CN202075031U - 一种光纤光栅水听器及其相位解调装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光纤水听器领域，更具体地说，本实用新型涉及一种光纤光栅水听器及其相位解调装置。所要解决的技术问题是，针对现有技术的缺点和不足，提供一种基于无源光栅对的光纤光栅水听器及其相位解调装置，在保持光纤光栅水听器体积小、声压灵敏度高的同时，提高其抗振动、冲击等环境干扰的能力。其特征在于：所述光纤光栅水听器由一段缠绕在声增敏材料上的单模光纤线圈(4)和光纤线圈(4)两端光刻写形成的一对具有共同光谱覆盖范围的第一光栅(1)和第二光栅(2)组成。所述的相位解调装置主要包括激光器、光幅度调制器、光分路器或光环形器、驱动信号发生器、补偿干涉仪和相位产生载波调制解调器。本实用新型具有体积小、结构简单、声压灵敏度高、抗振动冲击能力强的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤水听器领域，更具体地说，本实用新型涉及一种光纤光栅水听器及其相位解调装置。
技术背景
水听器是用于接收水下声波的声学测量仪器，在国土安全监测、海洋石油和天然气勘探、地震波探测、水声物理研究以及海洋渔业等领域有着广泛的用途。与传统的压电陶瓷水听器相比，光纤水听器具有抗电磁干扰能力强、动态范围宽、声压灵敏度高、可以进行远距离测量、方便构成大规模阵列、能够实现水声信号传感和数据传输一体化等优点，是近年来得到快速发展的一种新型水听器。
在拖曳应用场合，为了有效地抑制直线拖曳和船机动时由于拖缆抖动、湍流及拖曳力变化等引起的广义流噪声的干扰，实现对水声信号的正常探测，要求光纤水听器探头在保持高的声压灵敏度的前提下具有高的抗加速度能力和更小的体积。光纤光栅水听器在探头小型化和大规模组阵方面更具独特优势。光纤光栅直接刻写在光纤上，探头容易小型化。光纤光栅是天然的波长选择元件，在构成大规模阵列时不需要大量光纤耦合器、延迟器、分波合波器等互连元件，光路结构简单，便于提高阵列可靠性和降低阵列成本，因此光纤光栅水听器适合应用于拖曳声纳阵中。
现有的技术中，一种光纤光栅水听器结构是利用FBG作为传感元件。在这 种结构中无论是直接检测光栅反射波长的变化还是用双光栅匹配解调检测光栅中心波长的变化，水听器的声压灵敏度都太低不能满足实际应用的需要。另一种光纤光栅水听器结构是利用分布反馈式(DFB)或分布布拉格反射式(DBR)光纤激光器作传感元件，如图1所示为有源DFB光纤光栅水听器结构。这种结构的光纤光栅水听器尽管体积小、声压灵敏度高，但是性能不稳定，尤其对振动、冲击等环境干扰的抵抗能力差，也不能适用实际应用的需要。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术的缺点和不足，提供一种基于无源光栅对的光纤光栅水听器及其相位解调装置，在保持光纤光栅水听器结构简单、体积小、声压灵敏度高的同时，提高其抗振动、冲击等环境干扰的能力。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是：
一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述光纤光栅水听器由一段缠绕在声增敏材料上的单模光纤线圈4和光纤线圈4两端光刻写形成的一对具有共同光谱覆盖范围的第一光栅1和第二光栅2组成，激光从刻写有第一光栅1的光纤一端输入，一部分光被第一光栅1反射，另一部分光被第一光栅1透射，透射光经过光纤线圈4后被第二光栅2反射，第一光栅1的反射作参考信号，第二光栅2的反射作传感信号，两个光栅之间的光纤线圈4为基本传感元件，第一光栅1的反射率低于第二光栅2的反射率。
光纤线圈4缠绕在弹性体上，弹性体固定在支撑心轴(6)上，弹性体与支撑心轴之间有空气腔(5)，用于使弹性体在声压作用时更容易产生形变，以提高水听器的声压灵敏度。
一优选例中，所述的光纤光栅是光纤布拉格光栅。
另一优选例中，所述的光纤光栅是长周期光纤光栅。
按照权利要求1所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述的光纤光栅水听器是单个基于无源光栅对的光纤光栅水听器。
按照权利要求1所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述的光纤光栅水听器是基于无源光栅对的光纤光栅水听器阵列。所述的无源光栅对的光纤光栅水听器阵列包括多个由无源光栅对的光纤光栅水听器串接而成的线阵，一个线阵中的光纤光栅水听器的数目与所述激光源的数目相同，一个光纤光栅水听器对应一个激光源的波长，不同线阵间通过耦合器和延迟器连接在一起。
所述的相位解调装置主要包括激光器、光幅度调制器、光分路器或光环形器、驱动信号发生器、补偿干涉仪和相位产生载波调制解调器；其中，所述激光器提供激光源，激光波长为对应光栅中心波长或对应光栅反射谱覆盖的波长；所述光幅度调制器在驱动信号发生器的作用下将激光源输出的连续激光调制成脉冲光；调制后的脉冲光通过光分路器或光环形器入射到光纤光栅水听器，外部环境的水声信号调制在所述光纤光栅水听器上；所述补偿干涉仪将光纤光栅水听器反射的两个脉冲在时间上对齐实现两脉冲干涉；所述相位产生载波调制解调器对干涉激光脉冲进行光电转换、数字采样以及数字相位解调，恢复出外部环境的水声信号。
所述相位产生载波调制解调器主要由高速光电转换器、数据采集卡和相位解调器组成；高速光电转换器将干涉光信号转换为模拟电压信号、数据采集卡将模拟电压信号转换为数字信号、相位解调器经信号处理恢复出外部环 境的水声信号。
本实用新型可带来以下有益效果：
1、水听器的体积小。采用光纤光栅作为水听器的主要光纤元件，可以很大程度上减小水听器的体积，封装后的水听器直径可以在10mm以下。
2、水听器的结构简单。光纤光栅直接刻写在光纤上，从外观上看，水听器仅由一段缠绕在弹性体上的光纤线圈构成，由于没有光纤耦合器等其它光纤元件，水听器结构中不需要安置额外的安置其它光纤元件的安置仓，水听器结构极为简单。
3、水听器的声压灵敏度高。本实用新型的结构便于采用空气背衬的增敏封装结构以及便于增加光纤长度，由此，水听器的声压灵敏度可以大大提高。
4、水听器抗振动、冲击等环境干扰的能力强。水听器中的光纤以一定的张力缠绕在声增敏材料上，光纤光栅可以固定在刚性支撑上，这种结构便于安装，采用特定的安装方式即可以隔离外界环境的振动冲击，提高水听器的抗环境干扰能力。
附图说明
图1为有源DFB光纤光栅水听器结构示意图；
图2为无源光栅对的光纤光栅水听器结构示意图；
图3为无源光栅对的光纤光栅水听器及其相位解调装置工作原理图；
图4为PGC相位解调流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
如图2所示，图中1为第一个光栅；2为第二个光栅；3为传输光缆；4 为光纤线圈。一段缠绕在声增敏材料上的单模光纤线圈4和光纤线圈4两端光刻写形成的一对具有相同中心波长的第一光栅1和第二光栅2组成一个光纤光栅水听器。光纤光栅起波长选择和反射的作用。两个光纤光栅均采用宽带反射光栅，例如长周期光栅或布拉格光栅，以实现到波长匹配和降低环境温度、应变等变化对光栅反射信号的影响。两个光纤光栅的反射率可以都是低反射率光栅，也可以是一个低反射率光栅和一个高反射率光栅。第一个第一光栅1的反射率相对第二个第二光栅2的反射率要低，激光从刻写有第一光栅1的光纤一端输入，一部分光被第一光栅1反射，另一部分光被第一光栅1透射，透射光经过光纤线圈后被第二光栅2反射，第一光栅1的反射作参考信号，第二光栅2的反射作传感信号，两个光栅之间的光纤线圈为传感元件。单模光纤线圈4以一定张力缠绕在带空气腔的弹性体心轴形结构或其它声增敏材料或结构上。例如缠绕在弹性体上，则弹性体固定在支撑心轴6上，弹性体与支撑心轴之间有空气腔5，使弹性体在声压作用时更容易产生形变，以提高水听器的声压灵敏度。单模光纤的长度根据相位检测方法和水听器声压灵敏度的需要确定，增加单模光纤的长度也可以提高水听器的声压灵敏度。光纤光栅可采用光纤布拉格光栅，也可采用长周期光纤光栅。
基于无源光栅对的光纤光栅水听器及其相位解调装置工作原理图参见图3，光纤光栅水听器相位解调装置包括激光器、光幅度调制器、光分路器/光环行器、补偿干涉仪、驱动信号发生器、以及由高速光电转换器、数据采集卡和相位解调器组成的相位产生载波调制解调器。其中，激光器发出连续单色激光，激光波长为对应光栅中心波长或对应光栅反射谱覆盖的波长；光幅度调制器将激光源输出的连续激光调制成脉冲光。驱动信号发生器产生光幅 度调制器所需的驱动信号。在一个实施例中，脉冲光的脉宽小于界定光纤光栅水听器的两个光栅之间光纤传播时间的2倍，使两个光栅的反射在时间上分开，不发生干涉。在另一个实施例中，脉冲光的脉宽大于界定光纤光栅水听器的两个光栅之间光纤传播时间的2倍，使两个光栅的反射直接发生干涉。调制后的脉冲光通过光分路器/光环行器传送到光纤光栅水听器中，外部环境的水声信号调制在所述光纤光栅水听器上。补偿干涉仪将光纤光栅水听器反射的两个脉冲在时间上对齐实现两脉冲干涉。高速光电转换器将干涉光信号转换为模拟电压信号、数据采集卡将模拟电压信号转换为数字信号、相位解调器经信号处理恢复出外部环境的水声信号。
上述技术方案中，光纤光栅水听器可以是单个无源光栅对的光纤光栅水听器，也可以是无源光栅对的光纤光栅水听器阵列。无源光栅对的光纤光栅水听器阵列包括多个由无源光栅对的光纤光栅水听器串接而成的线阵，一个线阵中的光纤光栅水听器的数目与所述激光源的数目相同，一个光纤光栅水听器对应一个激光源的波长，不同线阵间通过耦合器和延迟器连接在一起。
上述技术方案中，所述的激光源根据应用场合不同选用单个激光源或多个激光源，在多个激光源情况下各个激光源所发出激光波长互不相同。
上述技术方案中，所述的补偿干涉仪同时产生相位调制的载波信号。
相位解调采用相位产生载波(PGC)方法，参见图4，光电转换器输出的电压信号可表示为：
I＝A+Bcos[Ccosω0t+φ(t)] (1)
式中A为直流项，B为与输入光强、FBG反射率及干涉条纹可见度有关的参数，C为相位调制幅度，ω0为相位调制载波的角频率，φ(t)为与水声压力有关的 待检测信号。
图4为利用PGC相位解调法进行数字相位解调的流程。干涉仪输出信号在乘法器分别与cosω0t和cos2ω0t混频，经低通滤器(LPF)滤除ω0及谐波，得到信号BJ1(C)sin[φ(t)]和-BJ2(C)cos[φ(t)]。其中，J1(C)、J2(C)分别为第一类1阶、2阶Bessel函数。设置相位调制幅度，使得J1(C)＝J2(C)，在运算过程中消除与输入光功率幅度B有关的信息，得到外部环境的水声信号φ(t)。
Claims (8)
1.一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述光纤光栅水听器由一段缠绕在声增敏材料上的单模光纤线圈(4)和光纤线圈(4)两端光刻写形成的一对具有共同光谱覆盖范围的第一光栅(1)和第二光栅(2)组成，激光从刻写有第一光栅(1)的光纤一端输入，一部分光被第一光栅(1)反射，另一部分光被第一光栅(1)透射，透射光经过光纤线圈(4)后被第二光栅(2)反射，第一光栅(1)的反射作参考信号，第二光栅(2)的反射作传感信号，两个光栅之间的光纤线圈(4)作传感元件，第一光栅(1)的反射率低于第二光栅(2)的反射率。
2.按照权利要求1所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：光纤线圈(4)缠绕在弹性体上，弹性体固定在支撑心轴(6)上，弹性体与支撑心轴之间有空气腔(5)，用于使弹性体在声压作用时更容易产生形变，以提高水听器的声压灵敏度。
3.按照权利要求1或2所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述的光纤光栅是光纤布拉格光栅。
4.按照权利要求1或2所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述的光纤光栅是长周期光纤光栅。
5.按照权利要求1所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述的光纤光栅水听器是单个基于无源光栅对的光纤光栅水听器。
6.按照权利要求1所述的一种光纤光栅水听器，其特征在于：所述的光纤光栅水听器是基于无源光栅对的光纤光栅水听器阵列；所述的无源光栅对的光纤光栅水听器阵列包括多个由多个无源光栅对的光纤光栅水听器串接而 成的线阵，一个线阵中的光纤光栅水听器的数目与所述激光源的数目相同，一个光纤光栅水听器对应一个激光源的波长，不同线阵间通过耦合器和延迟器连接在一起。
7.按照权利要求1所述的一种光纤光栅水听器的相位解调装置，其特征在于：所述的相位解调装置主要包括激光器、光幅度调制器、光分路器或光环形器、驱动信号发生器、补偿干涉仪和相位产生载波调制解调器；其中，所述激光器为激光源，激光波长为对应光栅中心波长或对应光栅反射谱覆盖的波长；所述光幅度调制器在驱动信号发生器的作用下将激光源输出的连续激光调制成脉冲光；调制后的脉冲光通过光分路器或光环形器进入光纤光栅水听器，外部环境的水声信号调制在所述光纤光栅水听器上；所述补偿干涉仪将光纤光栅水听器反射的两个脉冲在时间上对齐实现两脉冲干涉；所述相位产生载波调制解调器对干涉激光脉冲进行光电转换、数字采样以及数字相位解调，恢复出外部环境的水声信号。
8.按照权利要求5所述的一种光纤光栅水听器的相位解调装置，其特征在于：所述相位产生载波调制解调器主要由高速光电转换器、数据采集卡和相位解调器组成；高速光电转换器将干涉光信号转换为模拟电压信号、数据采集卡将模拟电压信号转换为数字信号、相位解调器经信号处理恢复出外部环境的水声信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20111214 |