CN114777898B - 一种对称时分复用结构及高可靠光纤水听器阵列系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称时分复用结构及高可靠光纤水听器阵列系统，该系统采用对称延迟结构实现水听器时分复用阵列光路的双备份输入与输出。当阵列上行或下行链路有器件失效时，经切换输入及输出端口，可避开失效器件获得完整的时分复用阵列输出信号；当阵列无失效器件正常工作时，可利用对称阵列获取迈克尔逊干涉型水听器组的两路互补时分复用输出信号，通过对双输出信号的联合解算降噪处理，有效抑制阵缆抖动等共模噪声。本发明应用于光纤传感领域，可大幅度提升光纤水听器潜标阵列的可靠性及噪声性能，也可应用于拖曳阵、岸基阵等形式，实现系统可靠性提升并降低系统噪声。

Description

一种对称时分复用结构及高可靠光纤水听器阵列系统

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体是一种对称时分复用结构及高可靠光纤水听器阵列系统。

背景技术

光纤水听器是一种建立在光纤和光电技术基础上，利用声波对水下声学目标进行探测、定位和识别的光纤传感器。光纤水听器具有体积小、重量轻等优势，可方便地组建各种水下光纤传感网络，为解决关系国家海洋发展战略的水声探测和石油勘探等问题提供了理想的技术途径。光纤水听器的典型应用方式包括海底岸基固定阵、拖曳阵和潜标阵列等，其中潜标阵列具有体积小重量轻、工作地点灵活机动等优点，具有重要的应用前景。但由于潜标阵列通常工作在较深海域，对水听器阵列的耐压性能要求极高，并且阵列悬浮在海水中，受海流等影响导致阵缆随机抖动引入噪声，这些都给光纤水听器潜标阵列的实际应用带来考验。

光纤水听器时分复用阵列技术经历了几十年的发展，已有较为成熟的方案。目前国内外常用阵列结构有“透射独式立干涉阵列”和“反射式匹配干涉阵列”两种，具体结构如下：

“透射独式立干涉阵列”采用单向透射式干涉结构，由光脉冲输入端、下行分束光路、光纤水听器、上行合束光路以及光脉冲信号输出端组成。其中下行分束光路由分束耦合器、延迟光纤、传输光缆以及熔接点构成；光纤水听器采用双臂迈克尔逊独立干涉式结构；上行合束光路由合束耦合器、传输光缆以及熔接点等光无源器件构成。受限于时分复用阵列固有的器件串接模式限制，当上行光路或下行光路某一光纤或光学器件失效时，都会导致该故障点之后的所有时分通道失效，带来巨大代价。此外，该结构中光纤水听器采用单端输入、单端透射输出方式，对于反射端口的信号则未能有效利用，带来信号资源浪费。

“反射式匹配干涉阵列”由补偿干涉仪和时分复用延迟反射串构成的光纤水听器阵列组成。阵列下行上行共用相同光路，包含分束/合束耦合器组、延迟线圈(水听器传感光纤)、反射端面、传输光缆以及熔接点等光无源器件，阵列输入输出端共用光纤并在阵列前端通过光环形器实现输入输出端口的分离。虽然该结构可将阵内光纤及光学器件数目减少约1半，但光学链路上某一光纤或光学器件失效时，均会导致后续所有时分通道失效，阵列可靠性同样难以保证。

以上两种结构的阵列在实际应用过程中，当受海流等外界环境干扰时，阵缆随机抖动均会引入不同程度的噪声，这也是国内外研究的重点之一。已有文献提出在阵列中增加低灵敏度参考水听器，并利用参考水听器与正常水听器的噪声相减或者自适应对消等信号处理手段，实现阵列扰动噪声的抑制。但以上方法需要在阵列内部增加参考水听器，不仅占用时分复用通道浪费通道资源，而且参考水听器与正常水听器分处在时分阵列的不同位置，在实际应用中经历的外界干扰程度也不尽相同，噪声抑制的效果难以得到有效保证。

综上所述，在现有方案中，时分复用阵列内部某一光纤或光学器件失效都会导致故障点后的阵列通道信号缺失。尤其在光纤水听器潜标阵列应用于较深海域时，高压下的光纤/器件失效率更高，阵列可靠性更难保证。为降低光纤/器件失效概率，常规方法有加大器件筛选力度、阵列外部加重铠进行保护等，但由此带来阵列重量急剧增加、阵列成本增加等问题。对于扰动噪声问题，已有方案需要额外光路占用阵列通道资源，并且由于外界干扰的复杂性，阵列扰动噪声的抑制的效果也难以保证。

发明内容

针对上述现有技术中，光纤水听器潜标阵列在实际应用时光纤/器件失效导致的时分复用通道缺失问题，以及阵缆受海流扰动引入的光学噪声问题，本发明提供一种对称时分复用结构及高可靠光纤水听器阵列系统，并兼具扰动噪声抑制功能。

本发明基于光开关切换的对称延迟时分复用结构，仅增加少量光学器件即可实现光纤水听器时分复用阵列光路的双备份输入与输出。当对称阵列上行或下行链路失效时，经切换输入及输出端口，可避开失效器件获得完整的时分复用阵列输出信号，提升阵列可靠性；当阵列无失效器件正常工作时，可利用对称阵列获取迈克尔逊干涉型水听器组的两路互补时分复用输出，将扰动噪声转化为共模噪声，通过双路信号解算与处理即可降低阵缆抖动噪声。该发明可同时实现光纤水听器潜标阵列的冗余备份及噪声抑制，结构简单且易于实现，综合性能相对原有阵列得到极大提升。

为实现上述目的，本发明提供一种对称时分复用结构，包括时分下行链路、时分上行链路与水听器阵列；

所述时分下行链路包括第一光环形器与若干第一分束耦合器，所述时分上行链路包括第二光环形器与若干第二分束耦合器，所述水听器阵列若干水听器；

所述第一光环形器以及各所述第一分束耦合器串联，且各所述第一分束耦合器分别与所述水听器相连，以将经由所述第一光环行输入的第一输入脉冲光等比例分配到各所述水听器；

所述第二光环形器以及各所述第二分束耦合器串联，且各所述第二分束耦合器分别与所述水听器相连，以将经由所述第二光环行输入的第二输入脉冲光等比例分配到各所述水听器。

在另一个实施例中，所述第一分束耦合器、所述第二分束耦合器的数量均为N-1个，所述水听器的数量均为N个；

所述第一光环形器、所述第一分束耦合器、所述第二光环形器、所述第二分束耦合器均具有第一端口、第二端口与第三端口，所述水听器具有互补的第一端口与第二端口；

所述第一光环形器的第一端口为所述第一输入脉冲光的输入端，所述第一光环形器的第三端口为所述时分下行链路的输出端，所述第一光环形器的第二端口与第一个第一分束耦合器的第一端口相连；

第i个第一分束耦合器的第一端口通过第一延迟光纤与第i-1个第一分束耦合器的第二端口相连，第j个第一分束耦合器的第三端口与第j个水听器的第一端口相连，第N个第一分束耦合器的第二端口与第N个水听器的第一端口相连；

所述第二光环形器的第一端口为所述第二输入脉冲光的输入端，所述第二光环形器的第三端口为所述时分上行链路的输出端，所述第二光环形器的第二端口与第一个第二分束耦合器的第一端口相连；

第i个第二分束耦合器的第一端口通过第二延迟光纤与第i-1个第二分束耦合器的第二端口相连，第j个第二分束耦合器的第三端口与第j个水听器的第二端口相连，第N个第二分束耦合器的第二端口与第N个水听器的第二端口相连；

其中，i＝2～N-1，j＝1～N-1，N为大于1的自然数。

在另一个实施例中，各所述第一延迟光纤与各所述第二延迟光纤的长度均相等，为：

式中，L为第一延迟光纤、第二延迟光纤的长度，c为真空中光速，n为阵内光纤折射率，τ为时分复用相邻通道间延迟时间，L₀为相邻通道间物理间距加上光纤冗余。

在另一个实施例中，所述水听器的光学结构为迈克尔逊光纤干涉型；

所述水听器包括50％分束比耦合器、传感臂、参考臂、第一法拉第旋光镜与第二法拉第旋光镜，所述50％分束比耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口与第四端口，其中，所述50％分束比耦合器的第一端口即为所述水听器的第一端口，所述50％分束比耦合器的第二端口即为所述水听器的第二端口；

所述50％分束比耦合器的第三端口通过所述传感臂与所述第一法拉第旋光镜相连，所述50％分束比耦合器的第四端口通过所述参考臂与所述第二法拉第旋光镜相连。

为实现上述目的，本发明还提供一种高可靠光纤水听器阵列系统，包括光发射单元、光接收单元以及上述对称时分复用结构；

所述光发射单元通过光开关与所述第一光环形器的第一端口或所述第二光环形器的第一端口相连，所述第一光环形器的第三端口、所述第二光环形器的第三端口均与所述光接收单元相连。

在另一个实施例中，所述光发射单元包括窄线宽激光器与光脉冲发生器，所述光脉冲发生器的输入端与所述窄线宽激光器的输出端相连，以将所述窄线宽激光器输出的连续光斩波为时分复用脉冲光后输出；

所述光脉冲发生器的输出端与所述光开关的输入端相连，所述光开关的第一输出端通过第一输入光纤与所述第一光环形器的第一端口相连，所述光开关的第二输出端通过第二输入光纤与所述第二光环形器的第一端口相连。

在另一个实施例中，所述光接收单元包括信号处理控制单元、第一光电探测器、第一模数转换器、第二光电探测器、第二模数转换器；

所述第一光环形器的第三端口通过第一输出光纤与所述第一光电探测器相连，所述第一光电探测器、第一模数转换器、所述信号处理控制单元依次电连接；

所述第二光环形器的第三端口通过第二输出光纤与所述第二光电探测器相连，所述第二光电探测器、第二模数转换器、所述信号处理控制单元依次电连接。

在另一个实施例中，所述信号处理控制单元通过脉冲同步信号线与所述光脉冲发生器电连接。

在另一个实施例中，所述信号处理控制单元通过切换控制线与所述光开关电连接。

与现有技术相比，本发明提供的一种对称时分复用结构及高可靠光纤水听器阵列系统具有如下有益技术效果：

1、现有时分复用阵列只在下行或上行光路上有延迟光纤，上行和下行光路延时不对称或共用上下行光路，因此只能输出单方向时分复用光场，无法实现阵列输出信号的双向备份。本发明提出一种对称双延迟线的阵列结构，在不增加延迟光纤总长的条件下实现了阵列透射光场与反射光场的对称互补双输出，在下行光路或者上行光路有器件失效的情况下均可保持阵列返回信号的完整性。该方案仅增加少量光学器件即实现时分复用阵列光路的双备份，有效提高了阵列可靠性；

2、现有时分复用阵列利用参考水听器实现阵列扰动等噪声的相消抑制，该方案需要附加光路并占用时分通道，并且由于参考水听器与正常水听器光路不同噪声也不尽相同，噪声抑制效果难以保证。本发明提出一种上下行光路对称的时分复用阵列结构，可同时获取阵列自身的透射及反射两路互补信号，通过解时分复用并对各水听器互补信号的联立解算，即可实现阵缆抖动引入共模噪声的抑制。该方案不需要额外光路及时分通道，方法简单易于实现；水听器两路互补信号理论上只相差固定的π相移，其余特性一致，因此互补解算的噪声抑制效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中高可靠光纤水听器阵列系统的结构图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

基于光纤水听器时分复用潜标阵列在海洋应用中光学器件、阵内光缆断裂导致的通道失效问题，以及阵列光缆扰动导致的系统噪声问题，本实施例公开了一种对称时分复用结构的高可靠光纤水听器阵列系统，该系统具有光路备份及共模噪声抑制功能，可大幅提升阵列可靠性并降低系统噪声。能够在不显著增加阵列光学器件的条件下，基于光开关及环形器实现水听器时分复用阵列上下行光路的双备份输入输出，在上行或下行光路有器件失效的情况下仍能保证完整的阵列信号输出。在阵列无失效器件的正常工作状态下，通过上下行双延迟线对称的时分复用阵列结构的双备份端口，可获取时分阵列内部迈克尔逊干涉型光纤水听器的两组互补输出信号，经时分复用阵列信号的双路解算与处理，实现阵缆抖动等共模噪声的抑制。

参考图1，本实施例中的光纤水听器时分复用阵列系统主要由光发射单元、对称时分复用结构、光接收单元三部分组成。

光发射单元包括窄线宽激光器与光脉冲发生器。其中，窄线宽激光器用于输出连续光，光脉冲发生器的输入端与窄线宽激光器的输出端通过光纤相连，光脉冲发生器用于将窄线宽激光器输出的连续光斩波为时分复用脉冲光后输出至光开关，再由光开关完成下行光在光输入1(即图1中的I_in1)和光输入2(即图1中的I_in2)之间的切换。

本实施例中，对称时分复用结构由时分下行链路、时分上行链路与水听器阵列三部分组成，时分上行链路结构与下行链路完全对称。时分下行链路包括第一光环形器与若干第一分束耦合器，时分上行链路包括第二光环形器与若干第二分束耦合器，水听器阵列若干水听器；第一光环形器以及各第一分束耦合器串联，且各第一分束耦合器分别与水听器相连，以将经由第一光环行输入的第一输入脉冲光等比例分配到各水听器；第二光环形器以及各第二分束耦合器串联，且各第二分束耦合器分别与水听器相连，以将经由第二光环行输入的第二输入脉冲光等比例分配到各水听器。

在具体实施过程中，以N重时分复用的水听器阵列为例：

时分下行链路包括第一光环形器CIR₁、N-1个第一分束耦合器C₁～C_N-1、N-1个第一延迟光纤D₁～D_N-1、阵内下行传输光缆以及若干光纤熔接点。时分上行链路包括第二光环形器CIR₂、N-1个第二分束耦合器C₁′～C_N-1′、N-1个第二延迟光纤D₁′～D_N-1′、阵内上行传输光缆以及若干光纤熔接点。水听器阵列包括N个水听器S₁～S_N。

第一光环形器CIR₁具有第一端口、第二端口与第三端口，其中，第一端口为光输入1的输入端，第三端口为光输出1的输出端，第二端口则用于与第一分束耦合器串联。第一分束耦合器具有第一端口、第二端口与第三端口，其中，第一端口用于输入或耦合输出，第二端口、第三端口用于分束输出或输入。第二光环形器CIR₂具有第一端口、第二端口与第三端口，其中，第一端口为光输入2的输入端，第三端口为光输出2的输出端，第二端口则用于与第二分束耦合器串联。第二分束耦合器具有第一端口、第二端口与第三端口，其中，第一端口用于输入或耦合输出，第二端口、第三端口用于分束输出或输入。

水听器具有第一端口与第二端口。具体地，水听器的光学结构为迈克尔逊光纤干涉型。水听器包括50％分束比耦合器C、传感臂、参考臂、第一法拉第旋光镜FRM₁与第二法拉第旋光镜FRM₂。其中，50％分束比耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口与第四端口，其中，50％分束比耦合器的第一端口即为水听器的第一端口(即图1中的“+”端口A_out)，50％分束比耦合器的第二端口即为水听器的第二端口(即图1中的“-”端口B_out)。50％分束比耦合器的第三端口通过传感臂与第一法拉第旋光镜相连，50％分束比耦合器的第四端口通过参考臂与第二法拉第旋光镜相连。水听器具有“+”、“-”两个互补端口，当输入光从“+”、端口或“-”端口输入水听器时，“+”端口、“-”端口均有干涉信号光输出，分别为反射光和透射光。并且由于耦合器端口耦合特性差异，“+”、“-”两互补端口输出干涉光具有固定相位差π，且均包含待测传感相位信息

该N重时分复用的水听器阵列的连接结构为：

第一光环形器CIR₁的第二端口2与第一个第一分束耦合器C₁的第一端口1通过阵内传输光缆相连；

第i个第一分束耦合器C_i的第一端口1通过具有第一延迟光纤D_i的阵内传输光缆与第i-1个第一分束耦合器C_i-1的第二端口2相连，第j个第一分束耦合器C_j的第三端口3通过下行传输光纤与第j个水听器S_j的第一端口(“+”端口)相连，第N个第一分束耦合器C_N的第二端口2与第N个水听器S_N的第一端口(“+”端口)相连；

第二光环形器CIR₂的第二端口2与第一个第二分束耦合器C₂′的第一端口1通过阵内传输光缆相连；

第i个第二分束耦合器C_i′的第一端口1通过具有第二延迟光纤D_i′的阵内传输光缆与第i-1个第二分束耦合器C_i-1′的第二端口2相连，第j个第二分束耦合器C_j′的第三端口3通过上行传输光纤与第j个水听器的第二端口(“-”端口)相连，第N个第二分束耦合器C_N′的第二端口2与第N个水听器S_N的第二端口(“-”端口)相连；

其中，i＝2～N-1，j＝1～N-1，N为大于1的自然数，光开关的第一输出端通过第一输入光纤与第一光环形器CIR₁的第一端口1相连，光开关的第二输出端通过第二输入光纤与第二光环形器CIR₂的第一端口1相连。

在时分下行链路中，C₁～C_N-1具有不同耦合比，C₁～C_N-1与D₁～D_N-1以及阵内传输光缆串行连接，可将输入脉冲光I_in1等比例分配到N个水听器基元S₁～S_N。在时分上行链路中，C₁′～C_N-1′具有不同耦合比，C₁′～C_N-1′、与D₁′～D_N-1′以及阵内传输光缆串行连接，可将输入脉冲光I_in2等比例分配到N个水听器基元S₁～S_N。其中，C₁′～C_N-1′与C₁～C_N-1的耦合器比依次完全相同，且D₁′～D_N-1′与D₁～D_N-1的长度均相等，且满足以下关系：

式中，L为各第一延迟光纤、各第二延迟光纤的长度，c为真空中光速，n为阵内光纤折射率，τ为时分复用相邻通道间延迟时间，L₀为相邻通道间物理间距加上光纤冗余。

根据上式可知，若时分复用脉冲光由光输入1输入时分下行链路时，通过下行链路的延迟光纤D₁～D_N-1，可实现τ/2的时分复用阵列通道延迟。C₁′～C_N-1′与D₁′～D_N-1′以及上行传输光缆串行连接，可将水听器S₁～S_N在“-”端口的输出光依次延迟τ/2，合束为时分复用干涉脉冲光序列I_out2，再依次经过第二环形器CIR₂的第二端口2、第三端口3输出。此外，水听器S₁～S_N在“+”端口的输出光经时分下行链路反向传输，依次延迟τ/2后，合束为时分复用干涉脉冲光序列I_out1，再依次经过第一环形器CIR₁的第二端口2、第三端口3输出。

光接收单元包括信号处理控制单元、第一光电探测器D₁、第一模数转换器A/D₁、第二光电探测器D₂、第二模数转换器A/D₂，其中，信号处理控制单元通过脉冲同步信号线与光脉冲发生器电连接，信号处理控制单元通过切换控制线与光开关电连接，以进行时分复用脉冲光的输入切换控制。第一光环形器CIR₁的第三端口3通过第一输出光纤与第一光电探测器D₁相连，第一光电探测器D₁、第一模数转换器A/D₁、信号处理控制单元依次电连接；第二光环形器CIR₂的第三端口3通过第二输出光纤与第二光电探测器D₂相连，第二光电探测器D₂、第二模数转换器A/D₂、信号处理控制单元依次电连接。I_out1和I_out2两路时分复用输出光在接收端同时经探测器D₁、D₂完成光电转换并由A/D₁、A/D₂模数转换后，送入信号处理及控制单元，完成阵列干涉相位信息的解调及后续处理。

下面对本实施例中光纤水听器时分复用阵列系统的光路备份功能进行说明。

光纤水听器潜标阵列通道失效原因通常有以下三种类情况：

1)光纤水听器探头故障：包括探头无干涉、无光等；

2)时分复用下行传输链路故障：包括阵内下行传输光纤/光缆断裂，光纤分束耦合器、延迟光纤环等光学器件失效，下行链路光纤熔接点断裂等；

3)时分复用上行传输链路故障：包括阵内上行传输光纤/光缆断裂，光纤合束耦合器、延迟光纤环等光学器件失效，上行光纤熔接点断裂等。

其中，1)类故障通常仅引起单个位置的通道失效，对阵列影响相对较小；而2)、3)两类故障会导致链路故障点之后的该组时分通道全部失效，且故障点越靠近链路前端，失效通道数将越多。例如在水听器S₁与S₂之间的传输链路故障，会造成故障点之后S₂～S_N的所有通道失效。因此本实施例方案针对2)、3)两类故障，更改已有常规单向非对称阵列结构为双向对称阵列，实现了下行与上行光路的双备份。

当时分复用上行传输链路故障时，经上下行链路透射式传输的光输出2中I_out2部分通道失效；而由上行链路往返传输的光输出1中I_out1通道未受故障影响，因此通过对I_out1进行解时分复用及相位解调，可获得该时分复用阵列完整的传感信息。

当时分复用下行传输链路故障时，接收端信号处理单元检测到I_out1和I_out2有相同的通道失效，此时控制单元通过控制线启动发射端的光开光器件，将下行激光从输入1端口切换至输入2端口，并经过CIR₂的1端口和2端口接入原有上行传输链路。信号光经上行传输链路传输并分为等比例的N路后，依次进入S₁～S_N的“-”端口，S₁～S_N的干涉输出信号再经“-”端口返回至上行传输链路。经过上行传输链路往返传输的时分复用阵列信息由CIR₂的3端口输出，成为新的光输出2，即I_out2′。由于I_out2′未经过下障行传输故点，对I_out1进行解时分复用及相位解调，可获得该时分复用阵列完整的传感信息；

本实施例中时分复用阵列采用了等长的对称双延迟线结构，C₁′～C_N-1′与C₁～C_N-1的耦合器比完全相同，D₁′～D_N-1′与D₁～D_N-1的长度相同均为L，上下行传输光缆等长均为L₀，各备份条件下仅有差异为光纤水听器的输入、输出光方向不同，因此I_out1与I_out2的对应水听器通道均包含阵列待测信号，而I_out2与I_out2′对应水听器通道也包含阵列待测信号，因此更改输入端和输出端口后均不会对传感信号接收产生影响。

综上，本实施例提出一种上下行双延迟线的对称时分复用结构，利用环形器实现了时分复用阵列透射光场与反射光场的对称互补双输出。在时分复用阵列上行光路有器件失效的状态下，仅接收阵列反射光场，即可避开失效器件实现时分复用阵列完整传感信息的接收；在时分复用阵列下行光路有器件失效的状态下，通过光开关实现阵列输入光方向的切换，并接收方向更改后的阵列反射光场，也可避开失效器件实现时分复用阵列完整传感信息的接收。

下面对本实施例中光纤水听器时分复用阵列系统的共模噪声抑制功能进行说明。

根据图1所示结构，在阵列正常工作情况下，上下行传输链路均无故障时，阵列将返回互补的两路干涉脉冲光序列I_out1、I_out2，且两路返回光中对应水听器通道的干涉固定相位差为π。以时分复用阵列中水听器S₁的两路输出信号为例，其干涉光强I_outS1(t)、IoutS2(t)可表示为：

其中A、B分别为S₁的干涉光强直流量和交流量；为S₁的待测声/振动传感信息；为系统相位噪声，主要由激光器频率漂移等噪声引入；I_n1(t)和I_n2(t)分别为“+”、“-”两条链路的光强度噪声。对于光纤水听器潜标阵列，主要由海流扰动阵列并改变光场特性而引入光强度噪声。由于阵列采用完全对称结构，I_outs1与I_outs2经历的扰动基本一致，I_n1(t)与I_n2(t)可近似为共模强度噪声，即I_n1(t)≈I_n2(t)。虽然I_n1(t)和I_n2(t)为光强度噪声，但经过对I_outs1与I_outs2单独相位解调后，I_n1(t)和I_n2(t)分别转换为水听器的两路相位噪声，最终降低系统对微弱信号的探测性能。

根据I_outS1和I_ouhtS2的互补特性，本实施例提出将上式中的I_outS1和I_ouhtS2相减，可得：

其中，δI_n(t)＝I_n1(t)-I_n2(t)。由上式可知，通过两路共模噪声相减后δI_n(t)<<I_n1(t)或I_n2(t)，因此由阵缆抖动等引入的光强度噪声将得到有效抑制。

综上，本实施例设计了一种对称时分复用阵列结构，在时分复用阵列没有器件失效的正常工作状态下，可同时接收阵列的透射及反射光场，获取时分复用各水听器探头的“+”、“-”两路互补干涉信号，通过对解复用后S₁～S_N的每两路干涉信号进行相减，实现共模强度噪声的对消抑制。然后再对噪声抑制后的N路信号进行相位解调，即可获得待测阵列的低噪声传感信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种对称时分复用结构，其特征在于，包括时分下行链路、时分上行链路与水听器阵列；

所述时分下行链路包括第一光环形器与若干第一分束耦合器，所述时分上行链路包括第二光环形器与若干第二分束耦合器，所述水听器阵列包括若干水听器；

所述第一光环形器以及各所述第一分束耦合器串联，且各所述第一分束耦合器分别与所述水听器相连，以将经由所述第一光环形器输入的第一输入脉冲光等比例分配到各所述水听器；

所述第二光环形器以及各所述第二分束耦合器串联，且各所述第二分束耦合器分别与所述水听器相连，以将经由所述第二光环形器输入的第二输入脉冲光等比例分配到各所述水听器；

所述第一分束耦合器、所述第二分束耦合器的数量均为N-1个，所述水听器的数量为N个；

所述第一光环形器、所述第一分束耦合器、所述第二光环形器、所述第二分束耦合器均具有第一端口、第二端口与第三端口，所述水听器具有互补的第一端口与第二端口；

所述第一光环形器的第一端口为所述第一输入脉冲光的输入端，所述第一光环形器的第三端口为所述时分下行链路的输出端，所述第一光环形器的第二端口与第一个第一分束耦合器的第一端口相连；

第i个第一分束耦合器的第一端口通过第一延迟光纤与第i-1个第一分束耦合器的第二端口相连，第j个第一分束耦合器的第三端口与第j个水听器的第一端口相连，第N个第一分束耦合器的第二端口与第N个水听器的第一端口相连；

所述第二光环形器的第一端口为所述第二输入脉冲光的输入端，所述第二光环形器的第三端口为所述时分上行链路的输出端，所述第二光环形器的第二端口与第一个第二分束耦合器的第一端口相连；

第i个第二分束耦合器的第一端口通过第二延迟光纤与第i-1个第二分束耦合器的第二端口相连，第j个第二分束耦合器的第三端口与第j个水听器的第二端口相连，第N个第二分束耦合器的第二端口与第N个水听器的第二端口相连；

其中，i＝2～N-1，j＝1～N-1，N为大于1的自然数；

各所述第一延迟光纤与各所述第二延迟光纤的长度均相等，为：

式中，L为第一延迟光纤、第二延迟光纤的长度，c为真空中光速，n为阵内光纤折射率，τ为时分复用相邻通道间延迟时间，L₀为相邻通道间物理间距加上光纤冗余；

所述水听器的光学结构为迈克尔逊光纤干涉型；

所述水听器包括50％分束比耦合器、传感臂、参考臂、第一法拉第旋光镜与第二法拉第旋光镜，所述50％分束比耦合器具有第一端口、第二端口、第三端口与第四端口，其中，所述50％分束比耦合器的第一端口即为所述水听器的第一端口，所述50％分束比耦合器的第二端口即为所述水听器的第二端口；

所述50％分束比耦合器的第三端口通过所述传感臂与所述第一法拉第旋光镜相连，所述50％分束比耦合器的第四端口通过所述参考臂与所述第二法拉第旋光镜相连；

在对称时分复用结构阵列正常工作情况下，时分下行链路与时分上行链路均无故障时，阵列将分别经由时分下行链路、时分上行链路返回互补的两路干涉脉冲光序列，且两路返回光中对应水听器通道的干涉固定相位差为π。

2.一种高可靠光纤水听器阵列系统，其特征在于，包括光发射单元、光接收单元以及权利要求1所述对称时分复用结构；

所述光发射单元通过光开关与所述第一光环形器的第一端口或所述第二光环形器的第一端口相连，所述第一光环形器的第三端口、所述第二光环形器的第三端口均与所述光接收单元相连。

3.根据权利要求2所述高可靠光纤水听器阵列系统，其特征在于，所述光发射单元包括窄线宽激光器与光脉冲发生器，所述光脉冲发生器的输入端与所述窄线宽激光器的输出端相连，以将所述窄线宽激光器输出的连续光斩波为时分复用脉冲光后输出；

所述光脉冲发生器的输出端与所述光开关的输入端相连，所述光开关的第一输出端通过第一输入光纤与所述第一光环形器的第一端口相连，所述光开关的第二输出端通过第二输入光纤与所述第二光环形器的第一端口相连。

4.根据权利要求3所述高可靠光纤水听器阵列系统，其特征在于，所述光接收单元包括信号处理控制单元、第一光电探测器、第一模数转换器、第二光电探测器、第二模数转换器；

所述第一光环形器的第三端口通过第一输出光纤与所述第一光电探测器相连，所述第一光电探测器、第一模数转换器、所述信号处理控制单元依次电连接；

所述第二光环形器的第三端口通过第二输出光纤与所述第二光电探测器相连，所述第二光电探测器、第二模数转换器、所述信号处理控制单元依次电连接。

5.根据权利要求4所述高可靠光纤水听器阵列系统，其特征在于，所述信号处理控制单元通过脉冲同步信号线与所述光脉冲发生器电连接。

6.根据权利要求4所述高可靠光纤水听器阵列系统，其特征在于，所述信号处理控制单元通过切换控制线与所述光开关电连接。