CN112197938A - 一种光纤水听器阵列光程差的测试设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体说是一种光纤水听器阵列光程差测试设备及方法，它将扫频光源发出的光输入所述声光调制器的输入端，由所述声光调制器的输出端进入一分二光纤耦合器。光分成两束分别进入所述补偿光路输入端和测试光路的第一输入端。所述补偿光路输出端的光进入所述第一光电探测器，所述测试光路输出端的光与被测光纤水听器的光一同进入所述第二光电探测器。两个所述光电探测器将光信号转换为电信号，电信号被所述数据采集卡采集输入所述计算机，结合阵列光程差解调算法可以用于计算出阵列中每个水听器单元的光程差值，解决了现有技术无法满足光纤水听器阵列光程差实时在线检测需求的问题。

Description

一种光纤水听器阵列光程差的测试设备及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说，本发明涉及一种光纤水听器阵列光程差测试设备及方法。

背景技术

光纤水听器阵列主要用于海洋环境中的声学信号探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验以及海洋石油勘探、海洋地质调查的先进探测手段。由于光纤水听器灵敏度非常高，在海洋背景噪声条件下分辨目标的能力远高于传统声呐，特别是能够感觉到振动频率较低的信号，因此可以探测到现代化安静型潜艇，已经成为各国反潜探测系统发展中的一大热点。

由于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，它是通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，经光纤传至信号处理系统提取声信号信息。为了确保阵列具有较高的声学性能，要求阵元性能一致性高，作为阵列关键技术指标的阵元等效噪声的一致性极大程度由阵元光程差一致性决定；而且，阵元光程差一致性控制还是有效降低阵列相位噪声的关键技术之一。因此，不仅需要在阵列装配初期对阵列光程差进行在线检测，作为阵列生产质量管理的重要监控手段；而且在声呐装备深海工作期间，也需要对水听器阵列光程差进行实时在线检测，及时获得阵元光程差的动态变化，并对可能的不一致进行技术补偿，从而有效降低阵列相位噪声，很好的保证水听器阵列声学性能。

在光程差测试领域，国内外有三种可供选择的技术，即光学低相干反射测试技术、光时域反射测试技术以及光频域反射测试技术。现有的光纤水听器光程差测试设备基于以上三种技术研发，其中：光学低相干反射测试仪，需要人工调节每次测量只能实现一个阵列单元的光程差测试，无法同时实现所有阵列单元光程差的在线测量；光时域反射计测量范围达到几十公里，但其距离分辨率只能到米量级；光频域反射计长度分辨率为亚毫米量级，但测量范围只能达到百米量级。

光纤水听器阵列是由成百上千个光纤水听器单元组成，其长度可达到几公里至十几公里以上，同时在阵列组阵的过程中需要应用到阵列波分复用、阵列时分复用等复用技术。对光纤水听器阵列光程差进行测试，要求测量范围达到十几公里以上，而精度仍然可达到毫米级，同时要与阵列的复用技术相匹配。

中国专利CN201911100276.6公开了一种光纤水听器阵列光程差测试设备、方法及装置。所述光纤水听器阵列光程差测试设备中激光光源为光脉冲发生器，光源线性度较差，上升沿下降沿较慢，消光比较差，所述参考干涉仪结构也并没有公开。此专利所述的测试方法也只适用于单单采用时分复用技术或者单单采用波分复用技术的光纤水听器阵列。所述方法中，对于如何达成非线性效应补偿也没有一个较佳的解决方案。

因此，有必要提供一种光纤水听器阵列光程差的测试设备及方法，以满足光纤水听器阵列装配初期及装备深海工作期间阵列光程差在线检测的应用需求。

发明内容

本发明为一种光纤水听器阵列光程差测试设备及方法，可以将被测的光纤水听器阵列接入本发明设备中，结合阵列光程差解调算法可以计算出阵列中每个水听器单元的光程差值。

本发明的技术方案为：

一种光纤水听器阵列光程差测试设备，其特征在于：包括扫频光源1、声光调制器2、光纤耦合器一3、补偿光路4、测试光路5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、数据采集卡8、计算机9；所述扫频光源1的光输出端接入所述声光调制器2 的输入端，所述声光调制器2的输出端接入所述光纤耦合器一3的输入端，所述光纤耦合器一3将光分成两束分别进入补偿光路4与测试光路5的输入端，所述补偿光路4作为对所述测试光路5非线性效应补偿的参考光路，被测光纤水听器阵列10 接入所述测试光路5，所述测试光路5的输出端接入所述第二光电探测器7，所述第一光电传感器6与所述第二光电传感器7的输出端接入数据采集卡8的输入端，所述数据采集卡8的输出端与计算机9相连。

进一步地，所述光纤耦合器一3为一分二光纤耦合器或2x2耦合器。

进一步地，所述补偿光路4包含光纤耦合器二、光纤延迟线、反射镜，所述光纤耦合器二的左侧两个端口，一个端口与所述光纤耦合器一3的一个输出端口连接，另一端口接入所述第一光电探测器6的输入端；所述光纤耦合器二的右侧端口分别与第一反射镜和第二反射镜连接；所述测试光路5包含光纤耦合器三、光纤延迟线、反射镜，所述光纤耦合器三的左侧两个端口，一个端口与所述光纤耦合器3 的一个输出端口连接，另一端口接入所述第二光电探测器7的输入端，右侧两个端口分别连接反射镜和光纤接头，通过光纤接头连接所述被测光纤水听器阵列10。

进一步地，所述光纤耦合器二和所述光纤耦合器三为2x2耦合器。

一种使用上述光纤水听器阵列光程差测试设备的光纤水听器阵列光程差测试方法，其特征在于：

步骤1:配置光源参数，读取阵列测试数据

配置扫频光源1参数，设置声光调制器2的调制周期，确保脉冲信号经时分器件延时后不发生交叠，完成阵列测试数据的数字化读取；

步骤2:波分时分数据提取

通过高通滤波器滤除所采集的干涉波形中的低频噪声分量，对每个脉冲波形进行重采样，取脉冲峰值中的平坦部分分量，进行多点平均，平均后的值作为新的采样点；平均后的新的采样点，依次重排组成新的干涉波形；

步骤3：时分波分数据重组

将重采样后的干涉波形先拆解为数个波分，每一个波分中的数据再依次拆解为数个时分，具体个数由所述被测光纤水听器阵列10的波长数决定；拆解后的波分时分数据给出数据标记，然后按照波分和时分的次序依次打包为数组数据；

步骤4：还原阵元拍频信号

将步骤3中的数据拆解为单个阵元的数据，还原成单个阵元的拍频信号，依次进行运算；

步骤5:非线性效应补偿

为实现非线性效应补偿，以所述补偿光路4采集到的波形信息重构采样时钟；再使用重构后的采样时钟，对所述测试光路5采集到的干涉信号进行重采样处理，重采样处理后的干涉信号就被消去非线性调谐的部分，得到仅包含待测阵列光程差信息的重采样信号；

步骤6:光频域解调，计算光程差

对重采样信号进行傅里叶变换，将信号从f_b频域转换为距离域，通过距离域的信息标注被测光程测试单元的反射面，计算对应的光反射面的距离差，再引入光纤实际折射率，即可得到光程差。

本发明的有益效果在于：

1、与传统测量方式比，可以更快捷、精准地测量出光纤水听器阵列中光程测试单元的光程差。

2、适用的测量对象包括各种复用结构(空分、时分、波分)的光纤水听器阵列。

3、将光频域反射技术与波分时分复用技术结合，得以实现对光纤水听器阵列中多个光程测试单元的测量。

附图说明

图1：一种光纤水听器阵列光程差测试设备；

图2：补偿光路结构示意图；

图3：测试光路结构示意图；

图4：光纤水听器阵列结构示意图；

图5：非线性扫频下的光频图；

图6：线性扫频下的光频图；

图7：非线性扫频下的干涉信号图；

图8：线性扫频下的干涉信号图；

图9：非线性扫频下的拍频图；

图10：线性扫频下的拍频图；

图11：阵列数据读取波形图；

图12：混合复用波形图；

图13：波分提取示意图；

图14：时分提取示意图；

图15：测试方法流程图。

附图标记说明：

1、扫频光源；2、声光调制器；3、光纤耦合器一；4、补偿光路；5、测试光路；6、第一光电探测器；7、第二光电探测器；8、数据采集卡；9、计算机；10、被测光纤水听器阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施办法对本发明作进一步详细的说明。

实施例1:

本实施例由扫频光源1、声光调制器2、光纤耦合器一3、补偿光路4、测试光路5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、数据采集卡8、计算机9组成。

所述光纤耦合器一3可选一分二光纤耦合器、2x2光纤耦合器等可将光分为至少两路的耦合器，本实施例中，光纤耦合器一3为一分二光纤耦合器，所述数据采集卡为NI-5105。

首先将扫频光源1发出的光输入声光调制器2的输入端。上述扫频光源为线性扫频激光器。再将声光调制器2的输出端连接光纤耦合器一3的输入端，光经声光调制器2对光信号施加幅度调制进入光纤耦合器并一分为二后输出。

随后将光纤耦合器一3的两输出端，分别输入补偿光路4与测试光路5的输入端。所述补偿光路4输出端的光进入所述第一光电探测器6。所述测试光路5输出端的光进入所述第二光电探测器7。

光经两个所述光电探测器将光信号转换为电信号，电信号被所述数据采集卡8 采集输入所述计算机9。

补偿光路4结构见图2，由光纤耦合器二(本实施例选用2x2耦合器)、第一反射镜和第二反射镜组成，2x2耦合器的左侧两个端口，一个端口与所述光纤耦合器一 (3)的一个输出端口连接，另一端口接入所述第一光电探测器(6)的输入端；2x2 耦合器的右侧端口分别与第一反射镜和第二反射镜连接。入射光进入2x2耦合器一侧的输入端，通过2x2耦合器分为两束光后分别进入第一反射镜和第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜的反射光返回2x2耦合器，产生干涉，干涉光通过2x2耦合器的输出端输出到第一光电探测器6。

测试光路5结构见图3，由光纤耦合器三(本实施例选用2x2耦合器)、反射镜和光纤接头组成，所述2x2耦合器的左侧两个端口，一个端口与所述光纤耦合器 (3)的一个输出端口连接，另一端口接入所述第二光电探测器(7)的输入端；右侧两个端口分别连接反射镜和光纤接头，通过光纤接头连接所述被测光纤水听器阵列(10)；光纤接头接被测光纤水听器阵列10，被测光纤水听器阵列10的反射光与反射镜返回的反射光返回2x2耦合器，产生干涉，干涉光通过2x2耦合器的输出端输出。

1.测试方法

本发明所述的光纤水听器阵列光程差测试方法流程图如图15所示。

本发明所述的光纤水听器阵列光程差测试方法测试方法主要包括以下几个步骤：

步骤1：激光器参数配置以及阵列数据读取

配置扫频光源1参数，通过控制软件设置可调谐激光器输出光，起始波长为1525nm、截止波长为1565nm、输出光功率为10mw、波长调谐速率为40nm/s。上述参数应根据阵列实际情况进行调整，但中心波长与波长调谐范围必需覆盖阵列波分复用通道波段范围。通过信号发生器，设置声光调制器2的调制周期，常用的脉冲信号设置参数为频率：100kHz-1MHz，脉宽：100ns-600ns，上升沿下降沿时间： 15ns。通过数据采集卡与计算机，实现第一光电探测器和第二光电探测器数据同步触发采集，完成阵列测试数据的数字化读取，读取到的波形见图11。

步骤2：波分时分数据提取

在实现阵列光程差测试方法时，由于光纤水听器阵列中具有波分复用结构，不同的阵元可以通过的光频率是不同的，当宽频段的扫频光进入阵列后，每个阵元返回的光信号都只包含某一个很窄的光频带范围，在阵列出阵端多个阵元的返回光完成合波，合波后产生的是一组在时域上由多段非连续正弦波形组成的混合信号，混合信号中的每一段正弦波形都对应着光频域中的光频信号。同时，光纤水听器阵列中还具有时分复用结构，光源发出的连续光通过一个脉冲调制器调制为脉冲光，脉冲光进入每个阵元后，返回光是在时域上具有固定时延依次排布的多个脉冲信号。考虑到光纤水听器阵列同时具有以上两种波分复用结构和时分复用结构，最终阵列的出阵端通过光电转换后获得的是一组由波分复用产生的非连续波形和时分复用产生的脉冲信号相叠加的混合复用波形，示意图见图12，所以需要进行波分时分数据提取。

波分时分数据提取包括滤波、解复用、同步。直接采集的干涉信号中包含大量的低频噪声，需要通过高通滤波器滤除低频噪声分量；滤除低频噪声的混合复用波形，需要对每个脉冲波形进行解复用。其中，波分数据提取示意图见图13，图中包含2个波分数据波包，分别对应光纤水听器阵列中的两个波分复用结构。波分数据提取时，在读取到的原始波形中依次选取波分包，提取整个波分包的数据；时分数据提取示意图见图14，在展开的波分包中，包含依次排列的时分脉冲，每一个时分脉冲对应一个水听器的时分复用结构，图中所示的是一个16时分阵列结构。时分复用数据提取时，从1至16按照次序依次选择对应时分序列的数据。解复用完成后，还需要进行数据同步，因为通过补偿光路采集的信号和通过测试光路采集的信号在时延上是有偏差的，需要在通过触发标志位进行信号同步，将两组信号在时序上保持完全一致。

步骤3：时分波分数据重组

重采样后的干涉波形，需要按照波分和时分的次序，重新排布数据点，并按照波分-时分的顺序依次打包为数组数据。取脉冲峰值中的平坦部分分量，进行多点平均，平均后的值作为新的采样点。平均后的新的采样点，依次重排组成新的干涉波形重采样后的干涉波形先拆解为1-n个波分，每一个波分中的数据再依次拆解为1-n 个时分，具体个数由被测光纤水听器阵列(10)的波长数决定，拆解后的波分-时分数据给出数据标记，然后按照波分和时分的次序依次打包为数组数据。

步骤4：还原阵元拍频信号

由于时分波分数据重组后的原始数据数据量非常大，在进行后面的运算时必须拆解为单个阵元的数据，还原成每一个阵元的拍频信号，依次进行运算。还原后的阵元拍频信号见图7。

步骤5：非线性效应补偿

本发明所述的阵列光程差测试方法对激光器光频(波长)调谐的线性度有非常高的要求。理论上，激光器的光频调谐速率γ为一恒值，系统输入光的光频随时间呈线性变化，但实际应用中下γ为一时间变量γ(t)，光频变化的斜率，如图5和图 6所示。此时系统输出的干涉信号为：

拍频表达式变为：

f_b＝γ(t)τ (2)

即系统输出的时域干涉信号相应地从理想正弦信号变为周期不等的信号如图7和图8所示。

从频域更能直观地了解激光器非线性扫频造成的影响。激光器非线性扫频造成信号频域展宽，从原来的单频信号变为多频，如图9和图10所示。

当线性扫频激光器输出的是光频线性调谐光时，干涉信号是一个理想的单频正弦信号，可从式(1)求得阵元光程差。但波长可调谐激光器输出的是非线性扫频信号时，频谱被展宽了，为了获得精确的光程差值，需要对光路进行进一步改进。

为实现非线性效应补偿，本发明在光路中增加了补偿光路5，以补偿光路5采集到的波形信息重构采样时钟；再使用重构后的采样时钟，对测试光路6采集到的干涉信号进行重采样处理，重采样处理后的干涉信号就被消去非线性调谐的部分，得到仅包含待测阵列光程差信息的重采样信号。

步骤6：光频域解调，计算光程差

对重采样信号后的信号进行傅里叶变换，将信号从f_b频域转换为距离域，通过距离域的信息标注被测光程测试单元的反射面，计算对应的光反射面的距离差，再引入光纤实际折射率，即可得到光程差。

阵元光程差表达式为：

对图10中的频域信息进行提取得到拍频频率f_b，乘以频域转换为距离域的转换系数χ，乘以真空中光速c，除以光频调谐速率γ，就可以得到阵元光程差的值ΔL。

2.计算机信息处理流程

信号处理系统开发采用的是一种基于虚拟仪器技术的图形化开发软件LabVIEW。这套软件除了能非常容易地实现对底层硬件的控制、含有丰富的直接可调用的信号运算处理函数模块，还具有良好的人机交互界面，除了要实现激光器调谐控制、模拟信号数字化采样、信号数字滤波、有用信号提取、快速傅立叶转换、数字拟合及功率谱分析等功能之外，还负责各个功能模块之间的协调配合，以及界面显示、参数设置、数据存储等功能。根据上述的阵列光程差解调算法，可以在信号处理系统软件上通过操作计算机的方式实现对距离差的测试。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种光纤水听器阵列光程差测试设备，其特征在于：包括扫频光源(1)、声光调制器(2)、光纤耦合器一(3)、补偿光路(4)、测试光路(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、数据采集卡(8)、计算机(9)；所述扫频光源(1)的光输出端接入所述声光调制器(2)的输入端，所述声光调制器(2)的输出端接入所述光纤耦合器一(3)的输入端，所述光纤耦合器一(3)将光分成两束分别进入补偿光路(4)与测试光路(5)的输入端，所述补偿光路(4)作为对所述测试光路(5)非线性效应补偿的参考光路，被测光纤水听器阵列(10)接入所述测试光路(5)，所述测试光路(5)的输出端接入所述第二光电探测器(7)，所述第一光电传感器(6)与所述第二光电传感器(7)的输出端接入数据采集卡(8)的输入端，所述数据采集卡(8)的输出端与计算机(9)相连。

2.根据权利要求1所述的一种光纤水听器阵列光程差测试设备，其特征在于：所述光纤耦合器一(3)为一分二光纤耦合器或2x2耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种光纤水听器阵列光程差测试设备，其特征在于：所述补偿光路(4)包含光纤耦合器二、光纤延迟线、反射镜，所述光纤耦合器二的左侧两个端口，一个端口与所述光纤耦合器一(3)的一个输出端口连接，另一端口接入所述第一光电探测器(6)的输入端；所述光纤耦合器二的右侧端口分别与第一反射镜和第二反射镜连接；所述测试光路(5)包含光纤耦合器三、光纤延迟线、反射镜，所述光纤耦合器三的左侧两个端口，一个端口与所述光纤耦合器(3)的一个输出端口连接，另一端口接入所述第二光电探测器(7)的输入端，右侧两个端口分别连接反射镜和光纤接头，通过光纤接头连接所述被测光纤水听器阵列(10)。

4.根据权利要求3所述的一种光纤水听器阵列光程差测试设备，其特征在于：所述光纤耦合器二和所述光纤耦合器三为2x2耦合器。

5.一种基于权利要求1-4任一所述的光纤水听器阵列光程差测试设备的光纤水听器阵列光程差测试方法，其特征在于：

步骤1:配置光源参数，读取阵列测试数据

配置扫频光源(1)参数，设置声光调制器(2)的调制周期，确保脉冲信号经时分器件延时后不发生交叠，完成阵列测试数据的数字化读取；

步骤2:波分时分数据提取

通过高通滤波器滤除所采集的干涉波形中的低频噪声分量，对每个脉冲波形进行重采样，取脉冲峰值中的平坦部分分量，进行多点平均，平均后的值作为新的采样点；平均后的新的采样点，依次重排组成新的干涉波形；

步骤3：时分波分数据重组

将重采样后的干涉波形先拆解为数个波分，每一个波分中的数据再依次拆解为数个时分，具体个数由所述被测光纤水听器阵列(10)的波长数决定；拆解后的波分时分数据给出数据标记，然后按照波分和时分的次序依次打包为数组数据；

步骤4：还原阵元拍频信号

将时分波分数据组拆解为单个阵元的数据，还原成单个阵元的拍频信号，依次进行运算；

步骤5:非线性效应补偿

为实现非线性效应补偿，以所述补偿光路(4)采集到的波形信息重构采样时钟；再使用重构后的采样时钟，对所述测试光路(5)采集到的干涉信号进行重采样处理，重采样处理后的干涉信号就被消去非线性调谐的部分，得到仅包含待测阵列光程差信息的重采样信号；

步骤6:光频域解调，计算光程差

对重采样信号进行傅里叶变换，将信号从拍频频域转换为距离域，通过距离域的信息标注被测光程测试单元的反射面，计算对应的光反射面的距离差，再引入光纤实际折射率，即可得到光程差。

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