阵列之间。

3.根据权利要求2所述的外差式光纤水听器系统，其特征在于，所述多波长单频光源可以输出以1550nm为中心，间隔2nm的窄线宽连续光，最大同时可输出波长数目为16，每个波长对应输出功率为0～10MW可调，线宽小于20KHz；

所述波分复用器和解复用器为同类器件，其工作波长数目与所述多波长单频光源输出的波长一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm，插入损耗小于4dB，且各通道间隔离度不低于30dB；

所述脉冲调制单元设有两支1X2光纤耦合器和两个光脉冲调制器，所述两支1X2光纤耦合器的耦合比例均为50％：50％，所述光脉冲调制器具有光移频和脉冲调制功能且两个光脉冲调制器的频移差为0～200KHz可调，光脉冲调制器的调制消光比不小于40dB，调制光脉冲上升沿不高于50ns；

所述第一放大器的输入波长范围为1528nm～1563nm，饱和输出功率为10～20dBm可调，噪声指数小于4.5dB；

所述第二放大器的输入波长范围为1528nm～1563nm,输入光功率小于-20dBm，饱和输出功率0～10dBm可调，输入隔离度为大于30dB，噪声指数小于4.5dB；

所述功率均衡单元的通道数目与单频光源波长数目相同，其内部集成了相应数目的微机械式可调衰减器，工作电压范围为0～5V，光衰减范围为0.7db-30dB。