CN107655561A - 一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置 - Google Patents

一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，其采用光纤光栅作为水听器的组成器件，并且采用了带有法拉第旋转镜的反射式相位调制器，使结构变得更加简单，降低了成本；同时本发明采用π/2相位调制法，可以直接通过采点分离出两路正交信号，而不需要通过一般的与参考信号混频滤波处理，简化了算法复杂度，降低了相位噪声，使系统的适用性更强。

Description

一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置
技术领域
本发明属于水听器信号解调技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置。
背景技术
声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，而水听器则是海洋中检测声波信号的基本器件。光纤水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐水下恶劣环境等特点，随着海洋科学的发展，大规模和小型化已成为光纤水听器阵列发展的重要方向。然而随着应用的深入，传统的光纤水听器阵列体现出了它的局限性，主要体现在传统的水听器阵列结构复杂、可检测的动态范围小、解调算法比较复杂等，所以寻求一种简单易行、可靠性高的系统结构已成为大规模小型化光纤水听器阵列发展必须解决的问题。
传统的光纤水听器阵列系统采用波分复用、时分复用及时分和波分混合复用方案实现了基元数的成倍增长，再通过解调算法得到外界扰动信号所带来的相位信息。一般的解调方案有3×3耦合器法、PGC(相位产生载波技术)法和外差法等，不同的解调方案会得到不同的灵敏度和动态范围等对于光纤水听器阵列来说非常重要的指标参数，但这些解调方案都会在解调终端与参考信号进行混频来得到两路正交信号，再通过DCM(方向余弦矩阵)算法或反正切算法得到所求的相位信息。无疑这些方法解调结构较复杂，解调算法也比较臃肿，影响了光纤水听器阵列系统的性能。
公开号为CN106052843A的专利提出了一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调方法，包括窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光纤延时环、第二耦合器、第一环形器、第二环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、参考探头和水听器传感阵列；传感阵列采用并联结构，脉冲光通过延时环分时进入阵列的各个探头，产生传感光信号，参考探头用于产生参考光信号，传感光信号与参考光信号经光电探测器采集后变为模拟电信号，通过信号解调模块分别对其进行模数转换，并由反正切算法，解调出传感阵列感知的水声信号。然而，该专利技术方案结构比较复杂，引入了参考信号，并且解调算法中还需进行混频滤波处理，提高了相位噪声，增加了解调算法的复杂度。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，该装置系统利用匹配干涉仪中的相位调制器引入π/2相位方波信号，从而利用该方波信号的正交性，对干涉信号进行采样得到两路正交信号继而求出所需的传感信息。
一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，包括：激光器、光脉冲调制器、环形器、光纤光栅水听器阵列、感应线圈、迈克尔逊匹配干涉仪、光电探测器以及模数转换器；其中：
所述激光器用于发射连续的相干光，该连续的相干光经所述光脉冲调制器强度调制后得到一连串的第一周期光脉冲；
所述光纤光栅水听器阵列由多个光纤布拉格光栅依次排列组成，相邻两个光纤布拉格光栅组合构成一个法布里-珀罗腔，所述感应线圈对应嵌设于每个法布里-珀罗腔中，外部传感信号通过感应线圈作用于法布里-珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化，由此所述第一周期光脉冲经过环形器进入光纤光栅水听器阵列后返回一连串带有相位信息的第二周期光脉冲；
反射回的第二周期光脉冲经过所述环形器进入迈克尔逊匹配干涉仪中，所述迈克尔逊匹配干涉仪由光耦合器、光纤、带有法拉第旋转镜D1的反射式相位调制器以及法拉第旋转镜D2组成，其中光耦合器与光纤以及反射式相位调制器所连接的光路作为干涉仪的长臂，光耦合器与法拉第旋转镜D2所连接的光路作为干涉仪的短臂；所述光耦合器用于将第二周期光脉冲平均分配至干涉仪的两臂，所述光纤用于对进入长臂的光脉冲信号进行延时，所述反射式相位调制器用于将π/2相位的方波信号调制到延时后的光脉冲信号中并经法拉第旋转镜D1进行反射，分别经法拉第旋转镜D1和D2反射回的两路光脉冲信号在所述光耦合器中进行干涉形成第三周期干涉光；
所述光电探测器用于将第三周期干涉光转换成电信号，所述模数转换器用于采集该电信号并进行取点处理后得到两路正交信号，进而通过DCM算法或反正切算法得到最终的解调信息。
进一步地，所述激光器采用窄线宽大功率半导体激光器，其输出光为相干光，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。
进一步地，所述光脉冲调制器采用宽带声光调制器或宽带电吸收调制器。
进一步地，所述激光器与光纤布拉格光栅之间以及光纤布拉格光栅相互之间波长匹配且失配量在50pm以内，以保持良好的光强和干涉条纹可见度。
进一步地，所述光纤光栅水听器阵列中各光纤布拉格光栅的反射率由近及远依次增大，以使得后一个光栅返回的光强与前一个光栅返回的光强相当。
进一步地，所述法拉第旋转镜D1与波导直接相连且嵌设于反射式相位调制器的末端。
所述环形器采用宽带光环形器，所述光耦合器采用3dB耦合器，所述光电探测器采用宽带光电探测器，所述光纤采用普通单模光纤，所述模数转换器采用24位高速采集卡。
本发明采用光纤光栅作为水听器的组成器件，并且采用了带有法拉第旋转镜的反射式相位调制器，使结构变得更加简单，降低了成本；同时本发明采用π/2相位调制法，可以直接通过采点分离出两路正交信号，而不需要通过一般的与参考信号混频滤波处理，简化了算法复杂度，降低了相位噪声，使系统的适用性更强。
附图说明
图1为本发明相位调制解调装置的结构示意图。
图2为本发明装置系统中各信号的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置包括：激光器1、光脉冲调制器2、环形器3、信号控制器4、光纤布拉格光栅51～53、感应线圈61～62、光耦合器7、光纤8、带有法拉第旋转镜的反射式相位调制器9、法拉第旋转镜10、光电探测器11以及模数转换器12；其中：激光器1发射连续光经光脉冲调制器2强度调制后得到一连串的第一周期脉冲光，经过环形器3输入到由光纤布拉格光栅51～53组成的水听器阵列中；由于光纤布拉格光栅51～53具有反射与透射的特性，一部分光反射回来，另一部分光透射到下一光纤光栅5中，阵列中的光纤布拉格光栅两两组合构成法布里-珀罗腔，外界传感信号通过感应线圈61～62作用于法布里-珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化；由此水听器阵列返回一连串带有相位信息的第二周期脉冲光并通过环形器3输入到由光耦合器7、光纤8、反射式相位调制器9和法拉第旋转镜10构成的迈克尔逊匹配干涉仪中，经过不同的延时且一路调制上π/2方波信号后返回两路光信号经过干涉得到第三周期脉冲干涉光；第三周期脉冲干涉光通过光电探测器11转换为电信号并由模数转换器12采集数据进行取点处理得到两路正交信号，最后通过DCM算法或反正切算法得到最终的解调信息。
本实施方式中，激光器1采用窄线宽大功率半导体激光器，其输出光为相干光，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。
光脉冲调制器2采用宽带声光调制器或宽带电吸收调制器，用于对连续的激光信号进行强度调制产生第一周期脉冲光信号。
环形器3采用宽带光环形器，用于将第一周期光脉冲信号输入到水听器阵列中，同时将从水听器阵列返回的第二周期光脉冲信号输入到干涉仪中。
激光器1与光纤布拉格光栅51～53以及光纤布拉格光栅51～53相互之间波长匹配，失配量要控制在50pm以内，以保持良好的光强和干涉条纹可见度。
光纤布拉格光栅51～53采用波长与激光器1一致的宽带光栅，用于构成长度一致的法布里-珀罗腔，通过光栅反射与透射的特性，分离出间隔相同的光脉冲，防止水听器阵列匹配干涉光强减弱、干涉条纹可见度降低，提高系统探测性能。
光纤布拉格光栅51～53的反射率由近端及远端依次增大，以使得后一个光栅如52返回的光强与光栅51返回的光强相当，各光栅反射率依次为R51≈5.6％，R52≈6.2％，R53≈7.3％......
感应线圈61～62嵌在法布里-珀罗腔中，外界信号通过感应线圈引起腔长的变化，进而引起光相位的变化。
光耦合器7采用3dB耦合器，用于将返回的第二周期光脉冲信号平均分配到干涉仪两臂中；光纤8为普通单模光纤，用于对匹配干涉仪一臂中的信号进行延时；反射式相位调制器9用于将π/2方波信号调制到光脉冲信号中，经幅度为二分之一半波电压的方波调制后，光相位变化幅度为π/2，反射式相位调制器9末端嵌入与波导相连的法拉第旋转镜用来反射已调制的光脉冲信号。
光电探测器11采用宽带光电探测器，用于将干涉后的光脉冲信号转换为电信号；模数转换器12采用24位高速采集卡，用于对拍频后的电信号进行采样，得到待处理的数字信号。
本实施方式的工作原理如下：
以一个FBG-FP腔为例，假设激光器输出光被脉冲调制器调制后的信号为E1(t)：
E1(t)＝Aexp[jw0t+φ(t)] (1)
其中A为调制后信号的幅度，w0为调制后信号的角频率，φ(t)为环境、器件等引起的噪声。
经过第一个光纤光栅返回后的信号为E2(t)，经过第二个光纤光栅返回后的信号为E3(t)：
其中B1为第一个光栅返回信号的幅度，B2为第二个光栅返回信号的幅度，p1(t)为第一个FBG-FP腔引入的外界传感信号。
再经过迈克尔逊匹配干涉仪，先返回的脉冲信号E2(t)经过长臂后的信号为E4(t)，后返回的脉冲信号E3(t)经过短臂后的信号为E5(t)：
其中C1、C2为信号的幅度，τ为延迟光纤引起的时延，为相位调制器引入的方波信号。
其中，fm为调制方波信号的频率。因为调制方波相位的峰值为π/2，因此称之为π/2方波相位调制。为了得到式(4)所示的相位调制信号，输入到相位调制器的电压信号为：
匹配干涉仪中的两路光信号在耦合器进行干涉，因为匹配干涉仪长臂中的脉冲光调制相位的变化，光电探测器输出的干涉信号也将随之变化，输出信号为：
其中φn(t)为干涉光中存在的总相位干扰，m为干涉输出直流量，n为干涉输出交流量，将式(6)所示信号送入高速采集卡进行采集，为保证每个采样数据点都落在相位调制信号每个方波电平的中间时刻，即在时刻，需要驱动相位调制器的方波信号和控制数据采集卡的采样触发信号来自同一个信号源。因此，可以将采样触发信号经过二分频以后驱动相位调制器，并将其上升沿或者下降沿用于数据采样触发。
再将式(4)式代入式(6)，可以得到：
其中m可以通过隔直滤波器滤除，φn(t)可以通过高通滤波器滤除，这样就可以得到两路正交信号，最终通过反正切或DCM算法得到外界传感信号带来的相移量。
具体信号波形如图2所示，设法布里-珀罗腔长为31m，则匹配干涉仪延迟光纤长为62m，根据：
其中，k为光纤折射率且取值为1.45，L为延迟光纤长度，c为光速取值为2.998×108m/s，求得延迟时间τ为300ns，即图2中的T4。取光脉冲调制信号单个脉冲持续时间T2为200ns，方波相位调制信号调制频率为10M，占空比为0.5，即单个方波信号宽度T3为50ns。此时每个光脉冲包络包含两周期相位调制方波信号，取采样频率为20MHz，通过采集卡采点并对采到的点进行处理即可方便算出外界扰动信号带来的相位偏移。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，其特征在于：包括激光器、光脉冲调制器、环形器、光纤光栅水听器阵列、感应线圈、迈克尔逊匹配干涉仪、光电探测器以及模数转换器；其中：
所述激光器用于发射连续的相干光，该连续的相干光经所述光脉冲调制器强度调制后得到一连串的第一周期光脉冲；
所述光纤光栅水听器阵列由多个光纤布拉格光栅依次排列组成，相邻两个光纤布拉格光栅组合构成一个法布里-珀罗腔，所述感应线圈对应嵌设于每个法布里-珀罗腔中，外部传感信号通过感应线圈作用于法布里-珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化，由此所述第一周期光脉冲经过环形器进入光纤光栅水听器阵列后返回一连串带有相位信息的第二周期光脉冲；
反射回的第二周期光脉冲经过所述环形器进入迈克尔逊匹配干涉仪中，所述迈克尔逊匹配干涉仪由光耦合器、光纤、带有法拉第旋转镜D1的反射式相位调制器以及法拉第旋转镜D2组成，其中光耦合器与光纤以及反射式相位调制器所连接的光路作为干涉仪的长臂，光耦合器与法拉第旋转镜D2所连接的光路作为干涉仪的短臂；所述光耦合器用于将第二周期光脉冲平均分配至干涉仪的两臂，所述光纤用于对进入长臂的光脉冲信号进行延时，所述反射式相位调制器用于将π/2相位的方波信号调制到延时后的光脉冲信号中并经法拉第旋转镜D1进行反射，分别经法拉第旋转镜D1和D2反射回的两路光脉冲信号在所述光耦合器中进行干涉形成第三周期干涉光；
所述光电探测器用于将第三周期干涉光转换成电信号，所述模数转换器用于采集该电信号并进行取点处理后得到两路正交信号，进而通过DCM算法或反正切算法得到最终的解调信息。
2.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述激光器采用窄线宽大功率半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述光脉冲调制器采用宽带声光调制器或宽带电吸收调制器。
4.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述激光器与光纤布拉格光栅之间以及光纤布拉格光栅相互之间波长匹配且失配量在50pm以内。
5.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述光纤光栅水听器阵列中各光纤布拉格光栅的反射率由近及远依次增大，以使得后一个光栅返回的光强与前一个光栅返回的光强相当。
6.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述法拉第旋转镜D1与波导直接相连且嵌设于反射式相位调制器的末端。
7.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述环形器采用宽带光环形器。
8.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述光耦合器采用3dB耦合器。
9.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述光电探测器采用宽带光电探测器。
10.根据权利要求1所述的相位调制解调装置，其特征在于：所述光纤采用普通单模光纤。
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