CN110146155A - 一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统 - Google Patents
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Abstract
一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，包括泵浦源、波分复用器、光纤激光水听器探头、隔离器、迈克尔逊干涉仪、光电探测器及信号解调模块；泵浦源输出的光通过波分复用器后输入到光纤激光水听器探头中，光纤激光水听器探头受到激励后输出的光经过迈克尔逊干涉仪后发生干涉，得到携带有外界声信号的载波信号，通过运用声光调制器移频代替传统的PZT(压电陶瓷)来提高载波信号频率，大大增加了光纤激光水听器系统的动态范围，从而满足测量大幅度信号的需求；同时增加迈克尔逊干涉仪的臂长差，可以大大增加光纤激光水听器系统的灵敏度，从而满足弱信号检测的需求。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种大动态范围、高灵敏度光纤激光水听器系统。
背景技术
与传统压电式水听器系统相比，光纤激光水听器系统具有灵敏度高、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。但目前的光纤激光水听器系统采用PZT(压电陶瓷)来生成载波信号，PZT只能生成几十kHz的信号，并且信号频率不稳定，因此携带声信息的载波信号频率较低，受载波频率的限制，光纤激光水听器系统的动态范围上限受限。当测量大幅度的信号时，由于其动态范围上限受限，导致测量到的声信号失真，无法对目标进行准确的检测与定位。
目前从技术发展形势的变化来看，潜艇的噪声越来越小，机动灵活性越来越高，为了适应新时期反潜技术的发展需要，水下反潜实时密切监视、快速反应是未来发展的必然趋势，因此亟需高灵敏度的光纤激光水听器系统。但目前的光纤激光水听器系统由于受干涉仪臂长差的限制，导致其灵敏度不能满足测量安静型潜艇的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，该系统通过采用声光调制器代替传统的PZT(压电陶瓷)提高载波频率，提高光纤激光水听器系统的动态范围上限；同时增加光纤环的长度来增加迈克尔逊干涉仪臂长差，提高光纤激光水听器系统灵敏度，从而使该系统既能够测量弱信号，又能满足测量大幅度信号的需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，包括泵浦源、波分复用器、光纤激光水听器探头、隔离器、迈克尔逊干涉仪、声光调制器驱动、光电探测器及信号解调模块；
泵浦源输出连续光送至波分复用器的公共端，波分复用器对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器探头中，光纤激光水听器探头受连续光激励后产生反射光信号，当有外界声信号时，外界声信号对光纤激光水听器探头反射的连续光能够进行波长调制，使得光纤激光水听器探头输出的反射光信号携带有外界声信号，并再次通过波分复用器后从其反射端进入隔离器中，经过隔离器隔离后输出的光信号输入到迈克尔逊干涉仪中发生干涉，得到携带外界声信号的载波信号送至光电探测器，光电探测器将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块；声光调制器驱动产生的同步电参考信号也进入到信号解调模块，信号解调模块根据从光电探测器输出的电信号与声光调制器驱动输出的同步电参考信号解调出外界水声信号；
迈克尔逊干涉仪包括耦合器、光纤环、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜、声光调制器；
进入迈克尔逊干涉仪的光信号经过耦合器后分成两路，一路光经过光纤环后通过第一法拉第旋转反射镜进行反射，反射后的光信号再次经过光纤环后输入到耦合器，另一路光经过声光调制器移频后通过第二法拉第旋转反射镜进行反射，反射后的光信号再次经过声光调制器后输入到耦合器；在耦合器处，两束光信号发生干涉，产生携带外界声信号的载波信号；
迈克尔逊干涉仪的外部设有隔振封装，用于抑制光纤环随外界振动导致的载波信号不稳定现象；
光纤激光水听器探头外部设有增敏封装，用于拾取水声信号；
光纤激光水听器系统的动态范围为D，其中
式中，Δf为载波信号频率，fs为声信号的频率；
载波信号频率
Δf为：
Δf＝2f1
其中，f1为声光调制器的移频频率；
泵浦源、波分复用器、光纤激光水听器探头、隔离器、迈克尔逊干涉仪之间采用光纤连接，迈克尔逊干涉仪与光电探测器之间采用光纤连接，所有光纤的折射率n相同，
光纤激光水听器系统灵敏度为φ，其中
式中，n为光纤折射率，L为迈克尔逊干涉仪臂长差，c为光速，ν为隔离器隔离后输出的光信号的光频率；
在迈克尔逊干涉仪与波分复用器之间加入隔离器，隔离器只能够从波分复用器到迈克尔逊干涉仪单向传输光信号，用于阻止迈克尔逊干涉仪反射回的光信号对泵浦源输出的光信号的干扰；
通过控制声光调制器驱动的输出频率来改变声光调制器的移频频率，同时获得与载波信号频率相等的正弦或余弦同步电参考信号；
光电探测器的带宽至少是载波信号频率的4倍；
信号解调模块将接收到的两路电信号进行AD转换，采用反正切算法或者微分交叉相乘算法进行外界声信号的解调。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)传统的PZT(压电陶瓷)只能产生几十KHz的调制频率，导致光纤激光水听器系统载波信号频率过低，本发明采用声光调制器代替传统的PZT产生载波信号，通过控制声光调制器的移频频率可以大大提高载波信号频率，从而提高光纤激光水听器系统的动态范围上限，保证解调大幅度信号时不出现饱和的现象，从而能更好的应用在目标定位测量系统中；
(2)本发明通过增加光纤环的长度，增大迈克尔逊干涉仪的臂长差，能够提高光纤激光水听器系统的灵敏度；
(3)本发明通过对迈克尔逊干涉仪进行隔振封装，降低了当外界环境振动时，因迈克尔逊干涉仪臂长差的增大带来了相位噪声的影响；
(4)本发明通过声光调制器驱动产生与载波信号同步的电参考信号，大大降低了在信号解调过程中因载波信号与参考信号频率不一致引起的噪声。
(5)本发明提高了光纤激光水听器的动态范围及灵敏度，使得光纤激光水听器系统既能够测量大幅值信号，满足弹落水等高能量级目标检测与定位的需求；又能满足测量安静型潜艇的需求。
附图说明
图1为本发明的光路结构图；
图2为本发明的载波信号与同步电参考信号示意图；
图3为本发明的解调流程框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，包括泵浦源、波分复用器、光纤激光水听器探头、隔离器、迈克尔逊干涉仪、光电探测器及信号解调模块；泵浦源输出的光通过波分复用器后输入到光纤激光水听器探头中，光纤激光水听器探头受到激励后输出的光经过迈克尔逊干涉仪后发生干涉，得到携带有外界声信号的载波信号，通过运用声光调制器移频代替传统的PZT(压电陶瓷)来提高载波信号频率，大大增加了光纤激光水听器系统的动态范围，从而满足测量大幅度信号的需求；同时增加迈克尔逊干涉仪的臂长差，可以大大增加光纤激光水听器系统的灵敏度，从而满足弱信号检测的需求。
本发明不仅适合作为水下小型移动平台拖曳阵使用，也适合在浮标、潜标等体积有限的水下节点上使用，并且能够通过舰船、或依托水下机器人在岸基、海底基进行快速布放，通过水中移动平台和固定节点构建分布式水下多节点水声警戒探测系统。本发明通过提高光纤激光水听器系统动态范围及灵敏度，使该系统不仅能够测量大幅度信号，对高能量级弹落水等目标进行准确的定位，同时，还可以测量微弱信号，对能量级很弱的安静型潜艇等目标进行实时的监测，满足各类水声信号检测的需求。
如图1所示为本发明的光路结构图，大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统包括：泵浦源1、波分复用器2、光纤激光水听器探头3、隔离器4、迈克尔逊干涉仪5、声光调制器驱动6、光电探测器7及信号解调模块8；
优选方案为：泵浦源1输出980nm的连续光送至980/1550nm波分复用器2的公共端，波分复用器2对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器探头3中，光纤激光水听器探头3受980nm连续光激励后产生1550nm的反射光信号，当有外界声信号时，外界声信号对光纤激光水听器探头3反射的连续光能够进行波长调制，使得光纤激光水听器探头3输出的反射光信号携带有外界声信号，并再次通过波分复用器2后从其反射端进入隔离器4中，经过隔离器4隔离后输出的光信号输入到迈克尔逊干涉仪5中发生干涉，所述的隔离器4只能够从波分复用器2到迈克尔逊干涉仪5单向传输光信号，用于阻止迈克尔逊干涉仪5反射回的光信号对泵浦源输出的光信号的干扰，干涉后的光信号被送至光电探测器7，光电探测器7将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块8，所述的载波信号频率由声光调制器的移频频率确定，为100KHz～1MHz，光电探测器7的带宽至少是载波信号频率的4倍，从而使光电探测器能够采集到载波信号的完整信息，保证转换后的电信号不失真；声光调制器驱动6产生的同步电参考信号也进入到信号解调模块8，控制声光调制器驱动6的输出频率来改变声光调制器54的移频频率，同时获得与载波信号频率相等正弦或余弦同步电参考信号，信号解调模块8将接收到的两路电信号进行AD转换，采用反正切算法或者微分交叉相乘算法解调出外界水声信号。
泵浦源1同样可输出1480nm的连续光送至1480/1550nm的波分复用器2的公共端，波分复用器2对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器探头3中，光纤激光水听器探头3受1480nm连续光激励后产生1550nm的反射光信号，当有外界声信号时，外界声信号对光纤激光水听器探头3反射的连续光能够进行波长调制，使得光纤激光水听器探头3输出的反射光信号携带有外界声信号，并再次通过波分复用器2后从其反射端进入隔离器4中，经过隔离器4隔离后输出的光信号输入到迈克尔逊干涉仪5中发生干涉，所述的隔离器4只能够从波分复用器2到迈克尔逊干涉仪5单向传输光信号，用于阻止迈克尔逊干涉仪5反射回的光信号对泵浦源输出的光信号的干扰，干涉后的光信号被送至光电探测器7，光电探测器7将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块8，所述的载波信号频率由声光调制器的移频频率确定，为100KHz～1MHz，光电探测器7的带宽至少是载波信号频率的4倍，从而使光电探测器能够采集到载波信号的完整信息，保证转换后的电信号不失真；声光调制器驱动6产生的同步电参考信号也进入到信号解调模块8，通过控制声光调制器驱动6的输出频率来改变声光调制器54的移频频率，同时获得与载波信号频率相等正弦或余弦同步电参考信号，信号解调模块8将接收到的两路电信号进行AD转换，采用反正切算法或者微分交叉相乘算法解调出外界水声信号。
迈克尔逊干涉仪5包括耦合器51、光纤环52、第一法拉第旋转反射镜53、第二法拉第旋转反射镜55、声光调制器54；进入迈克尔逊干涉仪5的光信号经过耦合器51后分成两路，一路光经过光纤环52后通过第一法拉第旋转反射镜53进行反射，反射后的光信号再次经过光纤环52后输入到耦合器51，另一路光经过声光调制器54移频后通过第二法拉第旋转反射镜55进行反射，反射后的光信号再次经过声光调制器54后输入到耦合器51，用声光调制器代替传统的PZT产生载波信号，通过声光调制器驱动控制声光调制器的移频频率可以大大提高载波信号频率，从而提高光纤激光水听器系统的动态范围上限；在耦合器51处，两束光信号发生干涉，产生携带外界声信号的载波信号。迈克尔逊干涉仪5内使用法拉第旋转反射镜来抑制偏振衰落现象，消除偏振态变化对迈克尔逊干涉仪5性能造成的影响。迈克尔逊干涉仪5的外部设有隔振的封装，用于抑制光纤环52随外界振动导致的载波信号不稳定现象。
光纤激光水听器系统大动态范围、高灵敏度的实现，优选步骤如下：
步骤一、泵浦源1输出980nm的连续光送至980/1550nm波分复用器2的公共端，波分复用器2对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器探头3中，光纤激光水听器探头3受980nm的光激励后产生频率为f0的反射光信号，频率为f0的反射光信号再次通过980/1550nm波分复用器2后从其反射端进入隔离器4中，经过隔离器4输出的光信号输入到迈克尔逊干涉仪5中；
步骤二、进入迈克尔逊干涉仪5中的频率为f0的光信号被耦合器51分为两路，一路光信号经过光纤环52延时后进入第一法拉第旋转反射镜53，反射后的光信号再次经过光纤环52延时后进入耦合器51，此时光信号的频率仍为f0，另一路光信号进入声光调制器54，声光调制器54对频率为f0的光信号进行移频，通过控制声光调制器驱动6使声光调制器的54移频频率为f1，移频后的光信号频率变为f0+f1，频率为f0+f1的光信号经第二法拉第旋转反射镜55反射后，再次经过声光调制器54，声光调制器54对频率为f0+f1的光信号进行第二次移频，移频后的光信号频率变为f0+2f1，频率为f0+2f1的光信号同样进入耦合器51，频率为f0与频率为f0+2f1的光发生干涉，得到携带外界声信号频率为2f1的载波信号，光电探测器7将携带外界声信号频率为2f1的载波信号进行光电转换，得到相应频率的电信号，光电探测器7输出的电信号进入信号解调模块8；
步骤三、声光调制器驱动6产生与载波信号同步电参考信号，频率为2f1同步电参考信号进入信号解调模块8；
步骤四、步骤二中载波信号与步骤三中的同步电参考信号其形式如图2所示，都为正弦(余弦)波，正弦(余弦)波的频率为声光调制器54移频频率的2倍，即2f1，信号解调模块8将接收到的载波信号与同步电参考信号转化为数字信号，利用反正切的算法对此载波信号直接进行解调，得到外界声信号；
步骤五、确定光纤激光水听器系统的动态范围D。光纤激光水听器系统的载波信号φ(t)优选表示为:
其中A为干涉信号的幅度，2f1为载波信号频率，φs(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，t为时间。
载波信号频率2f1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，优选表示为：
E＝2(dfp+fs)
那么
E＝2(D′·fs+fs)
有效谐波的宽度E最大不能超过载波的频率即E<2·2f1，由此式可知由载波频率决定的第一动态范围上限优选表示为D：
光纤激光水听器系统的动态范围的上限由载波频率决定。
步骤六、确定载波信号频率2f1。
由上式可知：
优选(D+1)·fs＝2f1，其中声信号fs取(250Hz～2500Hz)，并按照实际测量大信号的应用需求，取动态范围D为400rad左右，此时，优选当fs取250Hz时，2f1为100KHz；当fs取2500Hz时，2f1为1MHz，因此载波信号频率2f1取(100KHz～1MHz)。
步骤七、确定光纤激光水听器系统的灵敏度φ。
光纤激光水听器系统迈克尔逊干涉仪5相位差优选表示为：
式中，n为光纤折射率，L为迈克尔逊干涉仪臂长差，c为光速，ν为光频率。当增加迈克尔逊干涉仪5的臂长差时，其相位差也随之增大，因此光纤激光水听器系统的灵敏度会提高。
步骤八、确定迈克尔逊干涉仪5臂长差L。
迈克尔逊干涉仪5两路光信号发生干涉优选满足：
式中，n为光纤折射率，L为迈克尔逊干涉仪5臂长差，c为光速，kΔν为光纤激光水听器线宽，其中k取1～5。
因此，上式中优选当k取5时，L≤20km，当k取1时，L≤100km只要L满足上述条件，迈克尔逊干涉仪两路光信号都可以发生干涉。但如果L过长，会引入外界干扰产生的噪声，并考虑到光纤激光水听器探头灵敏度的实际应用需要，L取(30～100)m，使得光纤激光水听器的灵敏度大大提高。
上述步骤中，泵浦源1同样可以输出1480nm的连续光，通过1480/1550nm的波分复用器后对光纤激光水听器探头进行激励，从而产生1550nm的反射光信号，可以产生上述相同的效果，不再进行详细叙述。
在本实施例中，优选光纤环52的长度取50m，优选声光调制器54的移频频率取200KHz，因此，优选在耦合器51形成的载波信号频率为400KHz，优选同步电参考信号频率为400KHz，声信号频率取1KHz。如图3所示，载波信号与同步电参考信号经过A/D转换后进行数字解调，采用FPGA进行载波信号与同步电参考信号的预处理，即同步电参考信号90°相移、载波信号与同步电参考相乘、低通滤波，然后采用反正切算法进行水声信号的解调，再经过高通滤波得出最后的水声信号。
以上述参数与器件组成的光纤激光水听器系统，其能解调到的系统的动态范围上限优选为399rad，是采用PZT产生载波信号的系统动态范围上限的21倍，动态范围上限有了较大的提高，满足检测定位高声源级目标的需求；该系统灵敏度为-130dB(0dB re.1rad/μPa)，比原系统灵敏度提高了20dB，从而满足弱信号检测的需求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (11)
1.一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于包括：泵浦源(1)、波分复用器(2)、光纤激光水听器探头(3)、隔离器(4)、迈克尔逊干涉仪(5)、声光调制器驱动(6)、光电探测器(7)及信号解调模块(8)；
泵浦源(1)输出连续光送至波分复用器(2)的公共端，波分复用器(2)对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器探头(3)中，光纤激光水听器探头(3)受连续光激励后产生反射光信号，当有外界声信号时，外界声信号对光纤激光水听器探头(3)反射的连续光能够进行波长调制，使得光纤激光水听器探头(3)输出的反射光信号携带有外界声信号，并再次通过波分复用器(2)后从其反射端进入隔离器(4)中，经过隔离器(4)隔离后输出的光信号输入到迈克尔逊干涉仪(5)中发生干涉，得到携带外界声信号的载波信号送至光电探测器(7)，光电探测器(7)将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块(8)；声光调制器驱动(6)产生的同步电参考信号也进入到信号解调模块(8)，信号解调模块(8)根据从光电探测器(7)输出的电信号与声光调制器驱动(6)输出的同步电参考信号解调出外界水声信号。
2.根据权利要求1所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：迈克尔逊干涉仪(5)包括耦合器(51)、光纤环(52)、第一法拉第旋转反射镜(53)、第二法拉第旋转反射镜(55)、声光调制器(54)；
进入迈克尔逊干涉仪(5)的光信号经过耦合器(51)后分成两路，一路光经过光纤环(52)进行延时后通过第一法拉第旋转反射镜(53)进行反射，反射后的光信号再次经过光纤环(52)进行延时后输入到耦合器(51)，另一路光经过声光调制器(54)移频后通过第二法拉第旋转反射镜(55)进行反射，反射后的光信号再次经过声光调制器(54)移频后输入到耦合器(51)；在耦合器(51)处，两束光信号发生干涉，产生携带外界声信号的载波信号。
3.根据权利要求2所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：迈克尔逊干涉仪(5)的外部设有隔振封装，用于抑制光纤环(52)随外界振动导致的载波信号不稳定现象。
4.根据权利要求1～3所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：光纤激光水听器探头(3)外部设有增敏封装，用于拾取水声信号。
5.根据权利要求1～4所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：光纤激光水听器系统的动态范围上限为D，其中
式中，Δf为载波信号频率，fs为外界声信号的频率。
6.根据权利要求5所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：载波信号频率Δf为：
Δf＝2f1
其中，f1为声光调制器(54)的移频频率。
7.根据权利要求1～4所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：泵浦源(1)、波分复用器(2)、光纤激光水听器探头(3)、隔离器(4)、迈克尔逊干涉仪(5)之间采用光纤连接，迈克尔逊干涉仪(5)与光电探测器(7)之间采用光纤连接，所有光纤的折射率n相同；
光纤激光水听器系统灵敏度为φ，其中
式中，n为光纤折射率，L为迈克尔逊干涉仪(5)臂长差，c为光速，ν为隔离器(4)隔离后输出的光信号的光频率。
8.根据权利要求1所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：在迈克尔逊干涉仪(5)与波分复用器(2)之间加入隔离器(4)，隔离器(4)只能够从波分复用器(2)到迈克尔逊干涉仪(5)单向传输光信号，用于阻止迈克尔逊干涉仪(5)反射回的光信号对泵浦源输出的光信号的干扰。
9.根据权利要求1所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：通过控制声光调制器驱动(6)的输出频率来改变声光调制器(54)的移频频率，同时获得与载波信号频率相等正弦或余弦同步电参考信号。
10.根据权利要求1所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：光电探测器(7)的带宽至少是载波信号频率的4倍。
11.根据权利要求1所述的一种大动态范围、高灵敏度的光纤激光水听器系统，其特征在于：信号解调模块(8)将接收到的两路电信号进行AD转换，采用反正切算法或者微分交叉相乘算法进行外界声信号的解调。
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