CN202974421U - 一种复合腔光纤光栅激光水听器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光纤激光水听器领域，具体涉及一种应用于水下生态探测、水下军事应用、水下保密监听、水文监测反馈型光强传感器。本实用新型包括泵浦光源、光隔离器、光电转换及解调上位机、波分复用器、复合腔光纤光栅激光器、相位调制器、光纤反馈式探测头，相位调制器直接加载调制信号于复合腔光纤光栅激光器后端延伸的光纤上，与水声信号一起作为复合腔光纤光栅激光器反馈信号，通过相位载波解调算法检测激光器输出光强变化以获得水声信号。本实用新型由于不涉及任何传统干涉仪结构，直接使用相位载波解调方式进行信号监测，系统的结构简单，容错性、适应性提高；制作工艺简单；减小了传感器的体积，测量方便，降低了成本。

Description

一种复合腔光纤光栅激光水听器

技术领域

本实用新型属于光纤激光水听器领域，具体涉及一种应用于水下生态探测、水下军事应用、水下保密监听、水文监测反馈型复合腔光纤光栅激光水听器。

背景技术

早在1985年，W.Tietjen提出了光栅水听器。但直到近些年，随着光纤光栅技术的发展成熟，光纤光栅传感技术逐渐成为光纤传感领域的热点，光纤光栅水听器作为一种新的光纤水听器出现。

很多光纤水听器是基于光纤激光器的有源水听器，通常用相位载波（PGC）解调方法实现信号的解调。

相位生成载波解调方案属于一种无源零差解调技术。是光纤水听器信号检测的常用方案之一。其基本原理是人为引入一个快速周期变化的相位差,使系统的“相位工作点”被调制,在一个很大的范围内快速变化,最终使系统有一个平均稳定的相位灵敏度,从而解决相位衰落问题,实现信号的稳定检测。它原理简单，可以通过较简单的处理电路加以实现，同时具有动态范围大、线性度好等优点。

传统相位生成载波解调方案中调制信号的加入需要搭建干涉仪结构，在参考臂上进行调制信号加入，通过干涉与信号臂测量信号叠加才能进行解调运算。是一种传统干涉仪结构用于传感探测的典型应用方式，广泛适用于光纤传感领域。由于应用该方式需要在传感光路中加入干涉仪结构，造成系统略显臃肿复杂。

发明内容

本实用新型主要目的在于提供一种结构简单、成本低、灵敏度高的光栅光纤水声传感器。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型包括包括泵浦光源、光隔离器、光电转换及解调上位机、波分复用器、复合腔光纤光栅激光器、相位调制器、光纤反馈式探测头，相位调制器直接连接在复合腔光纤光栅激光器后端延伸的光纤上用于加载调制信号，与水声信号一起作为复合腔光纤光栅激光器反馈信号，通过相位载波解调算法检测激光器输出光强变化以获得水声信号。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的一种相位载波解调的纯光强型水声传感器，由于该传感器不涉及任何传统干涉仪结构，直接使用相位载波解调方式进行信号监测，系统的结构简单，容错性、适应性提高；制作工艺简单，工艺要求相较同性能指标水听器系统非常简单；同时还减小了传感器的体积，测量方便，降低了成本。

附图说明

图1是本实用新型中应用复合腔光纤光栅激光器结构示意图；

图2是本实用新型基于PGC解调复合腔光纤光栅激光水听器结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例，并参照附图，对本实用新型进行详细的说明。图1为本实用新型使用的复合腔光纤光栅激光器结构示意图（图中：01：FBG结构光纤光栅Ⅰ02：FBG结构光纤光栅Ⅱ03：掺铒光纤段04：FBG结构光纤光栅Ⅲ）。

如其所示：FBG Ⅰ和FBG Ⅱ是两段光纤光栅。FBGⅢ是另一段光纤光栅，FBGⅢ与光纤光栅对中间是掺铒光纤，FBG Ⅰ、FBGⅡ、FBGⅢ和掺铒光纤组成了复合腔光纤光栅激光器。

图2为本实用新型基于PGC解调复合腔光纤激光水听器结构示意图。（图中：01：激光泵浦02：光电信号转换器03：上位机（计算机、DSP等）04：光隔离器05:波分复用器06：复合腔光纤光栅激光器07：相位调制器08：延长光纤09：传感头）如其所示：泵浦光源经波分复用器与复合腔光纤激光器前端光纤熔接，激光器后端直接与相位调制器输入端光纤熔接，经一段延迟线后到达传感头，由传感头接收到的水声信号和相位调制器加载信号共同构成激光器反馈影响激光器输出光强。在进行水声信号传感时，只需将传感头部分浸入水中即可。

本实用新型对水声信号实现传感的过程是：泵浦光源将980nm波长激光经波分复用器泵入复合腔光纤光栅激光器，使其工作，出射1550nm波长激光。激光器后端直接与相位调制器相连加入调制信号，经一段延迟线后再与传感头相连，由传感头接收到的水声信号和相位调制器加载信号共同构成激光器反馈，影响激光器输出光强。出射激光经波分复用器进入光隔离器滤除泵浦激光后进行光电信号转换，传入上位机进行PGC解调运算，得到水声信号。

本实用新型实现对水声信号的传感原理是：当外界信号作用于复合腔激光器的外腔上时，外腔的长度L'会在应变作用下发生改变，应变引入的光弹效应也会改变其有效折射率n_eff，导致Δ(t)的改变，进而改变τ，致使激光器输出光强发生变化，通过检测激光器输出的变化，就可以检测到相应的外界信号。

复合腔光纤光栅激光器速率方程为：

$\frac{d{N}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=R_p*N_1-W\·\mathrm{\ΔN}*\frac{I\left(t\right)}{\mathrm{hv}*c}-\frac{N_2\left(t\right)}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Er}}}$

稳态条件下的激光器输出光强表达式：

$I\left(t\right)=C_1+\frac{C_2}{\{1-2k{\mathrm{\τ}}_c\·\cos \left(\mathrm{\Φ}\right)\·\cos [{\mathrm{\Φ}}_0+d\left(\mathrm{\Ω\τ}\right)\left]\right\}}$

当外界信号作用于复合腔激光器的外腔上时，外腔的长度L'会在应变作用下发生改变，应变引入的光弹效应也会改变其有效折射率n_eff，导致Δ(t)的改变，进而改变τ。不同的反馈系数也会改变τ。由速率方程可得，

$\frac{{\mathrm{dE}}_0\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}\left[W\right[N_2\left(t\right)-N_0]-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}^{\′}}]E_0\left(t\right)+A_{21}\frac{N_2}{t_2}$

从上式可知，τ的变化会影响激光器输出的变化。

相位调制器加入的调制载波信号cos(ω₀t)与传感头接收到的水声信号cos(ω_s+ω_n)同时作为反馈对激光器造成影响时，复合腔光纤光栅激光器光强输出表达式变形并整理后为：

与PGC算法解调信号典型形式相符，可应用PGC算法。

将表达式进行bessel展开，得

分别与幅度为G、H，角频率为ω₀和2ω₀的信号进行混频、低通滤波、微分后交叉相乘，再经过积分放大和高通滤波可得：

即检测到水声信号中的有用信号部分。

Claims (1)

1.一种复合腔光纤光栅激光水听器，包括泵浦光源、光隔离器、光电转换及解调上位机、波分复用器、复合腔光纤光栅激光器、相位调制器、光纤反馈式探测头，其特征在于：相位调制器直接连接在复合腔光纤光栅激光器后端延伸的光纤上用于加载调制信号，与水声信号一起作为复合腔光纤光栅激光器反馈信号，通过相位载波解调算法检测激光器输出光强变化以获得水声信号。

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