CN107063435A - 一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器 - Google Patents

一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器。所述光纤水听器由光纤耦合器、一号法拉第旋镜、二号法拉第旋镜、微纳光纤全光相位调制器、调制器保护套管、一号调制器保护套管帽、二号调制器保护套管帽、探头传感内筒支架、探头传感外筒支架、探头保护套管、一号探头保护套管帽、二号探头保护套管帽、传感光纤及传输光纤组成；本发明采用微纳光纤全光相位调制器实现相位载波生成，与光源调制相位生成载波技术相比，突出优势在信号光源不再需要频率调制，可是整个传感系统表现出更加优良的频率稳定或相位稳定性；同时，光纤水听器所用传感干涉仪为准平衡性，有助于消除外界对光纤水听器引起的相位噪声。

Description

一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器
技术领域
本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器。
背景技术
光纤水听器具有高灵敏度、抗电磁干扰、益于大规模集成复用等优点，目前已被广泛应用于石油勘探、海洋渔业、反潜等应用及水声物理研究，并已成为现代光纤传感技术和水声探测技术的重要研究和发展方向。光纤水听器的基本工作原理是，通过结合特定机械结构的传感探头，使声波信号有效调制传感光纤内传输光波的相位参量和波长参量，然后再采用相应的信号处理技术解调出相位信息或波长信息，进而获取待测水声信号。当前典型的光纤水听器主要为干涉型和光纤光栅型，其中干涉型光纤水听器动态范围大，便于大规模集成复用，应用更为广泛。
为满足水下应用、抗电磁干扰、便于大规模集成等特殊应用要求，光纤水听器传感探头必须满足全光无电特性要求，这就需要对其传感探头结构及解调方案进行整体设计。目前，对于干涉型光纤水听器系统，典型传感探头有压差式、盘片式、推挽式等结构，其中，基于推挽式结构的传感探头具有结构紧凑、灵敏度高、机械性能稳定等优势；解调方案主要有相位生成载波调制解调(PGC)、外差解调、远程匹配3X3光纤耦合器干涉仪解调等，其中，PGC解调方案具有解调动态范围大、有效抑制低频本地噪声等优点。
基于PGC解调技术的相位载波生成方法主要有光源内调制相位载波生成方法和干涉仪外加调制相位载波生成方法。其中，采用光源内调制的相位载波生成方法，信号光源需要加载一定频率的快速调谐，光纤水听器内的干涉仪必须有一定臂差，这使得该类水听器系统存在光源相位噪声大和非平衡干涉仪结构引入额外相位噪声等问题。而干涉仪外加调制相位载波生成方法可以采用准平衡干涉仪，有利于降低系统本底相位噪声，但所用调制器需满足全光调制要求，以保证传感探头的无电特性要求。
相比常规光纤，微纳光纤具有较高的非本征吸收能力，且具有较大的表面积体积比，因此，具备更高效的光热相位调制响应能力和热传导效率，已被开发成基于光吸收致热效应的内光注入式全光相位调制器，并应用于PGC解调系统的相位载波生成调制器(详见发明专利：基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，公开日：2016.11.16)。
如通过合理设计能将微纳光纤全光相位调制器嵌入光纤水听器传感探头内，并结合推挽式双轴缠绕式传感器结构，将可获得结构紧凑、灵敏度高、机械性能稳定、便于大规模集成复用、自带干涉仪外加相位调制用全光载波调制器的新型光纤水听器，并且传感器内传感干涉仪可采用准平衡干涉仪，可兼顾降低光纤水听器系统噪声和确保传感器全光无电等优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：设计一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，采用推挽式双轴缠绕式探头结构，并实现了干涉仪外加相位调制用的载波全光调制器探头内置，克服现有技术的不足，使得光纤水听器系统在相位噪声特性、稳定性、传感灵敏度、大规模集成性能等方面得到一定改善。所述光纤水听器将微纳光纤全光相位调制器接于传感干涉仪一臂上，并将其封装镶嵌于传感探头内，实现了水听器传感探头自带干涉仪外加调制载波用全光调制器；传感器探头内传感干涉仪为准平衡干涉仪，并且干涉仪两臂传感光纤双层对称缠绕在传感探头内外传感筒支架上，进而形成推挽式灵敏度增强型声压传感探头结构。该方案确保了水听器传感探头无电子元件、紧凑、高灵敏度、抑制加速度灵敏、方便大规模集成等性能优势，并可以有效改善光纤水听器的整体噪声特性。
本发明采用的技术方案为：一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，所述光纤水听器由光纤耦合器、一号法拉第旋镜(FRM1)、二号法拉第旋镜(FRM2)、微纳光纤全光相位调制器、调制器保护套管、一号调制器保护套管帽、二号调制器保护套管帽、探头传感内筒支架、探头传感外筒支架、探头保护套管、一号探头保护套管帽、二号探头保护套管帽、传感光纤及传输光纤组成；所述探头传感内筒支架、探头传感外筒支架、探头保护套管组成同轴结构，由内而外依次为探头传感内筒支架、探头传感外筒支架、探头保护套管；所述光纤耦合器四个端口分别对应连接传感臂Ⅰ、传感臂II、传输臂III及传输臂Ⅳ前端，所述传输臂III及传输臂Ⅳ均由传输光纤构成，而传感臂Ⅰ和传感臂II既包含传感光纤又包含传输光纤，其中传感光纤特指缠绕在探头传感内筒支架和探头传感外筒支架上用于感受声压引起应变的光纤；一号法拉第旋镜与传感臂Ⅰ后端相连，二号法拉第旋镜与传感臂Ⅱ后端相连，微纳光纤全光相位调制器位于传感臂II前端，即其一侧与光纤耦合器端口相连，另一侧与传感臂II上的传感光纤相连；一号法拉第旋镜、传感臂Ⅰ、二号法拉第旋镜、接有微纳光纤全光相位调制器的传感臂Ⅱ及光纤耦合器共同组成传感器内传感准平衡Michelson型光纤干涉仪；
所述探头传感内筒支架和探头传感外筒支架均为圆柱状铝制弹性壳体，壳体外壁分别对称开有两段凹槽，传感臂I的传感光纤双层缠绕在探头传感外筒支架的两段凹槽上，两段凹槽内缠绕传感光纤的长度相同，用于传感探头外向水声声压的“压力”，传感臂II的传感光纤双层缠绕在探头传感内筒支架的两段凹槽上，两段凹槽内缠绕传感光纤的长度相同，用于传感探头内向水声声压的“推力”；这样通过传感臂I和传感臂II的“推-压”模式，可使传感器的声压灵敏度达到双倍放大效果，而通过双层缠绕同样可有效增大传感器的声压灵敏度；此外，传感光纤对称缠绕在探头传感内筒支架和探头传感外筒支架的两段凹槽上形成推挽式结构，可有效抑制加速度噪声，并有效增强传感器的稳定性。
本发明所述微纳光纤全光相位调制器由常规光纤采用温度可控的改进型非接触式加热扫描法拉制而成(详见发明专利：基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，公开日：2016.11.16)，鉴于光纤水听器水下甚至深海高压的应用环境，且便于传感器探头封装制作要求，本发明将所述微纳光纤全光相位调制器进行金属套管封装保护，即将微纳光纤全光相位调制器套上用不锈钢制成的调制器保护套管，再在调制器保护套管的两端盖上调制器保护套管帽，并进行胶封处理。
所述光纤耦合器、一号法拉第旋镜、二号法拉第旋镜均通过胶黏固定在探头传感内筒支架的内壁上；
所述封装在调制器保护套管内的微纳光纤全光相位调制器呈中心对称贴壁布放在探头传感内筒支架上，调制器保护套管外壁与探头传感内筒支架内壁胶连固定；
所述探头传感器内筒支架和探头传感器外筒支架的材料均为铝合金，探头传感外筒支架套在探头传感内筒支架上，并在筒支架处胶粘固定；探头传感外筒支架对称胶黏固定在探头保护套管内壁的中部；
所述探头保护套管及探头保护套管帽均为不锈钢材料制成，为了保证在探头内形成与环境一致的稳定水压，在探头保护套管和探头保护套管帽上开有多个通孔；
所用传感光纤及传输光纤均为抗弯曲光纤。
本发明基于以下工作原理：光源探测光通过传输臂III的传输光纤注入传感器探头，当声压信号作用在探头上时，探头内、外筒支架将发生形变，这会使探头传感内/外筒支架缠绕的传感光纤发生“推-压”形变，进而对传感光纤内传输的光产生相应相位调制信号(探测光转变为信号光)；在一号法拉第旋镜和二号法拉第旋镜反射作用下，携带有声压调制信号的信号光会经传输臂Ⅳ的传输光纤由传感探头内干涉仪返回远处干端光路及信号处理系统，通过数字信号处理即可解调出相应水声传感信号。
由于本发明的光纤水听器采用模块化设计，结构简单紧凑，尺寸小且利于成缆封装，便于大规模集成复用；传感器在时分大规模集成复用时，传感探头传输臂III通过光纤耦合器经探测光传输光纤及光隔离器与激光器光源相连，进而实现探测光注入；同样传感探头传输臂Ⅳ通过光纤耦合器经信号返回传输光纤与WDM相连，将传感器探头探测到的信号光返回信号处理系统，并进行后续信号解调。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1.本发明将调制载波用微纳光纤全光相位调制器接于传感干涉仪一臂上，并将其封装镶嵌于传感探头内，实现了水听器探头自带干涉仪外加调制载波用全光调制器的功能；
2.本发明将传感干涉仪两臂光纤双层缠绕在传感器探头内外筒支架的两段凹槽上，形成“推-压”的声压传感传感模式，可使传感器声压灵敏度达到双倍放大效果，双层缠绕同样可效增大传感器声压灵敏度；
3.本发明传感器探头传感内、外筒支架均为对称结构，传感光纤对称缠绕在传感内、外筒支架上的两段凹槽内，形成推挽式传感结构，可有效抑制传感器的加速度噪声，并增强传感器稳定性；
4.本发明采用推挽式双轴缠绕探头结构，并采用微纳光纤全光相位调制器置于光纤干涉仪内实现相位生成载波，确保了传感探头无电子元件、紧凑、高灵敏度、抑制加速度灵敏、方便大规模集成等性能优势。
附图说明
图1是本发明基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器剖面结构示意图；
图2是调制器保护套管示意图；
图3是调制器保护套管帽示意图；
图4是探头传感内筒支架示意图；
图5是探头传感外筒支架示意图；
图6是探头保护套管示意图；
图7是探头保护套管帽示意图；
图8是本发明光纤水听器时分复用集成时的干端光路及调制解调系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，本发明所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器由光纤耦合器1、一号法拉第旋镜(FRM1)2-1、二号法拉第旋镜(FRM2)2-2、微纳光纤全光相位调制器3、调制器保护套管4、一号调制器保护套管帽5-1、二号调制器保护套管帽5-2、探头传感内筒支架6、探头传感外筒支架7、探头保护套管8、一号探头保护套管帽9-1、二号探头保护套管帽9-2、传感光纤光及传输光纤组成；所述探头传感内筒支架6、探头传感外筒支架7、探头保护套管8组成同轴结构，由内而外依次为探头传感内筒支架6、探头传感外筒支架7、探头保护套管8；所述光纤耦合器1四个端口分别对应连接传感臂Ⅰ、传感臂II、传输臂III及传输臂Ⅳ前端，一号法拉第旋镜(FRM1)2-1与传感臂Ⅰ后端相连，二号法拉第旋镜(FRM2)2-2与传感臂Ⅱ后端相连，微纳光纤全光相位调制器3位于传感臂II前端，即其一侧与光纤耦合器1一端口相连，另一侧与传感臂II上的传感光纤相连；一号法拉第旋镜2-1、传感臂Ⅰ、二号法拉第旋镜2-2、接有微纳光纤全光相位调制器3的传感臂Ⅱ及光纤耦合器1，共同组成探头内传感准平衡Michelson型光纤干涉仪；
所述微纳光纤全光相位调制器3封装于调制器保护套管4内，所述调制器保护套管4两端通过两个调制器保护套管帽5-1和5-2胶封；
所述调制器保护套管4呈中心位置对称布放在探头传感内筒支架6内；
光纤耦合器1、一号法拉第旋镜2-1与二号法拉第旋镜2-2均胶黏固定在探头传感内筒支架6的内壁上，探头传感外筒支架7嵌套在探头传感内筒支架6外，探头传感外筒支架7对称胶黏固定在探头保护套管8内壁的中部；
传感臂I的传感光纤双层缠绕在探头传感外桶壁支架6的对称双凹槽桶臂上，传感臂II的传感光纤双层缠绕在探头传感内桶壁支架7的对称双凹槽桶臂上。
如图2所示，本发明所述调制器保护套管4为圆柱形不锈钢金属套管。
如图3所示，本发明所述调制器保护套管帽5为不锈钢套帽，帽盖中心开有通孔，供光纤通过。
如图4和图5所示，本发明所述探头传感内筒支架6和探头传感外筒支架7均为对称支架结构，壳体为铝制金属材质，上面对称开有两段凹槽，传感光纤双层缠绕在两段凹槽上，且两段凹槽内缠绕传感光纤长度相同。
如图6所示，本发明所述探头保护套管8为圆柱形不锈钢金属套管，套管壁上开有多个过水孔。
如图7所示，本发明所述探头保护套管帽9为不锈钢套帽，帽盖上开有过水孔，中心支架位置开有通孔，供光纤通过。
本发明采用微纳光纤全光相位调制器嵌入光纤水听器传感探头内，对传感器内传感干涉仪进行外加相位调制载波，其工作时需外加强度调制的980nm泵浦光注入传感器内传感干涉仪来加热微纳光纤全光相位调制器以实现相位调制功能，因此，本发明在实际应用时(单个或空分大规模集成复用)，其干端光路及信号处理系统中应带有调制微纳光纤全光相位调制器所需的980nm泵浦光器等设备。本发明所述光纤水听器具体应用的一个实施例如下：
如图8所示，本发明所述光纤水听器在单个或空分大规模集成复用时，其干端光路及信号处理系统由1550nm可编程控制高相干半导体激光器11、光纤隔离器12、980/1550nm波分复用器(WDM)13、光电探测器14、980nm泵浦激光器15、980nm泵浦激光器泵浦驱动源16、信号发生器17、信号采集卡18、数字信号处理计算机19及传输光纤组成，激光器11经光纤隔离器12、探测光传输光纤及光纤耦合器经与传感器探头传输臂III相连(本发明所述光纤水听器单个应用时，激光器11经光纤隔离器12及探测光传输光纤与传感器探头传输臂III相连)，将激光器11发出的1550nm探测光注入传感器探头内的传感准平衡Michelson型干涉仪。
探头内的传感干涉仪返回的信号光经传输臂Ⅳ、光纤耦合器、信号返回传输光纤与980/1550nm波分复用器(WDM)13的公共端口相连(本发明所述光纤水听器单个应用时，探头内的传感干涉仪返回的信号光经传输臂Ⅳ与980/1550nm波分复用器(WDM)13的公共端口相连)，然后经980/1550nm波分复用器(WDM)13的1550nm输出端口到达光电探测器14进行光电信号转换，再通过信号采集卡18进行模数转换，最后将数字信号输入到数字信号处理计算机19内进行PGC解调信号处理。
信号发生器17一路信号输出端口与980nm泵浦激光器泵浦驱动源16相连，实现对驱动源不同调制信号的控制，该路信号输出端口同时也与信号采集卡18相连，供数字信号处理计算机19进行PGC数字信号处理同步所用。
980nm泵浦激光器泵浦驱动源16与980nm泵浦激光器15相连，进而实现对980nm泵浦激光器15输出980nm泵浦激光的强度调制。980nm泵浦激光器15经980/1550nm波分复用器(WDM)13及光纤耦合器与传感器传输臂Ⅳ相连(本发明所述光纤水听器单个应用时，980nm泵浦激光器15经980/1550nm波分复用器(WDM)13与传感器传输臂Ⅳ相连)，将强度调制的980nm泵浦光注入传感器内传感干涉仪，来加热调制微纳光纤全光相位调制器3，进而实现干涉仪外加调制相位载波生成。
本发明所述光纤水听器采用微纳光纤全光相位调制器实现相位载波生成，与光源调制相位生成载波技术相比，其突出优势在信号光源不再需要频率调制，可是整个传感系统表现出更加优良的频率稳定或相位稳定性。同时，光纤水听器所用传感干涉仪为准平衡性，这有助于消除外界对光纤水听器引起的相位噪声。

Claims (9)

1.一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述光纤水听器由光纤耦合器(1)、一号法拉第旋镜(2-1)、二号法拉第旋镜(2-2)、微纳光纤全光相位调制器(3)、调制器保护套管(4)、一号调制器保护套管帽(5-1)、二号调制器保护套管帽(5-2)、探头传感内筒支架(6)、探头传感外筒支架(7)、探头保护套管(8)、一号探头保护套管帽(9-1)、二号探头保护套管帽(9-2)、传感光纤及传输光纤组成；所述探头传感内筒支架(6)、探头传感外筒支架(8)、探头保护套管(8)组成同轴结构，由内而外依次为探头传感内筒支架(6)、探头传感外筒支架(8)、探头保护套管(8)；所述光纤耦合器(1)四个端口分别对应连接传感臂Ⅰ、传感臂II、传输臂III及传输臂Ⅳ前端，所述传输臂III及传输臂Ⅳ均由传输光纤构成，而传感臂Ⅰ和传感臂II既包含传感光纤又包含传输光纤，其中传感光纤特指缠绕在探头传感内筒支架和探头传感外筒支架上用于感受声压引起应变的光纤；一号法拉第旋镜(2-1)与传感臂Ⅰ后端相连，二号法拉第旋镜(2-2)与传感臂Ⅱ后端相连，微纳光纤全光相位调制器(3)位于传感臂II前端，即其一侧与光纤耦合器(1)端口相连，另一侧与传感臂II上的传感光纤相连；一号法拉第旋镜(2-1)、传感臂Ⅰ、二号法拉第旋镜(2-2)、接有微纳光纤全光相位调制器(3)的传感臂Ⅱ及光纤耦合器(1)共同组成传感器内传感准平衡Michelson型光纤干涉仪；
所述探头传感内筒支架(6)和探头传感外筒支架(7)均为圆柱状铝制弹性壳体，壳体外壁分别对称开有两段凹槽，传感臂I的传感光纤双层缠绕在探头传感外筒支架(7)的两段凹槽上，两段凹槽内缠绕传感光纤的长度相同，用于传感探头外向水声声压的“压力”，传感臂II的传感光纤双层缠绕在探头传感内筒支架(6)的两段凹槽上，两段凹槽内缠绕传感光纤的长度相同，用于传感探头内向水声声压的“推力”。
2.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述微纳光纤全光相位调制器(3)封装于调制器保护套管(4)内，所述调制器保护套管(4)两端通过一号调制器保护套管帽(5-1)和二号调制器保护套管帽(5-2)胶封。
3.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述调制器保护套管(4)呈中心位置对称布放在探头传感内筒支架(6)内。
4.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述光纤耦合器(1)、一号法拉第旋镜(2-1)与二号法拉第旋镜(2-2)均胶黏固定在探头传感内筒支架(6)的内壁上，探头传感外筒支架(7)嵌套在探头传感内筒支架(6)外，探头传感外筒支架(7)对称胶黏固定在探头保护套管(8)内壁的中部。
5.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述调制器保护套管(4)为圆柱形不锈钢金属套管。
6.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述调制器保护套管帽(5)为不锈钢套帽，帽盖中心开有通孔，供光纤通过。
7.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所述探头保护套管(8)为圆柱形不锈钢金属套管，套管壁上开有多个过水孔。
8.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：本发明所述探头保护套管帽(9)为不锈钢套帽，帽盖上开有过水孔，中心支架位置开有通孔，供光纤通过。
9.根据权利要求1至8任一条所述基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，其特征在于：所用传感光纤及传输光纤均为抗弯曲光纤。
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