CN109708743B - 一种干涉式光纤水听器探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤测量技术领域，公开了一种干涉式光纤水听器探测系统，包括：光源调制单元、功率均衡单元、信号探测传感单元、信号处理单元；信号探测传感单元包括分波器、水听器阵列、波分复用器；水听器阵列包括多条水听器基元阵列，每条水听器基元阵列包含多个水听器和两个光纤聋探头。本发明解决了现有技术中水听器探测系统难以保证光学均衡、制造成本和难度较大的问题，能够实现光学均衡，降低水听器系统的制造成本和制造难度。

Description

一种干涉式光纤水听器探测系统

技术领域

本发明涉及光纤测量技术领域，尤其涉及一种干涉式光纤水听器探测系统。

背景技术

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。通过较传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高，可以探测微弱信号；抗电磁干扰和信号串扰能力强，可以远距离传输；体积小，易于布放实施，且收放容易，高可靠性，并且大规模组网等特点。光纤水听器对空间信号进行测量，通过对每个固定位置上的水听器测量的声信号进行信号处理，确定声源位置，实现水下探测，水下目标侦测，水下/水面目标辐射噪声测量，并应用与水下安防，地震预测，海洋石油和天然气勘探等领域，为港口防护、水声情报搜集以及目标探测提供技术支撑。

目前在大规模光纤水听器阵列组装过程中，面临的最大困难是当系统中存在数以千计的大量器件时，涉及到多通路的光信号探测和复杂的信号处理，很难保证系统的光学均衡，光学系统的失衡，将影响系统的探测性能。此外，在实现远距离、大规模传输时传播损耗较大，需要对输入传感阵列的探测光信号和传感阵列传回的携带信息的光信号进行功率放大，对平衡要求提高，将大幅度增加系统的制造成本和制造难度。

发明内容

本申请实施例通过提供一种干涉式光纤水听器探测系统，解决了现有技术中水听器探测系统难以保证光学均衡、制造成本和难度较大的问题。

本申请实施例提供一种干涉式光纤水听器探测系统，包括：光源调制单元、功率均衡单元、信号探测传感单元、信号处理单元；

所述光源调制单元、所述功率均衡单元、所述信号探测传感单元、所述信号处理单元依次连接；

所述信号探测传感单元包括分波器、水听器阵列、波分复用器，所述水听器阵列的输入端与所述分波器连接，所述水听器阵列的输出端与所述波分复用器连接；

所述水听器阵列包括多条水听器基元阵列，每条所述水听器基元阵列包含多个水听器和两个光纤聋探头。

优选的，所述光纤聋探头包括迈克尔逊干涉仪、支撑刚体、双层空气腔；

所述迈克尔逊干涉仪的参考臂缠绕于所述双层空气腔的内部圆筒上，所述迈克尔逊干涉仪的信号臂缠绕于所述双层空气腔的中部圆筒上，所述内部圆筒、所述中部圆筒均通过所述支撑刚体固定支撑。

优选的，所述干涉式光纤水听器探测系统还包括：远程显示单元；所述远程显示单元与所述信号处理单元连接。

优选的，所述光源调制单元包括：多波长激光器、第一波分复用器、声光调制器；所述多波长激光器与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述声光调制器连接。

优选的，所述功率均衡单元包括：光纤分路器、第一光纤放大器；所述光纤分路器的输出端与多个所述第一光纤放大器的输入端连接。

优选的，所述第一光纤放大器采用掺铒光纤放大器。

优选的，所述第一光纤分路器采用熔融拉锥型光纤分路器。

优选的，所述信号处理单元包括：第二光纤放大器、解波分复用器、光电转换器；所述第二光纤放大器的输出端与所述解波分复用器连接，所述解波分复用器分别与多个所述光电转换器的输入端连接。

优选的，所述第二光纤放大器采用掺铒光纤放大器。

优选的，两条相邻的所述水听器基元阵列的间距为0.75米，每条所述水听器基元阵列中的两个相邻的所述水听器的间距为0.75米。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，利用不同水听器基元阵列的光相位噪声有一定相关性这一特点，采用对外界声信号不敏感的光纤聋探头获取光相位噪声，当声压作用于光纤聋探头时，经过空气腔的缓冲，且以相反的方向作用在传感光纤上，可将声压作用对光纤变化的影响降至足够低，从而使声压作用对干涉仪两臂输出干涉光信号相位差变化的影响足够小，便可获取光相位噪声。由此可对进行探测工作水听器的信号进行补偿，以达到抑制光相位噪声的效果实现光学均衡；基于大面阵、多探头光学均衡设计也能够降低水听器系统的制造成本和制造难度。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种干涉式光纤水听器探测系统的框架示意图；

图2为本发明实施例提供的一种干涉式光纤水听器探测系统中光纤聋探头的结构示意图。

其中，21-多波长激光器、22-第一波分复用器、23-声光调制器、31-光纤分路器、32-第一光纤放大器、41-分波器、42-水听器阵列、43-第二波分复用器、51-第二光纤放大器、52-解波分复用器、53-光电转换器、60-远程显示单元；

420-中部圆筒、421-双层空气腔、422-迈克尔逊干涉仪的信号臂、423-内部圆筒、424-传感光纤、425-迈克尔逊干涉仪的参考臂、426-支撑刚体。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种干涉式光纤水听器探测系统，包括：光源调制单元、功率均衡单元、信号探测传感单元、信号处理单元、远程显示单元；所述光源调制单元、所述功率均衡单元、所述信号探测传感单元、所述信号处理单元、所述远程显示单元依次通过光电传输缆连接。

其中，所述信号探测传感单元包括分波器、水听器阵列、波分复用器，所述水听器阵列的输入端与所述分波器连接，所述水听器阵列的输出端与所述波分复用器连接。所述水听器阵列包括多条水听器基元阵列，每条所述水听器基元阵列包含多个水听器和两个光纤聋探头。

如图1所示，下面对各个单元分别进行说明。

所述光源调制单元包括多波长激光器21、第一波分复用器22、声光调制器23，所述多波长激光器21、所述第一波分复用器22、所述声光调制器23依次连接。所述多波长激光器21发出的多个波长信号通过光电传输缆输入至所述第一波分复用器22，耦合成一路光信号，其工作波长数目与所述多波长激光器21输出的波长数目相同。所述第一波分复用器22输出的信号经过光电传输缆输入至所述声光调制器23，通过所述声光调制器23控制输出的激光束强度。其中，所述第一波分复用器22为密集波分复用器。所述光源调制单元可同时输出多路正弦波信号，其工作调制范围为0-100KHZ。

所述功率均衡单元包括光纤分路器31、第一光纤放大器32，所述光纤分路器31与多个所述第一光纤放大器32连接。所述光纤分路器31的隔离度达到40dB。所述光纤分路器31将所述声光调制器23通过一根光纤输出的波长信号分配到多根光纤中，所述光纤分路器31的输出端与多个所述第一光纤放大器32连接，所述第一光纤放大器32将泵浦光的能量转化为信号光的能量以实现放大作用。其中，所述光纤分路器31可选用熔融拉锥型光纤分路器，所述第一光纤放大器32可选用掺铒光纤放大器。

所述信号探测传感单元包括分波器41、水听器阵列42、波分复用器43，所述水听器阵列42的输入端与所述分波器41连接，所述水听器阵列42的输出端与所述波分复用器43连接。所述水听器阵列42包括多条水听器基元阵列，每条所述水听器基元阵列包含多个水听器和两个光纤聋探头。即所述水听器阵列42由光电传输缆连接所述水听器和所述光纤聋探头构成，所述水听器的数量可根据需要进行调整，所述水听器阵列42采用模块化设计，相同的光学结构子模块可以相互替换。所述分波器41将经过所述第一光纤放大器32的单根光纤信号分为两路，分别经光电传输缆连接至前后两个所述水听器基元阵列。所述水听器基元阵列所探测到的水下信号经过光电传输缆传入至所述波分复用器43，耦合成一路光信号传输。

所述信号探测传感单元中所述光纤聋探头作为光学降噪模块，所述光纤聋探头本质上是一个低灵敏度光纤水听器，对外界声场不敏感，可以减少对全息测试分析的影响，所述光纤聋探头安装在所述水听器基元阵列两端的位置。

如图2所示，所述光纤聋探头采取双层空气腔421实现隔绝来对迈克尔逊干涉仪的信号臂422进行减敏，迈克尔逊干涉仪的参考臂425设计足够短，缠绕于所述双层所述空气腔421的内部圆筒423上，以减少外界声压作用时引起的光程变化；迈克尔逊干涉仪的信号臂422缠绕于所述双层所述空气腔421的中部圆筒420上，所述内部圆筒423、所述中部圆筒420均通过支撑刚体426进行固定支撑。所述双层空气腔421通过制作工艺与外界隔绝。当声压作用于圆筒(包括所述内部圆筒423、所述中部圆筒420)时，经过所述双层空气腔421的缓冲，且以相反的方向作用在传感光纤424上，可将声压作用对光纤变化的影响降至足够低，从而使声压作用对迈克尔逊干涉仪两臂(包括信号臂和参考臂)输出干涉光信号相位差变化的影响足够小，以达到对水听器声压减敏的目的，可监测系统整体光学噪声，通过所述光纤聋探头调解获取的噪声信号监测光学系统的工作状态。

所述信号处理单元包括第二光纤放大器51、解波分复用器52、光电转换器53。所述波分复用器43的输出端经光电传输缆连接至所述第二光纤放大器51的输入端，经放大后的光信号后传入至所述解波分复用器52，所述解波分复用器52将输入的光信号解调为多个波长的光信号并传入至所述光电转换器53，所述光电转换器53的通道数目与所述解波分复用器52输出波长数目相同，所述光电转换器53将所述水听器基元阵列传回的一定码率的光信号输入光电转换模块后由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号，传输至计算机软件端可反映出水下探测信息，完成水声目标探测。

所述远程显示单元60通过计算机端接收所述信号处理单元的电信号，通过相应软件的算法处理，以坐标形式显示水听器阵列所探测信号完成水声目标探测。

连接上述单元的光电传输缆采用层绞式结构，缆芯由中心填充线外绞制光纤束管和电源线构成，内护层外绞制铠装钢丝层和外护套选用聚氨酯材料，用于传输光纤水听器探测信号、水下布放平台控制信号及水下布放平台姿态与深度等状态数据。

本发明提供的一种干涉式光纤水听器探测系统工作时，通过所述光源调制单元中的所述第一波分复用器对多波长光源的光信号进行耦合，所述声光调制器通过产生频率幅值可变的正弦电压信号，对多波长单频连续光信号进行调制。调制后的多波长信号进入所述功率均衡单元中的所述光纤分路器，经过所述光纤分路器完成分路后的多波长信号通过所述第一光纤放大器的输入端口进入所述第一光纤放大器，信号经放大后通过光电传输缆进入所述信号探测传感单元。所述信号探测传感单元中的所述分波器将来自所述第一光纤放大器的信号分为两部分后分别传入至所述水听器阵列的前后两个水听器基元阵列中，每个所述水听器基元阵列将包含声场信息的光信号通过一路光纤传回至光电传输中，经过所述第二波分复用器完成合波后进入所述信号处理单元。所述信号处理单元中的所述第二光纤放大器对信号进行放大后，将光信号传输至所述解波分复用器。所述解波分复用器将每路光信号分为多个不同波长的信号分别传输至光电转换器中进行解调处理。所述远程显示单元中的计算机接收来自所述信号处理单元的电信号，通过相应软件的算法处理，分别显示水听器阵列的整体信号和单个水听器基元的信号，完成水声目标探测。

具体应用在海洋声学环境中，当船舰需要探索某片水域下的海洋资源，得到石油等资源的分布信息时，可将湿端的水听器阵列投放至目标区域，启动整个系统。例如，干端的多波长激光器发出波长为1530nm、1530.4nm、1530.8nm、1531.2nm、1531.6nm、1532.0nm、1532.4nm、1532.8nm八个不同波长的光信号。光源调制单元中的第一波分复用器(可选用密集波分复用器)的工作波长范围为1310nm-1550nm，插入损耗小于4dB，各通道间隔度不低于30dB，对八个不同波长的光信号进行耦合。用于光纤耦合的声光调制器通过产生频率为80MHz的正弦电压信号，对耦合后的单频连续光信号进行调制，消光比大于50，插入损耗小于6dB，光脉冲上升/下降时间为10ns。调制后的波长信号进入功率均衡单元中的第一光纤分路器(可选用熔融拉锥型光纤分路器)，第一光纤分路器的插入损耗小于4dB，通道间隔离度达到40dB，第一光纤分路器将一路光信号分为八个波长的光信号后通过光电传输缆输入至八个第一光纤放大器(可选用掺铒光纤放大器)的端口，光信号在第一光纤放大器中可得到15-40db的增益。光信号经第一光纤放大器进行放大后，通过光电传输缆进入信号探测传感单元(八个波长的光信号分别进入八个信号探测传感单元)。信号探测传感单元中的分波器将每个光信号分为两部分，并分别传入水听器阵列的前后两个水听器基元阵列中，水听器阵列中的前后两个水听器基元阵列将包含声场信息的光信号分别通过一路光纤传回光电传输缆中。来自水听器基元阵列的包含声场信息的光信号在经过第二波分复用器后进入信号处理单元的第二光纤放大器中，光信号在第二光纤放大器中得到15-40db的增益后进入解波分复用器，解波分复用器将每路光信号分为八个波长的信号传输到光电转换器中进行处理，光电转换器中的模拟/数字转换芯片采样率不小于100Msps，精度不小于12bit。远程显示单元中的计算机端接收来自信号处理单元的电信号，通过软件处理，分别显示水听器阵列的整体信号和单条水听器基元阵列的信号，进而可得到该片水域的海洋资源分布，推测海底地质。

本发明可对海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特征、目标声学特征进行探测，提出了一种干涉式光纤水听器探测系统，并提供了相应的设计方案。该探测系统可以完成确定声源位置，实现水下探测，水下目标侦测，水下/水面目标辐射噪声测量，并应用于水下安防，地震预测，海洋石油和天然气勘探等领域，为港口防护、水声情报搜集以及目标探测提供技术支撑等。

本发明实施例提供的一种干涉式光纤水听器探测系统至少包括如下技术效果：

(1)本发明利用不同水听器基元阵列的光相位噪声有一定相关性这一特点，采用对外界声信号不敏感的光纤聋探头获取光相位噪声，可对工作探测基元的信号进行补偿，能够达到抑制光相位噪声的效果。

(2)本发明基于大面阵、多探头的光学均衡设计来改善传统水听器系统，能够有效降低因提高平衡性而增加的制造成本和制造难度。

(3)本发明中的功率均衡单元可进行动态调节，能够最大限度地保证输入信号的稳定性。

(4)本发明中多水听器阵列组成的大面阵能够具有更好的频响特性，光纤聋探头可以减小信号串扰，探测系统的频响特性好、抗电磁干扰与信号串扰能力强，适于远距离传输与组阵。

(5)本发明使得信号传感与传输一体化,能够有效提高系统的可靠性，工程应用条件低。

(6)本发明中水听器基元阵列中的水听器的数量可根据需要调整，灵活性好，能够提高系统的可维护性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，包括：光源调制单元、功率均衡单元、信号探测传感单元、信号处理单元；

所述光源调制单元、所述功率均衡单元、所述信号探测传感单元、所述信号处理单元依次连接；

所述信号探测传感单元包括分波器、水听器阵列、波分复用器，所述水听器阵列的输入端与所述分波器连接，所述水听器阵列的输出端与所述波分复用器连接；

所述水听器阵列包括多条水听器基元阵列，每条所述水听器基元阵列包含多个水听器和两个光纤聋探头；

所述光源调制单元包括：多波长激光器、第一波分复用器、声光调制器；所述多波长激光器与所述第一波分复用器的输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述声光调制器连接；

所述信号处理单元包括：第二光纤放大器、解波分复用器、光电转换器；所述第二光纤放大器的输出端与所述解波分复用器连接，所述解波分复用器分别与多个所述光电转换器的输入端连接；

所述光纤聋探头包括迈克尔逊干涉仪、支撑刚体、双层空气腔；

所述迈克尔逊干涉仪的参考臂缠绕于所述双层空气腔的内部圆筒上，所述迈克尔逊干涉仪的信号臂缠绕于所述双层空气腔的中部圆筒上，所述内部圆筒、所述中部圆筒均通过所述支撑刚体固定支撑。

2.根据权利要求1所述的干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，还包括：远程显示单元；所述远程显示单元与所述信号处理单元连接。

3.根据权利要求1所述的干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，所述功率均衡单元包括：光纤分路器、第一光纤放大器；所述光纤分路器的输出端与多个所述第一光纤放大器的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，所述第一光纤放大器采用掺铒光纤放大器。

5.根据权利要求3所述的干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，所述第一光纤分路器采用熔融拉锥型光纤分路器。

6.根据权利要求1所述的干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，所述第二光纤放大器采用掺铒光纤放大器。

7.根据权利要求1所述的干涉式光纤水听器探测系统，其特征在于，两条相邻的所述水听器基元阵列的间距为0.75米，每条所述水听器基元阵列中的两个相邻的所述水听器的间距为0.75米。

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