CN1332224C - 一种双光纤环级联激光告警装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双光纤环级联激光告警装置，它是用双光纤环级联构成的反馈单元代替现有技术中由单个光纤环组成反馈单元，并且所述的双光纤环中两个光纤环的光纤长度关系是整数倍关系；通过利用光纤环暂态存储和光纤耦合器功率重分配功能，把前级光纤环输出的递减脉冲序列，进行功率重分配，使输出脉冲序列频域特性得到改善。因此本发明提供的双光纤环级联激光告警装置具有输出脉冲序列特征频率明显、光学窗口之间不易产生串扰、系统精度高的特点，它可用于激光方位识别和定位的军事侦察等相关领域。

Description

一种双光纤环级联激光告警装置

技术领域：

本发明属于光电子技术领域，它特别涉及激光告警技术。

背景技术

众所周知，利用激光告警技术识别敌方威胁及其威胁方位，可以有效地保护我方重要设备和其它平台。因此，激光告警技术的研究受到广泛的关注。现有的频率编码激光告警系统是利用光纤环反馈单元输出脉冲频率识别光学天线。图1是这种告警系统结构示意图，它由光学天线方向识别传感头(半球传感头)1，光纤耦合器6，n个单光纤环：2₁、2₂，…，2_n(n是方向识别传感头1中光学天线的个数，每个单光纤环是将光纤的两端分别连接在光纤耦合器6的输出端和输入端组成)，滤波器组4组成。这种告警系统工作原理是：半球传感头1具有方向识别能力，半球传感头的第i个光学天线接收的光脉冲，经过相应反馈单元2_i，得到一个具有特征频率f_i的脉冲序列。f_i是这个光学天线的特征量，利用这个特征量可以区分光学天线。反馈单元输出的光脉冲序列经光电二极管3转换为电信号，送入滤波器组4，如果脉冲序列频率与滤波器组4中预设频率相同，则相应的信号处理电路将有信号输出，从而确定光学天线接收激光情况。[见文献：Poisel；Hans(Dachau，DE)；Trommer；Gert(Munich，DE).Laser warning sensorwith frequency-coded position information.United States Patent，Patent Number：5,025,148.June 18，1991]。

图2给出了上述激光告警系统的反馈单元结构示意图。它是用光纤将光纤耦合器6的输出端8与输入端7相连，使光纤耦合器6的一部分输出光信号反馈到光纤耦合器6输入端再作为输入信号，这样，在输出端9得到具有相等时间间隔、强度依次递减的光脉冲序列，如图3(b)所示，该输出的光脉冲序列的频率由光纤环长度L确定。虽然图2所示的单个光纤环反馈单元可以把输入脉冲(如图3(a)所示)转换成图3(b)中的具有特定频率的脉冲序列。但是，它的输出脉冲序列的频谱(如图4所示)表明，在特征频率f_i及其倍频之间，存在连续的光功率值，这使相邻光学天线特征频率易发生串扰，即经过带通滤波器组鉴别本来属于第i个光学天线的信号，却夹杂着邻近光学天线i-1或i+1的信号。出现这种现象的原因是：图3(b)所示输出光脉冲的幅值差异较大，脉冲的幅值迅速降到0，此时脉冲序列并非严格意义上的周期脉冲信号。虽然增大相邻光学天线特征频率的间隔，可以减小串扰的影响，但是它却减少了光学窗口的数目，降低了系统的精度。

发明内容

本发明专利的任务是提供一种双光纤环级联激光告警装置，它具有增加光学窗口的数目、提高的告警精度、电路简单的特点。

本发明提供的一种双光纤环级联激光告警装置，它包括：方向识别传感头1，光纤耦合器6，n个单光纤环：2₁、2₂…2_n，n是方向识别传感头1中光学天线的个数，每个单光纤环是将光纤的两端分别连接在光纤耦合器6的输出端和输入端组成，滤波器组4；其特征是它还包括另外n个单光纤环：2₁′、2₂′…2_n′，所述的另外n个单光纤环：2₁′、2₂′、…、2_n′分别串接在方向识别传感头1和与方向识别传感头1对应的n个单光纤环2₁、2₂…2_n之间，单光纤环2₁′与2₁、2₂′与2₂、…2_n′与2_n组成n组光纤环级联反馈单元，单光纤环2₁′中光纤的长度是其对应的单光纤环2₁中光纤的长度的N倍，N≥2，N为正整数，同样，单光纤环2₂′·2_n′的光纤的长度分别是对应的单光纤环2₂…2_n的光纤的长度的N倍。

需要说明的是，n个单光纤环2₁、2₂…2_n中每一个环中光纤的长度取决于其对应的光学天线预设的特征频率f₁，f₂，…，f_n。

本发明的实质是用双光纤环级联构成的反馈单元代替现有技术中由单个光纤环组成反馈单元，并且所述的双光纤环两个光纤环的光纤长度关系是整数倍关系。在图6中，光纤环12的光纤长度是光纤环14光纤长度的N倍。

本发明提供的一种双光纤环级联激光告警装置的创新在于：用双光纤环级联构成的反馈单元代替现有技术中由单个光纤环组成反馈单元。其原理是利用光纤环暂态存储和光纤耦合器功率重分配功能，把前级光纤环输出的递减脉冲序列，进行功率重新分配，使输出脉冲序列频域特性得到改善。在时域上改善输出脉冲之间的幅值差异，减慢脉冲幅度下降速度，增加输出脉冲数目，使输出脉冲序列更接近周期信号的特征。下面是对本发明的创新进行理论分析：

如图5所示，耦合系数为k的光纤环，冲激响应用希伯特空间矢量A表示[见文献：王旭，胡力.一种新型非等延迟OFDL理论分析.电子科技大学学报，1992(8)：28～33]：

                  A＝[α₀，α₁，…，α_i…]^T

式中：

${\mathrm{\α}}_i=\left\{\begin{array}{cc}k& i=0\\ {(1-k)}^2{k}^{i-1}& i>0\end{array}\right.---\left(1\right)$

归一化为 $\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=1.$

∵光纤环14的延迟间隔为T，光纤环12的光纤长度是光纤环14光纤长度的N倍，

∴光纤环12的延迟间隔为NT(N是正整数)，令两个光纤环特征矢量分别为A＝[a₀，α₁，…，α_i，…]^T、B＝[b₀，b₁，…，b_i，…]^T，先将光纤环12的时间间隔用信号矢量表示为时间间隔为T的信号B′＝[b₁′，b₂′，…，b_i′，…]，即

$\left\{\begin{array}{c}{b}_{k(m+1)-1}^{\′}=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(b_m^{\′}\right)=b_m\\ b_i^{\′}=0,i\≠N(m+1)-1\end{array}\right.---\left(2\right)$

则整个反馈系统的光冲激光响应C为：

$C=B{\widehat{\mathrm{\Π}}}_{N}A=B^{\′}\widehat{\mathrm{\ΠA}}$

即： $C_m=\underset{i=0}{\overset{k(m+1)-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^{\′}{\mathrm{\α}}_{k(M+1)-1-i}---\left(3\right)$

当输入光脉冲功率为P₀时，由双光纤环级联冲激响应C，得到级联光纤环输出光脉冲序列光功率为P＝CP₀＝[c₀，c₁，…，c₂，…]^TP₀。合理选择两个光纤环耦合器系数，可以使输出脉冲序列P非常接近周期信号特征。

综上所述，可以得出结论：本发明采用双光纤环级联构成的反馈单元代替现有技术中由单个光纤环组成反馈单元后，可以使输出脉冲序列非常接近周期信号特征。

本发明的积极效果体现在：

(1)时域上，级联光纤环反馈单元输出脉冲幅值下降速度变慢，在同样只有一个光脉冲输入的情况下得到更长的脉冲序列；

(2)频域上，解决了一个光纤环反馈单元输出光脉冲的特征频率表现不突出，电子线路解频难的问题。

因此，本发明提供的双光纤环级联激光告警装置与现有的单光纤环激光告警装置相比，具有输出脉冲序列的特征频率明显、光学窗口之间不易产生串扰、系统精度高的特点。

附图说明

图1是现有的单光纤环反馈单元激光告警系统结构示意图

其中，1是半球传感头，2₁、2₂、……、2_n单光纤环，由单光纤环2₁、2₂、……、2_n组成反馈单元，3是光电二极管，4是带通滤波器组，f₁、f₂、……、f_n是特征频率，A₁、A₂、……、A_n是带通滤波器组的输出信号。

图2是现有的单个光纤延迟环结构示意图

其中，5是光纤，6是光纤耦合器，7是光纤耦合器6的输入端，8是光纤耦合器6与光纤连接的输出端，9是光纤耦合器6的信号输出端，L是光纤环长度。

图3是现有的单个光纤环输入、输出脉冲示意图

其中，图(a)是光纤环输入脉冲，图(b)是光纤环输出脉冲，图中，t为时间，P表示脉冲强度。

图4是现有的单个光纤环输出脉冲付立叶变换频谱图

图5是本发明的一种双光纤环级联激光告警装置结构示意图

其中，1是半球传感头，  2′₁、2′₂、……、2′_n和2₁、2₂、……、2_n是单光纤环，由单光纤环2′₁、2′₂、……、2′_n和2₁、2₂、……、2_n组成反馈单元组，3是光电二极管，4是带通滤波器组，f₁、f₂、……、f_n是特征频率，A₁、A₂、……、A_n是带通滤波器组的输出信号。

图6是本发明的双光纤环级联反馈单元结构示意图

其中，10、15是连接光纤，12、14是光纤环，11、13是光纤耦合器。

图7是现有的单光纤环激光告警装置和双光纤环级联激光告警装置的输出脉冲归一

化光功率比较图

图8是本发明的双光纤环级联反馈单元输出脉冲序列的频谱图

具体实施方式

                  一种双光纤环级联激光告警装置

两个级联光纤环反馈单元如图6所示，连接光纤、光纤环、光纤耦合器均可采用2×2的光纤耦合器。

选择光纤耦合器10的耦合系数为：k₁＝0.46，光纤耦合器12的耦合系数为：k₂＝0.38，输入光脉冲强度归一化为1。

由(1)式得到两个光纤环的光冲激响应A，B：

A＝[0.46 0.292 0.134 0.062 0.028 0.013 0.006…]

B＝[0.38 0.384 0.146 0.0555 0.021 0.008 0.003…]

由(2)式和A，B得到级联光纤环的冲激响应：

C＝[0.1748  0.1768  0.1780  0.1376  0.1033  0.0714  0.05060.0340  0.0237  0.0158  0.0110  0.0073  0.0051  0.0034  0.00230.0015  0.0011  0.0007  0.0005  0.0003…]

级联光纤环输入光脉冲功率为1的情况下，将输出脉冲功率值归一化：

C′＝[0.9989  1.0104 1.0171  0.7864  0.5901  0.4082  0.28910.1945  0.1355  0.0904  0.0627  0.0417  0.0289  0.0192  0.01330.0088  0.0061  0.0041  0.0028  0.0019…]

性能评价：使用本发明的二个光纤环级联情况下，前三个输出脉冲幅值几乎相等，后续脉冲也明显地比一个光纤环输出的脉冲序列下降要慢。在得到大于归一化光功率0.007的光脉冲情况下，二个级联光纤环有17个脉冲输出，而单个光纤环只有8个脉冲输出。两者输出脉冲序列比较如图7所示；其频谱如图8所示，可以看出，各种峰值频率之间的光功率迅速降为0，且每个特征频率所占的频带的宽度明显小于单个光纤环。

本发明提供的双光纤环级联激光告警装置与现有的单光纤环激光告警装置相比，具有特征频率明显、光学窗口之间不易产生串扰、系统精度高的特点，它可用于激光方位识别和定位的军事侦察等相关领域。

Claims (1)

1、一种双光纤环级联激光告警装置，它包括：方向识别传感头(1)，光纤耦合器(6)，n个单光纤环：2₁、2₂、...2_n，n是方向识别传感头(1)中光学天线的个数，每个单光纤环是将光纤的两端分别连接在光纤耦合器(6)的输出端和输入端组成，滤波器组(4)；其特征是它还包括另外n个单光纤环：2′₁、2′₂′…2′_n，所述的另外n个单光纤环：2′₁、2′₂、…、2′_n分别串接在方向识别传感头(1)和与方向识别传感头(1)对应的n个单光纤环2₁、2₂…2_n之间，单光纤环2′₁与2₁、2′₂与2₂、…2′_n与2_n组成n组光纤环级联反馈单元，单光纤环2′₁中光纤的长度是其对应的单光纤环2₁中光纤的长度的N倍，N≥2，N为正整数，同样，单光纤环2′₂…2′_n的光纤的长度分别是对应的单光纤环2₂…2_n的光纤的长度的N倍。

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