CN109211394B - 一种调制解调器及光纤激光水听器 - Google Patents

一种调制解调器及光纤激光水听器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种调制解调器及光纤激光水听器，属于光纤传感领域技术领域。所述调制解调装置包括调制系统和解调系统，所述调制系统包括耦合器6、第一声光调制器5、光纤环4、第一法拉第旋转镜3、第二声光调制器22、第二法拉第旋转镜23及光电探测器8；本发明避免了光纤激光水听器在接收大能量水声信号时出现饱和现象，提高了水听器的应用范围，且调制产生的干涉信号数学形式简洁，有利于后续水声信号处理。

Description

一种调制解调器及光纤激光水听器
技术领域
本发明涉及一种调制解调器及光纤激光水听器，属于光纤传感领域技术领域。
背景技术
光纤激光水听器作为一种新型水听器，由于其直径细、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，受到了水听器领域的广泛关注。光纤激光水听器利用有源光栅作为敏感单元，当声波作用水听器上时，有源光栅的反射波长产生正比于声压大小的移动，只要通过检测波长的变化量就可以反应出外界声压的信号特征，所以波长解调技术直接影响水声信号的检测质量和精度。
目前光纤激光水听器最常用的波长检测方法是干涉测量法，即利用非平衡光纤干涉仪将有源光纤光栅反射波长的位移转换为干涉相位的变化，再通过光电探测器得到含有相位变化信息的干涉强度输出。比如常见的相位载波法(PGC)，如图1所示，光纤激光水听器返回的激光经过980/1550nmWDM进入1550nm隔离器后再进入2×2耦合器与反射镜构成的非平衡迈克尔逊干涉仪，通过PZT(压电陶瓷)对短臂信号的调制产生单频ω0的调制信号，调制后的信号在2×2耦合器干涉后通过光电探测器进入数字解调系统，经过运算后得到水声信息。
然而，由于PZT的自身特性致使调制频率ω0较低，根据PGC解调的原理，解调信号的输出动态范围与调制频率ω0的大小直接相关，当水听器灵敏度较高时，采用目前的PZT调制方式难以获得较大的输出动态范围，当信号较大时很容易产生饱和现象，影响了光纤激光水听器的应用场合，同时图1所示的解调方案会产生较大的二次谐波，不利于后续信号的处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种调制解调器及光纤激光水听器，避免了光纤激光水听器在接收大能量水声信号时出现饱和现象，提高了水听器的应用范围，且调制产生的干涉信号数学形式简洁，有利于后续水声信号处理。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种调制解调装置，包括调制系统和解调系统，所述调制系统包括：
耦合器6、第一声光调制器5、光纤环4、第一法拉第旋转镜3、第二声光调制器22、第二法拉第旋转镜23及光电探测器8；
波长为λ的激光经过所述耦合器6分光为两路频率为f的光，一路所述频率为f的光经过所述第一声光调制器5调制成频率为f+f1的光，所述频率为f+f1的光经所述光纤环4后再通过所述第一法拉第旋转镜3按原光路返回得到频率为f+2f1的光，另一路所述频率为f的光经过所述第二声光调制器22调制成频率为f+f2的光，所述频率为f+f2的光通过所述第二法拉第旋转镜23按原光路返回得到频率为f+2f2的光，返回的两路光进入所述耦合器6在所述耦合器6处进行干涉，干涉后的光信号进入所述光电探测器8进行光电转换后得到电信号，所述电信号进入所述解调系统进行解调运算。
在一可选实施例中，所述解调系统包括第一乘法器9、第一低通滤波器10、第一微分器11、第二乘法器19、第三乘法器12、第二低通滤波器18、第二微分器17和第四乘法器16、减法器13、积分器14和高通滤波器15；
所述电信号分成两路分别进入所述第一乘法器9和所述第二乘法器19；
其中一路所述电信号和频率为4*f0的信号在所述第一乘法器9中混频后通过所述第一低通滤波器10滤除高频信号，从所述第一低通滤波器10输出的信号分成两路，一路经过所述第一微分器11后进入所述第三乘法器12，另一路直接进入所述第四乘法器16；
另一路所述电信号和频率为2*f0的信号在所述第二乘法器19中混频后通过所述第二低通滤波器18滤除高频信号，从所述第二低通滤波器18输出的信号分成两路，一路经过所述第二微分器17后进入所述第四乘法器16，另一路直接进入所述第三乘法器12；
进入所述第三乘法器12的两路信号混频后进入所述减法器13，进入所述第四乘法器16的两路信号混频后也进入所述减法器13，进入所述减法器13的两路信号相减后进入所述积分器14进行积分运算，积分运算后的信号经过所述高通滤波器15滤出低频干扰和直流量后得到水声信号；
其中，f0为f1与f2的差频信号。
在一可选实施例中，所述的一种调制解调装置，还包括声光调制器驱动21用于为所述第一声光调制器5提供频率为2*f1的驱动信号，为所述第二声光调制器22提供频率为2*f2的驱动信号，并将f1与f2的差频信号f0提供给所述解调系统。
在一可选实施例中，λ为1550nm。
在一可选实施例中，f1MHz与f2的差值为0.1-0.5MHz。
一种光纤激光水听器，包括探头和调制解调装置，所述探头用于返回波长为λ的激光，所述调制解调装置包括调制系统和解调系统，所述调制系统包括：
耦合器6、第一声光调制器5、光纤环4、第一法拉第旋转镜3、第二声光调制器22、第二法拉第旋转镜23及光电探测器8；
所述波长为λ的激光经过所述耦合器6分光为两路频率为f的光，一路所述频率为f的光经过所述第一声光调制器5调制成频率为f+f1的光，所述频率为f+f1的光经所述光纤环4后再通过所述第一法拉第旋转镜3按原光路返回得到频率为f+2f1的光，另一路所述频率为f的光经过所述第二声光调制器22调制成频率为f+f2的光，所述频率为f+f2的光通过所述第二法拉第旋转镜23按原光路返回得到频率为f+2f2的光，返回的两路光进入所述耦合器6在所述耦合器6处进行干涉，干涉后的光信号进入所述光电探测器8进行光电转换后得到电信号，所述电信号进入所述解调系统进行解调运算。
在一可选实施例中，一种光纤激光水听器还包括泵浦光源1、波分复用器2和光隔离器7，所述泵浦光源1用于输出波长为λ0的泵浦光，所述泵浦光经所述波分复用器2后进入所述探头以使所述探头返回波长为λ的激光，所述波长为λ的激光经所述波分复用器2后进入所述光隔离器7，从所述光隔离器7后进入所述耦合器6。
在一可选实施例中，λ为1550nm。
在一可选实施例中，λ0为980nm。
在一可选实施例中，所述解调系统包括第一乘法器9、第一低通滤波器10、第一微分器11、第二乘法器19、第三乘法器12、第二低通滤波器18、第二微分器17和第四乘法器16、减法器13、积分器14和高通滤波器15；
所述电信号分成两路分别进入所述第一乘法器9和所述第二乘法器19；
其中一路所述电信号和频率为4*f0的信号在所述第一乘法器9中混频后通过所述第一低通滤波器10滤除高频信号，从所述第一低通滤波器10输出的信号分成两路，一路经过所述第一微分器11后进入所述第三乘法器12，另一路直接进入所述第四乘法器16；
另一路所述电信号和频率为2*f0的信号在所述第二乘法器19中混频后通过所述第二低通滤波器18滤除高频信号，从所述第二低通滤波器18输出的信号分成两路，一路经过所述第二微分器17后进入所述第四乘法器16，另一路直接进入所述第三乘法器12；
进入所述第三乘法器12的两路信号混频后进入所述减法器13，进入所述第四乘法器16的两路信号混频后也进入所述减法器13，进入所述减法器13的两路信号相减后进入所述积分器14进行积分运算，积分运算后的信号经过所述高通滤波器15滤出低频干扰和直流量后得到水声信号；
其中，f0为f1与f2的差频信号。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明实施例提供的调制解调装置采用双AOM差频信号作为非平衡干涉仪的的调制信号，充分利用了AOM调制频率高的特点，通过提高调制频率提高系统的动态范围上限，避免了光纤激光水听器在接收大能量水声信号时出现饱和现象，提高了水听器的应用范围；
(2)、双AOM差频信号进行信号调制，经过迈克尔逊非平衡干涉仪干涉后产生的干涉信号不同于现有PZT调制方式产生的干涉信号，数学形式简洁，有利于后续水声信号处理；
(3)、采用AOM作为信号调制单元，克服了现有技术中PZT调制频率稳定度低，频率不稳定，易受干扰的缺陷，在工程实际应用中，具有更好的可靠性。
附图说明
图1为现有技术提供的用于光纤激光水听器的PGC调制解调方法原理图；
图2为本发明实施例提供的光纤激光水听器调制解调方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
参见图2，本发明实施例提供了一种调制解调装置，包括调制系统和解调系统，用于光纤激光水听器，所述调制系统包括：耦合器6、第一声光调制器(AOM)5、光纤环4、第一法拉第旋转镜3、第二AOM22、第二法拉第旋转镜23及光电探测器8；
如图1所示，从光纤激光水听器探头返回的波长为λ的激光经过所述耦合器6分光为两路频率为f的光，一路所述频率为f的光经过所述第一AOM5调制成频率为f+f1的光，所述频率为f+f1的光经所述光纤环4后再通过所述第一法拉第旋转镜3按原光路返回得到频率为f+2f1的光，另一路所述频率为f的光经过所述第二AOM22调制成频率为f+f2的光，所述频率为f+f2的光通过所述第二法拉第旋转镜23按原光路返回得到频率为f+2f2的光，返回的两路光进入所述耦合器6在所述耦合器6处进行干涉，干涉后的光信号进入所述光电探测器8进行光电转换后得到电信号，所述电信号进入所述解调系统进行解调运算。本发明实施例中，λ优选1550nm波段。
本发明实施例提供的调制解调装置采用双AOM差频信号作为非平衡干涉仪的的调制信号，充分利用了AOM调制频率高的特点，通过提高调制频率提高系统的动态范围上限，避免了光纤激光水听器在接收大能量水声信号时出现饱和现象，提高了水听器的应用范围；双AOM差频信号进行信号调制，经过迈克尔逊非平衡干涉仪干涉后产生的干涉信号不同于现有PZT调制方式产生的干涉信号，数学形式简洁，有利于后续水声信号处理；采用AOM作为信号调制单元，克服了现有技术中PZT调制频率稳定度低，频率不稳定，易受干扰的缺陷，在工程实际应用中，具有更好的可靠性。
在一可选实施例中，所述解调系统包括第一乘法器9、第一低通滤波器10、第一微分器11、第二乘法器19、第三乘法器12、第二低通滤波器18、第二微分器17和第四乘法器16、减法器13、积分器14和高通滤波器15；
所述电信号分成两路分别进入所述第一乘法器9和所述第二乘法器19；其中一路所述电信号和频率为4*f0的信号在所述第一乘法器9中混频后通过所述第一低通滤波器10滤除高频信号，从所述第一低通滤波器10输出的信号分成两路，一路经过所述第一微分器11后进入所述第三乘法器12，另一路直接进入所述第四乘法器16；另一路所述电信号和频率为2*f0的信号在所述第二乘法器19中混频后通过所述第二低通滤波器18滤除高频信号，从所述第二低通滤波器18输出的信号分成两路，一路经过所述第二微分器17后进入所述第四乘法器16，另一路直接进入所述第三乘法器12；进入所述第三乘法器12的两路信号混频后进入所述减法器13，进入所述第四乘法器16的两路信号混频后也进入所述减法器13，进入所述减法器13的两路信号相减后进入所述积分器14进行积分运算，积分运算后的信号经过所述高通滤波器15滤出低频干扰和直流量后得到水声信号；其中，f0为f1与f2的差频信号。
在一可选实施例中，所述的调制解调装置还包括声光调制器驱动21用于为所述第一AOM5提供频率为2*f1的驱动信号，为所述第二AOM22提供频率为2*f2的驱动信号，并将f1与f2的差频信号f0提供给所述解调系统。
在一可选实施例中，f1与f2的差值优选0.1-0.5MHz，以提高后续数据处理效率；在一具体实施例中，f1为70MHz，f2为70.5MHz，f1与f2的差频信号f0为500kHz，采用f0作为调制频率，充分利用了AOM调制频率高的特点，通过提高调制频率提高系统的动态范围上限，避免了光纤激光水听器在接收大能量水声信号时出现饱和现象，提高了水听器的应用范围。
本发明实施例还提供了一种光纤激光水听器，包括探头和调制解调装置，所述探头用于返回波长为λ的激光，所述调制解调装置包括调制系统和解调系统，所述调制系统包括：
耦合器6、第一AOM5、光纤环4、第一法拉第旋转镜3、第二AOM22、第二法拉第旋转镜23及光电探测器8；
所述波长为λ的激光经过所述耦合器6分光为两路频率为f的光，一路所述频率为f的光经过所述第一AOM5调制成频率为f+f1的光，所述频率为f+f1的光经所述光纤环4后再通过所述第一法拉第旋转镜3按原光路返回得到频率为f+2f1的光，另一路所述频率为f的光经过所述第二AOM22调制成频率为f+f2的光，所述频率为f+f2的光通过所述第二法拉第旋转镜23按原光路返回得到频率为f+2f2的光，返回的两路光进入所述耦合器6在所述耦合器6处进行干涉，干涉后的光信号进入所述光电探测器8进行光电转换后得到电信号，所述电信号进入所述解调系统进行解调运算。
在一可选实施例中，所述光纤激光水听器还包括泵浦光源1、波分复用器2和光隔离器7，所述泵浦光源1用于输出波长为λ0的泵浦光，所述泵浦光经所述波分复用器2后进入所述探头以使所述探头返回波长为λ的激光，所述波长为λ的激光经所述波分复用器2后进入所述光隔离器7，从所述光隔离器7后进入所述耦合器6，以避免泵浦光与返回光互相干扰。在一可选实施例中，λ为1550nm，λ0为980nm。
在一可选实施例中，所述解调系统包括第一乘法器9、第一低通滤波器10、第一微分器11、第二乘法器19、第三乘法器12、第二低通滤波器18、第二微分器17和第四乘法器16、减法器13、积分器14和高通滤波器15；所述电信号分成两路分别进入所述第一乘法器9和所述第二乘法器19；其中一路所述电信号和频率为4*f0的信号在所述第一乘法器9中混频后通过所述第一低通滤波器10滤除高频信号，从所述第一低通滤波器10输出的信号分成两路，一路经过所述第一微分器11后进入所述第三乘法器12，另一路直接进入所述第四乘法器16；另一路所述电信号和频率为2*f0的信号在所述第二乘法器19中混频后通过所述第二低通滤波器18滤除高频信号，从所述第二低通滤波器18输出的信号分成两路，一路经过所述第二微分器17后进入所述第四乘法器16，另一路直接进入所述第三乘法器12；进入所述第三乘法器12的两路信号混频后进入所述减法器13，进入所述第四乘法器16的两路信号混频后也进入所述减法器13，进入所述减法器13的两路信号相减后进入所述积分器14进行积分运算，积分运算后的信号经过所述高通滤波器15滤出低频干扰和直流量后得到水声信号；其中，f0为f1与f2的差频信号。
本发明实施例提供的光纤激光水听器所用调制解调装置由上述装置实施例提供，具体描述及效果参见装置实施例。
以下为本发明的一个具体实施例：
如图2所示，本实施例提供了一种光纤激光水听器，包括泵浦光源1、980nm/1550nm波分复用器2、光纤激光水听器探头、光隔离器7及调制解调装置；980nm泵浦光源1输出的泵浦光通过980nm/1550nm波分复用器2进入光纤激光水听器探头，光纤水听器探头在泵浦光的作用下返回1550nm波长的激光经过980nm/1550nm波分复用器2后经过光隔离器7，然后经过耦合器6分光为两路，一路光经过第一AOM5、光纤环4后在通过第一法拉第旋转镜3按原光路返回到耦合器6，另一路光经过第二AOM22后通过第二法拉第旋转镜23按原光路返回到耦合器6，两路光在耦合器6处进行干涉，干涉后的信号进入光电探测器8进行光电转换后进入解调系统进行解调运算；声光调制器驱动21为第一AOM5和第二AOM22提供频率为2*f1和2*f2的驱动信号，同时将2*f1与2*f2的差频信号2*f0提供给解调系统；解调系统将光电探测器8输入的信号分成两路分别送入第一乘法器9和第二乘法器19，将声光调制器驱动21送入的信号经过第一二倍频器20后转化为频率f(2*f0)后分成两路，一路送入第二乘法器19，另一路信号经过第二二倍频器24转化为频率2f后送入第一乘法器9；经过第一乘法器9和第二乘法器19混频后的信号分别通过第一低通滤波器10和第二低通滤波器18滤除高频信号；第一低通滤波器10输出的信号分成两路，一路经过第一微分器11后送入第三乘法器12，另一路直接送入第四乘法器16；第二低通滤波器18输出的信号分成两路，一路经过第二微分器17后送入第四乘法器16，另一路直接送入第三乘法器12；第三乘法器12和第四乘法器16输出的信号进入减法器13进行相减运算，减法器13输出的信号经过积分器14进行积分运算，积分运算后的信号经过高通滤波器15滤出低频干扰和直流量后即可得到水声信号。
对比附图1和附图2，本发明与现有PZT调制方案的具体工作原理分别分析如下：
对于图1所示方案，由法拉第旋转镜、耦合器和光纤构成非平衡迈克尔逊干涉仪，通过PZT进行信号调制；迈克尔逊干涉仪一臂绕在PZT上，PZT振动引起光纤的长度变化为：
Figure BDA0001847984200000105
干涉仪输出的干涉信号可以表示为：
Figure BDA0001847984200000101
其中A，B由光强及光电探测器的转换效率决定，
Figure BDA0001847984200000102
为干涉仪内载波的调制幅度，
Figure BDA0001847984200000103
包含待测传感信号和环境扰动的相位信息。(2)式便是基于PZT利用PGC的方法在干涉系统中得到的待解调量的表达式。
对于图2所示的方案(本发明)，由第一法拉第旋转镜3、第二法拉第旋转镜23、耦合器6和光纤构成非平衡迈克尔逊干涉仪，通过第一AOM5和第二AOM22进行信号调制。耦合器6输出的两路光频为f的光经过第一AOM5和第二AOM22后分别产生一次调制，调制后的两路光的频率分别变为f+f1和f+f2，然后两路光通过法拉第旋转镜反射后再次经过第一AOM5和第二AOM22进行二次调制，调制后的光频分别为f+2*f1和f+2*f2，两路光在耦合器6处发生干涉，此时干涉仪输出的干涉信号可以表示为：
Figure BDA0001847984200000104
其中，f0为f1与f2的差频信号，对比(2)式和(3)式，PZT与AOM调制干涉后的信号形式是不同的，对比式(3)和式(2)，(3)式中括号内的高频项只是常数和频率的乘积，不同于(2)式中的高频项是一个余弦函数，这位后续信号解调提供了更多的选择，便于根据需求调整解调方案，这为后续信号解调提供了便利。
干涉仪输出的干涉信号式经过光电探测器8后进入解调系统的形式可以表示为:
V＝Acos(2πf′t+φ(t)) (4)
φ(t)＝Dcos(2πfst+φ0) (5)
其中，V为光电探测器输出的电信号，A为干涉信号的幅度，f′为调制信号频率，φ(t)是外界声信号的形式，D表示声信号的幅度，fs为声信号的频率，φ0为声信号的初始相位。
调制信号频率f′决定的动态范围的上限可根据卡森准则来推导，有效谐波带宽E和信号瞬时频率的峰值dfp以及声信号的频率fs有关，可以表示为：
E＝2(dfp+fs) (6)
Figure BDA0001847984200000111
那么
E＝2(D·fs+fs) (8)
有效谐波频率最大不能超过外差的频率，这个关系用有效谐波带宽表示为：
E＝2(D·fs+fs)≤2f′ (9)
由此式可知由载波频率决定的动态范围的上限可以表示为：
Figure BDA0001847984200000112
(4)式中调制信号频率f′分别对应PZT方案中的f3(见公式1)和本发明方案中的2f0(见公式3)，本发明方案中采用AOM替代传统的压电陶瓷来产生调制信号，利用双AOM产生的调制信号频率可以在几十万赫兹甚至兆赫兹以上，远远高于PZT产生的调制频率(PZT一般最高在几万赫兹)，所以AOM可以大大提高了系统的载波频率，使其能够解调更大幅值的水声信号，光纤激光水听器系统的动态范围得到较大幅度的提高，从而提高了光纤激光水听的应用范围。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种调制解调装置，包括调制系统和解调系统，其特征在于，
调制系统包括：耦合器(6)、第一声光调制器(5)、光纤环(4)、第一法拉第旋转镜(3)、第二声光调制器(22)、第二法拉第旋转镜(23)及光电探测器(8)；其中，波长为λ的激光经过所述耦合器(6)分光为两路频率为f的光，一路所述频率为f的光经过所述第一声光调制器(5)调制成频率为f+f1的光，所述频率为f+f1的光经所述光纤环(4)后再通过所述第一法拉第旋转镜(3)按原光路返回得到频率为f+2f1的光，另一路所述频率为f的光经过所述第二声光调制器(22)调制成频率为f+f2的光，所述频率为f+f2的光通过所述第二法拉第旋转镜(23)按原光路返回得到频率为f+2f2的光，返回的两路光进入所述耦合器(6)在所述耦合器(6)处进行干涉，干涉后的光信号进入所述光电探测器(8)进行光电转换后得到电信号，所述电信号进入所述解调系统进行解调运算；
解调系统包括：第一乘法器(9)、第一低通滤波器(10)、第一微分器(11)、第二乘法器(19)、第三乘法器(12)、第二低通滤波器(18)、第二微分器(17)和第四乘法器(16)、减法器(13)、积分器(14)和高通滤波器(15)；其中，所述电信号分成两路分别进入所述第一乘法器(9)和所述第二乘法器(19)；其中一路所述电信号和频率为4*f0的信号在所述第一乘法器(9)中混频后通过所述第一低通滤波器(10)滤除高频信号，从所述第一低通滤波器(10)输出的信号分成两路，一路经过所述第一微分器(11)后进入所述第三乘法器(12)，另一路直接进入所述第四乘法器(16)；另一路所述电信号和频率为2*f0的信号在所述第二乘法器(19)中混频后通过所述第二低通滤波器(18)滤除高频信号，从所述第二低通滤波器(18)输出的信号分成两路，一路经过所述第二微分器(17)后进入所述第四乘法器(16)，另一路直接进入所述第三乘法器(12)；进入所述第三乘法器(12)的两路信号混频后进入所述减法器(13)，进入所述第四乘法器(16)的两路信号混频后也进入所述减法器(13)，进入所述减法器(13)的两路信号相减后进入所述积分器(14)进行积分运算，积分运算后的信号经过所述高通滤波器(15)滤出低频干扰和直流量后得到水声信号；
调制解调装置还包括：声光调制器驱动(21)；其中，声光调制器驱动(21)用于为所述第一声光调制器(5)提供频率为2*f1的驱动信号，为所述第二声光调制器(22)提供频率为2*f2的驱动信号，并将f1与f2的差频信号f0提供给所述解调系统；
λ为1550nm；
f1与f2的差值为0.1-0.5MHz。
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