CN115031823A - 一种分布式光纤水听器解调系统、监听方法及应用 - Google Patents

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丁朋
王彪
张贞凯
李晓曼
毕雪洁
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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤水听器解调系统，包括：数字信号发生器、声光调制器、连续单频激光器、光放大器、环形器、耦合器、光电探测器、零差对称解调运算器、单模光纤；数字信号发生器产生双脉冲信号以及连续单频激光器产生的单频激光信号输入至声光调制器的输入端；声光调制器的输出端与光放大器的输入端连接；光放大器的输出端与环形器的第一端口连接；环形器的第二端口与单模光纤连接；环形器的第三端口与耦合器一端连接；耦合器另一端与光电探测器的一端连接；光电探测器的另一端与零差对称解调运算器连接。本发明采用双脉冲激光，使单模光纤中的瑞利散射光产生干涉光强，通过零差对称解调算法实时解调干涉相位信号。

Description

一种分布式光纤水听器解调系统、监听方法及应用
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于匹配干涉的分布式光纤水听器解调系统、监听方法及应用。
背景技术
水声探测为人类掌握海洋自然规律，从事海洋经济、军事活动提供了重要的技术支撑。光纤式水听器具备灵敏度高、抗电磁干扰等优势，制备成共形阵、线列阵，用于水声目标探测中。光纤水听器线列阵主要由干涉仪型，采用熔接的方式构成干涉仪传感单元再串接成阵，阵内多个熔接点，限制了水听器单元的复用数量；分布式光纤激光器型，通过芯轴结构构成水听器单元，有源传感系统先天单纤复用数量弱；弱反射光纤光栅阵列型，采用拉丝塔在线拉制光栅阵列，制备成本较高；外差解调的分布式光纤型，系统成本低，但采用积分的方式计算拍频信号的相位，信号探测的实时性需要加强。
发明内容
本发明提供了一种分布式光纤水听器解调系统、监听方法及应用，以解决现有技术中熔接点限制复用数量、单纤复用数量弱、成本高、实时性差的问题。
本发明提供了一种分布式光纤水听器解调系统，包括：数字信号发生器、声光调制器、连续单频激光器、光放大器、环形器、耦合器、光电探测器、零差对称解调运算器、单模光纤；
所述数字信号发生器产生双脉冲信号以及所述连续单频激光器产生的单频激光信号输入至所述声光调制器的输入端；所述声光调制器的输出端与所述光放大器的输入端连接；所述光放大器的输出端与所述环形器的第一端口连接；所述环形器的第二端口与所述单模光纤连接；所述环形器的第三端口与所述耦合器一端连接；所述耦合器另一端与所述光电探测器的一端连接；所述光电探测器的另一端与所述零差对称解调运算器连接。
进一步地，所述耦合器为3×3耦合器，所述光电探测器有三个，分别与3×3耦合器的一端连接。
进一步地，所述光放大器为掺铒光纤放大器。
本发明还提供了一种分布式光纤水听器解调系统的监听方法，包括：
步骤1：通过连续单频激光器产生单频激光信号；
步骤2：通过数字信号发生器产生双脉冲信号，双脉冲信号中的两个脉冲信号之间有时差；
步骤3：声光调制器通过双脉冲信号对单频激光信号进行调制产生双脉冲单频激光信号；
步骤4：双脉冲单频激光信号经环形器后在单模光纤中产生两个背向瑞利散射光，分别为前脉冲瑞利散射光、后脉冲瑞利散射光；
步骤5：在每个双脉冲信号周期内选取数个干涉相位信号监测点，数个干涉相位信号监测点将单模光纤分为数段光纤水听器，当光电探测器监测的干涉光强发生变化时，基于耦合器的零差对称解调算法器计算在干涉光强发生变化所在双脉冲信号周期内的数个干涉相位信号监测点的干涉相位信号，并根据数个干涉相位信号监测点之间的干涉相位差计算声波方向。
进一步地，所述单频激光信号为1550nm波段的连续激光。
进一步地，所述单模光纤中产生的两个背向瑞利散射光的瑞利散射光强为：
Figure BDA0003681947360000021
其中，αR为瑞利散射损耗系数，αR＝CR/λ4；CR为常系数；S为俘获系数，S＝(NA/neff)2/m；NA为光纤的数值孔径；neff为光纤的有效折射率；m为常系数，对于单模光纤约为4.55；W为光脉冲的宽度；l为光纤的长度。
进一步地，同一周期内的所述干涉相位信号监测点等间距的进行选取。
进一步地，所述双脉冲信号中的两个脉冲信号之间的时差为：2neffL/c，其中，neff为光纤的有效折射率；L为同一周期内相邻两个干涉相位信号监测点的间距；c为真空中的光速。
本发明还提供了一种分布式光纤水听器解调系统的应用，所述分布式光纤水听器解调系统应用于监听声波波长大于2L的声波，其中L为同一周期内相邻两个干涉相位信号监测点的间距。
本发明的有益效果：
本发明采用双脉冲激光，使单模光纤中的瑞利散射光产生干涉光强；采用3×3零差对称解调算法实时解调干涉相位信号；通过选取光纤上适当位置的干涉相位信号，进行相位对比，得到声波的方向。本发明系统成本较低、实时获取声波方向。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明具体实施例的解调系统连接图；
图2为本发明具体实施例的光强时域图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
如图1所示，本发明实施例提供一种分布式光纤水听器解调系统，包括：数字信号发生器、声光调制器、连续单频激光器、光放大器、环形器、3×3耦合器、三个光电探测器、零差对称解调运算器、单模光纤；
数字信号发生器产生双脉冲信号以及连续单频激光器产生的单频激光信号输入至声光调制器的输入端；声光调制器的输出端与光放大器的输入端连接；光放大器的输出端与环形器的第一端口连接；环形器的第二端口与单模光纤连接；环形器的第三端口与3×3耦合器一端连接；3×3耦合器另一端分别与三个光电探测器的一端连接；三个光电探测器的另一端分别与零差对称解调运算器连接。
其中，光放大器优选掺铒光纤放大器。
本发明具体实施例还提供了一种分布式光纤水听器解调系统的监听方法，包括：
步骤1：通过连续单频激光器产生1550nm波段的连续单频激光信号，155nm波段的激光适配器械较多；
步骤2：通过数字信号发生器产生双脉冲信号，双脉冲信号中的两个脉冲信号之间有时差；时差为：2neffL/c，可以更好的形成干涉区，其中，neff为光纤的有效折射率；L为同一周期内相邻两个干涉相位信号监测点的间距；c为真空中的光速；可根据水听器线阵的探测频段要求，设置驱动声光调制器的双脉冲中前后脉冲的时间差；
步骤3：声光调制器通过双脉冲信号对单频激光信号进行调制产生双脉冲单频激光信号；两个背向瑞利散射光的瑞利散射光强为：
Figure BDA0003681947360000041
其中，αR为瑞利散射损耗系数，αR＝CR/λ4；CR为常系数；S为俘获系数，S＝(NA/neff)2/m；NA为光纤的数值孔径；neff为光纤的有效折射率；m为常系数，对于单模光纤约为4.55；W为光脉冲的宽度；l为光纤的长度；
步骤4：双脉冲单频激光信号经环形器后在单模光纤中产生两个背向瑞利散射光，分别为前脉冲瑞利散射光、后脉冲瑞利散射光；
步骤5：在每个双脉冲信号周期内等间距的选取数个干涉相位信号监测点，数个干涉相位信号监测点将单模光纤分为数段光纤水听器，当光电探测器监测的干涉光强发生变化时，基于耦合器的零差对称解调算法器计算在干涉光强发生变化所在双脉冲信号周期内的数个干涉相位信号监测点的干涉相位信号，并根据数个干涉相位信号监测点之间的干涉相位差计算声波方向。
如图2所示，当一束双脉冲单频激光入射进入单模光纤，光电探测器探测到的光强时域图如图2所示。双脉冲激光中前后脉冲光间隔时长为T1T0，周期为T4T0。则由前后脉冲产生的背向瑞利散射同样会产生T1T0的时间差。以单模光纤上的三个干涉相位信号监测点位置A、B、C为例，图中A点与A1为单模光纤上的同一点、B点与B1、A2为单模光纤上的同一点，C点与C1、B2为单模光纤上的同一点。点A为光纤的左端点，AB＝BC＝L，并且满足T1T0＝2neffL/c，其中c为真空中的光速。由此，点B处由前脉冲激光产生的背向瑞利散射光与点A处由后脉冲激光产生的背向瑞利散射光到达光电探测器的时间相同，它们发生干涉，产生干涉光强。当外界声波扰动单模光纤，导致点B处由前脉冲激光产生的背向瑞利散射光的光程发生变化，从而影响上述干涉光强。由于3×3耦合器的特性，输出光强的相位相差2π/3相位，则可以通过基于3×3耦合器的零差对称解调算法，计算出干涉相位信号，该干涉相位信号包含了AB段光纤的光程变化。同样的原理，可以计算出点C处的干涉相位信号，该干涉相位信号包含了BC段光纤的光程变化。由此，AB段光纤和BC段光纤可以分别作为AB光纤水听器、BC光纤水听器，借鉴弱反射光纤光栅阵列探测声波的原理，则可以由C、B点的干涉相位信号的相位差检测出声波方向。
本发明具体实施例还提供了一种分布式光纤水听器解调系统的应用方法，所述分布式光纤水听器解调系统应用于监听声波波长大于2L的声波，其中L为同一周期内相邻两个干涉相位信号监测点的间距。L的长度决定了线列阵探测声波的频段，即长度L的水听器单元对波长小于2L的声波响应较弱，其他波长声波响应正常。B、C点的位置选择，即L的选择是由双脉冲激光的前后脉冲光间隔决定的。可以根据线列阵探测频段的需求，设计L的长度，从而设置相应的前后脉冲光的时间间隔，从而达到线列阵工作频段可调的目的。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种分布式光纤水听器解调系统，其特征在于，包括：数字信号发生器、声光调制器、连续单频激光器、光放大器、环形器、耦合器、光电探测器、零差对称解调运算器、单模光纤；
所述数字信号发生器产生双脉冲信号以及所述连续单频激光器产生的单频激光信号输入至所述声光调制器的输入端；所述声光调制器的输出端与所述光放大器的输入端连接；所述光放大器的输出端与所述环形器的第一端口连接；所述环形器的第二端口与所述单模光纤连接；所述环形器的第三端口与所述耦合器一端连接；所述耦合器另一端与所述光电探测器的一端连接；所述光电探测器的另一端与所述零差对称解调运算器连接。
2.如权利要求1所述的分布式光纤水听器解调系统，其特征在于，所述耦合器为3×3耦合器，所述光电探测器有三个，分别与3×3耦合器的一端连接。
3.如权利要求1所述的分布式光纤水听器解调系统，其特征在于，所述光放大器为掺铒光纤放大器。
4.一种分布式光纤水听器解调系统的监听方法，适用于如权利要求1-3中任一所述分布式光纤水听器解调系统，其特征在于，分布式光纤水听器解调系统的监听方法包括如下步骤：
步骤1：通过连续单频激光器产生单频激光信号；
步骤2：通过数字信号发生器产生双脉冲信号，双脉冲信号中的两个脉冲信号之间有时差；
步骤3：声光调制器通过双脉冲信号对单频激光信号进行调制产生双脉冲单频激光信号；
步骤4：双脉冲单频激光信号经环形器后在单模光纤中产生两个背向瑞利散射光，分别为前脉冲瑞利散射光、后脉冲瑞利散射光；
步骤5：在每个双脉冲信号周期内选取数个干涉相位信号监测点，数个干涉相位信号监测点将单模光纤分为数段光纤水听器，当光电探测器监测的干涉光强发生变化时，基于耦合器的零差对称解调算法器计算在干涉光强发生变化所在双脉冲信号周期内的数个干涉相位信号监测点的干涉相位信号，并根据数个干涉相位信号监测点之间的干涉相位差计算声波方向。
5.如权利要求4所述的分布式光纤水听器解调系统的监听方法，其特征在于，所述单频激光信号为1550nm波段的连续激光。
6.如权利要求4所述的分布式光纤水听器解调系统的监听方法，其特征在于，所述单模光纤中产生的两个背向瑞利散射光的瑞利散射光强为：
Figure FDA0003681947350000021
其中，αR为瑞利散射损耗系数，αR＝CR/λ4；CR为常系数；S为俘获系数，S＝(NA/neff)2/m；NA为光纤的数值孔径；neff为光纤的有效折射率；m为常系数，对于单模光纤约为4.55；W为光脉冲的宽度；l为光纤的长度。
7.如权利要求4所述的分布式光纤水听器解调系统的监听方法，其特征在于，同一周期内的所述干涉相位信号监测点等间距的进行选取。
8.如权利要求7所述的分布式光纤水听器解调系统的监听方法，其特征在于，所述双脉冲信号中的两个脉冲信号之间的时差为：2neffL/c，其中，neff为光纤的有效折射率；L为同一周期内相邻两个干涉相位信号监测点的间距；c为真空中的光速。
9.一种分布式光纤水听器解调系统的应用，适用于如权利要求1-3中任一所述分布式光纤水听器解调系统，其特征在于，所述分布式光纤水听器解调系统应用于监听声波波长大于2L的声波，其中L为同一周期内相邻两个干涉相位信号监测点的间距。
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CN115389007A (zh) * 2022-10-26 2022-11-25 之江实验室 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感系统的解调方法

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CN115389007A (zh) * 2022-10-26 2022-11-25 之江实验室 一种采用散射增强光纤的分布式声波传感系统的解调方法
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