CN112104429A - 一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法 - Google Patents

一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，基于系统的方法为：通过频率源产生时钟信号，将时钟信号锁定为脉冲激光器的重复频率，开始激光信号的发射，通过接收模块接收激光信号后，发出反射激光信号，在激光信号往返过程中就行鉴相并进行相位补偿。本发明首次提出了在光学上使用压电陶瓷实现的实时相位补偿方法，使得整个频率传递系统的精度更高集成度与灵活性都更好。

Description

一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法
技术领域
本发明属于水下无线通信技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法。
背景技术
海洋中各种资源的发现和利用是人类在新世纪最重要的发展战略之一，随之孕育而生的水下通信也备受科研人员的关注。水下通信现在普遍应用于海底观测系统、水下传感器网络构建等领域。传统的水下通信是需要架设光纤形成信道，这就使其只能运用于静态终端，其灵活性与成本都非常不理想，于是科研人员将目光聚焦于水下无线通信技术。
水下无线通信离不开水下目标时间频率传递系统的辅助，水下时间频率传递系统可以给通信系统中的各个节点提供统一的频率标准，这给水下导航、水下传感以及潜水同步提供了有力的技术支持。科研人员基于目前自由空间的时间频率传递技术发展出了水下时间频率传递的三个技术分支：水下电磁波时频传输、水声频率传输和水下激光频率传输系统。
大量的实验表明电磁波在水中的传输衰减极大，且衰减程度是与频率相关的，频率率高，在水下的衰减越厉害，这在水下通信领域是不能忍受的，因为通信频率越高其传输信息量越大，所以应用范围很小。而基于声波的水下传输已经可以实现几百米以上的距离，但其也存在许多缺点。如时间多径效应严重，当传输距离大于水深时，同一波束从不同路径传输的声波会由于路径长短不同，导致时间延迟与信号展宽。于此同时，它还会受多普勒效应和起伏效应的影响，这会使得信号产生随机起伏，严重影响系统的性能。在基于激光的水下频率传递系统的研究中，科研人员在使用蓝绿可见连续激光通过电学相位补偿实现了5米水下信道中的频率传递，但由于连续激光的功率不能做的很大，这也直接限制了频率传输的距离不能很远。除此以外，在电学上进行的相位补偿会带来相应的电路固有噪声，会对整个频率传输系统的精度带来不利的影响，此外电路与光路相混杂也不利于系统的集成。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法解决了现有技术中水下信道的频率传递稳定度低和距离短的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，包括用于发射激光的发射模块和用于接收激光的接收模块；
所述发射模块包括频率源，所述频率源分别与脉冲激光器的输入端和第一鉴相器的第一输入端连接，所述脉冲激光器的输出端通过第一二分之一波片连接至第一偏振分束器的输入端，所述第一偏振分束器的第一输出端通过第一四分之一波片连接至第一反射镜，所述第一反射镜与主动相位补偿器组成发射模块的输出端，所述第一偏振分束器的第二输出端通过光电探测器PD2与第一鉴相器的第二输入端连接，所述第一鉴相器的输出端通过第一比例-积分控制器与主动相位补偿器连接；
所述接收模块包括半反镜HM以及通过光电探测器PD1与半反镜HM连接的用户端。
进一步地，所述脉冲激光器包括第一泵浦源，所述第一泵浦源通过第一波分复用器分别连接至第一准直器和第一掺镱光纤，所述第一掺镱光纤依次通过第二准直器、压电陶瓷、第四四分之一波片、第二二分之一波片、隔离器连接至第二偏振分束器，所述第一准直器通过第二四分之一波片分别连接至第二偏振分束器和第三四分之一波片，所述第三四分之一波片通过光栅对与第二反射镜连接，所述第二偏振分束器分别连接至光电探测器PD3和第二掺镱光纤，所述第二掺镱光纤通过第二波分复用器分别与第二泵浦源和倍频晶体连接，所述倍频晶体输出530nm绿光，所述压电陶瓷上设置有驱动器，所述驱动器通过第二比例-积分控制器与第二鉴相器连接，所述第二鉴相器分别与频率源和光电探测器PD3连接。
进一步地，所述第一反射镜的入射光与出射光位于同一直线上。
本发明的有益效果为：
(1)本发明结构简单易实现，提供了一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，实现了水下频率传递。
(2)本发明构建的脉冲激光器，其发出的信号在水下衰减较小且峰值功率较高。
一种使用基于飞秒激光的水下频率传递系统的水下频率传递方法，包括以下步骤：
S1、采用频率源作为时钟源，采用脉冲激光器作为光源，并将脉冲激光器的重复频率锁定在时钟源上，脉冲激光器开始发射激光；
S2、令激光垂直入射至第一偏振分束器，旋转调整第一二分之一波片，直至激光在第一偏振分束器中完全沿光路通过，得到竖直偏振方向线偏振光；
S3、令竖直偏振方向线偏振光入射至第一四分之一波片，通过第一四分之一波片得到圆偏振光；
S4、将圆偏振光通过第一反射镜传输至主动相位补偿器，通过主动相位补偿器进行相位补偿，并将相位补偿后的圆偏振光通过第一反射镜发射至水下环境；
S5、通过接收模块接收相位补偿后的圆偏振光，并发射反射激光信号；
S6、将反射激光信号依次通过第一反射镜、主动相位补偿器、第一反射镜、第一四分之一波片和第一偏振分束器传输至光电探测器PD2；
S7、通过第一鉴相器获取频率源的输出信号与光电探测器PD2的输出信号之间的相位误差信号；
S8、根据相位误差信号，通过主动相位补偿器进行实时相位补偿，完成基于飞秒激光的水下频率传递。
进一步地，所述步骤S1中时钟源的初始相位为
Figure BDA0002686170220000041
进一步地，所述步骤S3中圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。
进一步地，所述步骤S4中相位补偿后的圆偏振光的相位为
Figure BDA0002686170220000042
其中
Figure BDA0002686170220000043
表示主动相位补偿器对圆偏振光的补偿相位，所述补偿相位
Figure BDA0002686170220000044
采用压电陶瓷控制推杆不断调节光路的光程得到。
进一步地，所述步骤S5中接收模块接收的相位补偿后圆偏振光的相位为
Figure BDA0002686170220000045
其中
Figure BDA0002686170220000046
表示水下环境对激光信号的扰动相位。
进一步地，所述步骤S7中光电探测器PD2的输出信号的相位为
Figure BDA0002686170220000047
进一步地，所述步骤S8中相位误差信号为
Figure BDA0002686170220000048
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出了一种使用基于飞秒激光的水下频率传递系统的水下频率传递方法，其与现有技术相比，首次提出了在光学上使用压电陶瓷实现的实时相位补偿方法，使得整个频率传递系统的精度更高集成度与灵活性都更好。
(2)本发明实现了实时相位补偿，保证了水下频率传递的稳定性，同时使传输距离更远。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于飞秒激光的水下频率传递系统示意图。
图2为本发明中脉冲激光器示意图。
图3为本发明提出的一种使用基于飞秒激光的水下频率传递系统的水下频率传递方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，包括用于发射激光的发射模块和用于接收激光的接收模块；
所述发射模块包括频率源，所述频率源分别与脉冲激光器的输入端和第一鉴相器的第一输入端连接，所述脉冲激光器的输出端通过第一二分之一波片连接至第一偏振分束器的输入端，所述第一偏振分束器的第一输出端通过第一四分之一波片连接至第一反射镜，所述第一反射镜与主动相位补偿器组成发射模块的输出端，所述第一偏振分束器的第二输出端通过光电探测器PD2与第一鉴相器的第二输入端连接，所述第一鉴相器的输出端通过第一比例-积分控制器与主动相位补偿器连接；
所述接收模块包括半反镜HM以及通过光电探测器PD1与半反镜HM连接的用户端。
如图2所示，所述脉冲激光器包括第一泵浦源，所述第一泵浦源通过第一波分复用器分别连接至第一准直器和第一掺镱光纤，所述第一掺镱光纤依次通过第二准直器、压电陶瓷、第四四分之一波片、第二二分之一波片、隔离器连接至第二偏振分束器，所述第一准直器通过第二四分之一波片分别连接至第二偏振分束器和第三四分之一波片，所述第三四分之一波片通过光栅对与第二反射镜连接，所述第二偏振分束器分别连接至光电探测器PD3和第二掺镱光纤，所述第二掺镱光纤通过第二波分复用器分别与第二泵浦源和倍频晶体连接，所述倍频晶体输出530nm绿光，所述压电陶瓷上设置有驱动器，所述驱动器通过第二比例-积分控制器与第二鉴相器连接，所述第二鉴相器分别与频率源和光电探测器PD3连接。
所述第一反射镜的入射光与出射光位于同一直线上。
本发明的有益效果为：
(1)本发明结构简单易实现，提供了一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，实现了水下频率传递。
(2)本发明构建的脉冲激光器，其发出的信号在水下衰减较小且峰值功率较高。
如图3所示，一种使用基于飞秒激光的水下频率传递系统的水下频率传递方法，包括以下步骤：
S1、采用频率源作为时钟源，采用脉冲激光器作为光源，并将脉冲激光器的重复频率锁定在时钟源上，脉冲激光器开始发射激光；
S2、令激光垂直入射至第一偏振分束器，旋转调整第一二分之一波片，直至激光在第一偏振分束器中完全沿光路通过，得到竖直偏振方向线偏振光；
S3、令竖直偏振方向线偏振光入射至第一四分之一波片，通过第一四分之一波片得到圆偏振光；
S4、将圆偏振光通过第一反射镜传输至主动相位补偿器，通过主动相位补偿器进行相位补偿，并将相位补偿后的圆偏振光通过第一反射镜发射至水下环境；
S5、通过接收模块接收相位补偿后的圆偏振光，并发射反射激光信号；
S6、将反射激光信号依次通过第一反射镜、主动相位补偿器、第一反射镜、第一四分之一波片和第一偏振分束器传输至光电探测器PD2；
S7、通过第一鉴相器获取频率源的输出信号与光电探测器PD2的输出信号之间的相位误差信号；
S8、根据相位误差信号，通过主动相位补偿器进行实时相位补偿，完成基于飞秒激光的水下频率传递。
所述步骤S1中时钟源的初始相位为
Figure BDA0002686170220000071
所述步骤S3中圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。
所述步骤S4中相位补偿后的圆偏振光的相位为
Figure BDA0002686170220000072
其中
Figure BDA0002686170220000073
表示主动相位补偿器对圆偏振光的补偿相位，所述补偿相位
Figure BDA0002686170220000074
采用压电陶瓷控制推杆不断调节光路的光程得到。
所述步骤S5中接收模块接收的相位补偿后圆偏振光的相位为
Figure BDA0002686170220000075
其中
Figure BDA0002686170220000076
表示水下环境对激光信号的扰动相位。
所述步骤S7中光电探测器PD2的输出信号的相位为
Figure BDA0002686170220000077
所述步骤S8中相位误差信号为
Figure BDA0002686170220000078
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出了一种使用基于飞秒激光的水下频率传递系统的水下频率传递方法，其与现有技术相比，首次提出了在光学上使用压电陶瓷实现的实时相位补偿方法，使得整个频率传递系统的精度更高集成度与灵活性都更好。
(2)本发明实现了实时相位补偿，保证了水下频率传递的稳定性，同时使传输距离更远。

Claims (10)

1.一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，其特征在于，包括用于发射激光的发射模块和用于接收激光的接收模块；
所述发射模块包括频率源，所述频率源分别与脉冲激光器的输入端和第一鉴相器的第一输入端连接，所述脉冲激光器的输出端通过第一二分之一波片连接至第一偏振分束器的输入端，所述第一偏振分束器的第一输出端通过第一四分之一波片连接至第一反射镜，所述第一反射镜与主动相位补偿器组成发射模块的输出端，所述第一偏振分束器的第二输出端通过光电探测器PD2与第一鉴相器的第二输入端连接，所述第一鉴相器的输出端通过第一比例-积分控制器与主动相位补偿器连接；
所述接收模块包括半反镜HM以及通过光电探测器PD1与半反镜HM连接的用户端。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的水下频率传递系统，其特征在于，所述脉冲激光器包括第一泵浦源，所述第一泵浦源通过第一波分复用器分别连接至第一准直器和第一掺镱光纤，所述第一掺镱光纤依次通过第二准直器、压电陶瓷、第四四分之一波片、第二二分之一波片、隔离器连接至第二偏振分束器，所述第一准直器通过第二四分之一波片分别连接至第二偏振分束器和第三四分之一波片，所述第三四分之一波片通过光栅对与第二反射镜连接，所述第二偏振分束器分别连接至光电探测器PD3和第二掺镱光纤，所述第二掺镱光纤通过第二波分复用器分别与第二泵浦源和倍频晶体连接，所述倍频晶体输出530nm绿光，所述压电陶瓷上设置有驱动器，所述驱动器通过第二比例-积分控制器与第二鉴相器连接，所述第二鉴相器分别与频率源和光电探测器PD3连接。
3.根据权利要求1所述的基于飞秒激光的水下频率传递系统，其特征在于，所述第一反射镜的入射光与出射光位于同一直线上。
4.一种使用如权利要求1-3任一所述的基于飞秒激光的水下频率传递系统的水下频率传递方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用频率源作为时钟源，采用脉冲激光器作为光源，并将脉冲激光器的重复频率锁定在时钟源上，脉冲激光器开始发射激光；
S2、令激光垂直入射至第一偏振分束器，旋转调整第一二分之一波片，直至激光在第一偏振分束器中完全沿光路通过，得到竖直偏振方向线偏振光；
S3、令竖直偏振方向线偏振光入射至第一四分之一波片，通过第一四分之一波片得到圆偏振光；
S4、将圆偏振光通过第一反射镜传输至主动相位补偿器，通过主动相位补偿器进行相位补偿，并将相位补偿后的圆偏振光通过第一反射镜发射至水下环境；
S5、通过接收模块接收相位补偿后的圆偏振光，并发射反射激光信号；
S6、将反射激光信号依次通过第一反射镜、主动相位补偿器、第一反射镜、第一四分之一波片和第一偏振分束器传输至光电探测器PD2；
S7、通过第一鉴相器获取频率源的输出信号与光电探测器PD2的输出信号之间的相位误差信号；
S8、根据相位误差信号，通过主动相位补偿器进行实时相位补偿，完成基于飞秒激光的水下频率传递。
5.根据权利要求4所述的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S1中时钟源的初始相位为
Figure FDA0002686170210000021
6.根据权利要求4所述的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S3中圆偏振光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。
7.根据权利要求4所述的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S4中相位补偿后的圆偏振光的相位为
Figure FDA0002686170210000031
其中
Figure FDA0002686170210000032
表示主动相位补偿器对圆偏振光的补偿相位，所述补偿相位
Figure FDA0002686170210000033
采用压电陶瓷控制推杆不断调节光路的光程得到。
8.根据权利要求7所述的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S5中接收模块接收的相位补偿后圆偏振光的相位为
Figure FDA0002686170210000034
其中
Figure FDA0002686170210000035
表示水下环境对激光信号的扰动相位。
9.根据权利要求8所述的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S7中光电探测器PD2的输出信号的相位为
Figure FDA0002686170210000036
10.根据权利要求9所述的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S8中相位误差信号为
Figure FDA0002686170210000037
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