CN210774021U - 一种水下姿态传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下姿态传感系统，包括设置在水面上的干端、设置在水下的湿端，所述干端与湿端通信连接；所述的干端包括光电探测器、激光光源；所述的湿端包括光耦合器、光子电源系统、光电调制器、姿态传感器；所述的激光光源的输出端与光耦合器的输入端之间设有传能光纤，用于传输光能；光耦合器的第一输出端与光子电源系统的输入端连接；光耦合器的第二输出端与光电调制器的光载波输入端连接；所述的光子电源系统向光电调制器、姿态传感器提供所需的工作电源；所述姿态传感器的输出端与光电调制器的电调制信号输入端连接；所述光电调制器的输出端与光电探测器之间设有单模光纤，用于传输光信号。

Description

一种水下姿态传感系统

技术领域

本实用新型涉及深海水下测量设备应用技术领域，更具体的，涉及一种水下姿态传感系统。

背景技术

水下姿态传感系统是探知设备本体在水下所处位置方位角、俯仰角、横滚角等姿态信息的传感系统，常与其他水下测量设备结合使用以获取水下信息。水下测量设备探测到的矢量信息是相对于自身载体坐标系的，而实际应用时要求探测的结果是相对于统一的参考坐标系，因此需要进行载体坐标系到参考坐标系的坐标变换。由于海洋环境复杂多变，水下测量设备受海流影响会发生俯仰、翻转等姿态变化。当系统姿态发生变化时，载体坐标系到参考坐标系的坐标变换关系也随之变化。因此水下测量设备在应用时需要进行实时获取测量设备本体相对于地磁坐标系的三维姿态信息，以便进行准确的姿态变换，以使探测到的矢量信息或者是最后解算出的结果是相对于统一的地磁参考坐标系，因此需要将水下测量设备与水下姿态传感系统以刚性连接的方式组合使用。

水下测量应用系统如图1所示，干端在水面负责供电与信号处理，湿端在水下负责探测，二者通过传输缆连接。在湿端，水下测量设备采用光纤传感器件时，可经光缆以光的形式与干端进行信号传输。而水下姿态传感系统中的姿态传感元件常采用磁罗盘、加速度器等电子器件，需通过电缆与干端进行通信和供电，因此目前水下探测普遍使用光电复合缆同时进行光与电的传输。但光电复合缆由于内部电缆的存在，相较于全光传输，存在成本高、传输损耗大、传输距离短、外型尺寸较大、易受电磁干扰等缺点。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术采用湿端直接向干端供电，采用光电复合缆存在成本高，信号的传输容易受电磁干扰的问题，提供了一种水下姿态传感系统，其使用全光传输，信号传输过程抗电磁干扰强且损耗低，同时具有成本低的优点。

为实现上述本实用新型目的，采用的技术方案如下：一种水下姿态传感系统，包括设置在水面上的干端、设置在水下的湿端，所述干端与湿端通信连接；所述的干端包括光电探测器、激光光源；所述的湿端包括光耦合器、光子电源系统、光电调制器、姿态传感器；

其中，所述的激光光源的输出端与光耦合器的输入端之间设有传能光纤，用于传输光能；光耦合器的第一输出端与光子电源系统的输入端连接；光耦合器的第二输出端与光电调制器的光载波输入端连接；

所述的光子电源系统向光电调制器、姿态传感器提供所需的工作电源；

所述姿态传感器的输出端与光电调制器的电调制信号输入端连接；

所述光电调制器的输出端与光电探测器之间设有单模光纤，用于传输光信号。

本实用新型所述的干端由外部电源供电，负责激光发射与信号的接收；所述的传能光纤、单模光纤均由纤芯与外部保护层构成，负责激光的传输；所述的湿端采用内部光子电源供电方式，与干端之间只存在光路连接，负责姿态传感、信号光电调制。

本实用新型有激光光源产生并发射激光，由传能光纤传输至湿端，并由光耦合器分成能量大小两束激光。其中能量大的一束激光作为供能激光输入至光子电源系统，并由该系统将激光的光能转化为电能，为姿态传感器、光电调制器等电子器件提供驱动电源。所述的姿态传感器实时感知、处理自身姿态信息，并将姿态数据发送至光电调制器电输入口。能量小的一束激光作为光载波输入至光电调制器的光输入口，并接受姿态数据电信号的调制。调制完成后，经过调制的激光再通过单模光纤传回干端，由干端中的光电探测器接收下来，并将接收信号发往上位机进行解调处理。从而实现干端与湿端之间为全光传输。其中所述的上位机为实现信号数据的设备如电脑等。

优选地，所述的姿态传感器包括磁罗盘、加速度器、光纤陀螺仪。

优选地，所述的光子电源系统的波段为790-980nm，相应的激光光源发射的激光波长为790-980nm。

进一步地，所述的激光光源发射的激光波长为980nm、发射光功率大于或等于12dBm。

进一步地，所述的传能光纤包括62.5μm光纤、105μm光纤，其中心波长与激光光源发射的激光波长相匹配。

进一步地，所述的单模光纤的中心波长与激光光源发射的激光波长相匹配。

进一步地，所述的光耦合器为可调分光比耦合器；所述的光耦合器将激光光源分为能量大小不同的两束光源，其中将能量大的光源作为功能激光传输给光子电源系统，将能量小的光源作为光载波传输给光电调制器。

进一步地，所述的光耦合器为固定分光比耦合器；所述的光耦合器将激光光源分为能量大小不同的两束光源，其中将能量大的光源作为功能激光传输给光子电源系统，将能量小的光源作为光载波传输给光电调制器。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型通过光子电源技术实现水下姿态传感系统湿端内部供电，通过光电调制实现水下姿态传感系统湿端与干端间数据的光通信。湿端与干端间全光传输避免了光电复合缆的使用，具有成本低、信号传输过程抗电磁干扰能力强、信号损耗低、传输距离远、且传输缆尺寸减小等优势。本实用新型有效的提高了水下姿态传感系统在复杂海洋水文、电磁情况下设备的可靠性、抗干扰性与可实施性。

附图说明

图1是现有技术水下姿态传感系统的示意图。

图2是本实施例水下姿态传感系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做详细描述。

实施例1

如图2所示，一种水下姿态传感系统，包括设置在水面上的干端、设置在水下的湿端，所述干端与湿端通信连接；所述的干端包括光电探测器、激光光源；所述的湿端包括光耦合器、光子电源系统、光电调制器、姿态传感器；

其中，所述的激光光源的输出端与光耦合器的输入端之间设有传能光纤，用于传输光能；光耦合器的第一输出端与光子电源系统的输入端连接；光耦合器的第二输出端与光电调制器的光载波输入端连接；

所述的光子电源系统向光电调制器、姿态传感器提供所需的工作电源；

所述姿态传感器的输出端与光电调制器的电调制信号输入端连接；

所述光电调制器的输出端与光电探测器之间设有单模光纤，用于传输光信号。

本实施例所述的干端由外部电源供电，负责激光发射与信号的接收；所述的传能光纤、单模光纤均由纤芯与外部保护层构成，负责激光的传输；所述的湿端采用内部光子电源供电方式，与干端之间只存在光路连接，负责姿态传感、信号光电调制。

本实施例有激光光源产生并发射激光，由传能光纤传输至湿端，并由光耦合器分成能量大小两束激光。其中能量大的一束激光作为供能激光输入至光子电源系统，并由该系统将激光的光能转化为电能，为姿态传感器、光电调制器等电子器件提供驱动电源。所述的姿态传感器实时感知、处理自身姿态信息，并将姿态数据发送至光电调制器电输入口。能量小的一束激光作为光载波输入至光电调制器的光输入口，并接受姿态数据电信号的调制。调制完成后，经过调制的激光再通过单模光纤传回干端，由干端中的光电探测器接收下来，并将接收信号发往上位机进行解调处理。从而实现干端与湿端之间为全光传输。其中所述的上位机为能处理信号数据的设备如电脑等。

本实施例所述激光光源可采用中心波长为980nm、1550nm、1310nm等通信窗口的激光器，其发射光功率一般要求较高。但考虑到光子电源系统目前主要波段为790-980nm，相应的激光光源发射的激光波长为790-980nm。因此本实施例激光光源可选择中心波长为980nm、发射光功率大于或等于12dBm。

所述传能光纤可采用62.5μm光纤或105μm光纤，亦可采用其他的光纤，本实施例采用光纤进行传输能降低光纤中的损耗以及高光功率下激发的非线性效应，所采用的光纤的中心波长应当与激光器所发射的激光波长相匹配。

所述单模光纤为普通的单模光纤，其中心波长与激光器所发射的激光波长相匹配。

所述光耦合器为固定分光比耦合器；所述的光耦合器将激光光源发射的激光分成能量大小不一的两束激光，其中将能量大的激光作为供能激光传输至光子电源系统，能量小的激光分作为光载波传输至光电调制器。本实施例通过将激光源分成两束，同时输入光子电源系统与光电调制器，实现光源的复用，降低系统复杂度。

本实施例所述光子电源系统通过光伏转换技术将光能转化为电能，为后续姿态传感器、光电调制器等器件提供直流驱动电源。光子电源系统采用光伏转换技术，是将光能转化为电能的小型能源转化装置，目前商用光子电源系统(PPM,Photonic Power Modules)电压与功率可以满足磁罗盘与低功耗光电调制器的供电需求。所述的光子电源系统在多模光纤情况下传输距离达1km，单模光纤情况下可大于10km。

所述姿态传感器包括磁罗盘、加速度器、光纤陀螺仪，可将磁罗盘、加速度器、光纤陀螺仪单独或组合完成姿态探测，实现实时采集传感基元所处位置三维地球磁场强度信息与三维加速度信息，将采集到的数据通过光电调制器以光信号的形式传输到光探测器，光探测器将采集的数据传输给上位机计算并输出磁方位角、俯仰角、横滚角。

本实施例所述光电调制器对光载波进行调制，例如采用Bias Mach-Zehnder调制器以强度调制方式实现传感信号的基带调制，该方式具有结构简单、成本低特点，适合于短距离光通信。调制器功率可低至mW级，完全符合光子电源系统的供电能力，其中心波长需与激光器发射的激光波长相匹配。

本实施例所述光电探测器通过探测激光强度方式实现直接检测，并将探测信息传输至外部数据处理设备，如电脑中进行显示并处理。

实施例2

本实施例所述的光耦合器为可调分光比耦合器；所述的光耦合器将激光光源发射的激光分成能量大小不一的两束激光，其中将能量大的激光作为供能激光传输至光子电源系统，能量小的激光分作为光载波传输至光电调制器。本实施例通过将激光源分成两束，同时输入光子电源系统与光电调制器，实现光源的复用，降低系统复杂度。本实施例采用的光耦合器为可调分光比耦合器，其能调节被分束的两束光的能量大小，能适用不用的光子电源系统和光电调制器。

实施例3

本实施例采用磁罗盘与加速度器作为姿态传感器组合进行姿态检测。当姿态传感器供电后，进入工作状态，将采集到设备的姿态信号传输到光电调制器中进行调制，光电调制器将信号以光信号的方式通过单模光纤传输到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，并传输给上位机进行处理。所述的磁罗盘由相互正交的三个磁感式或磁阻式传感探头以及驱动电路构成，其功能是感应不同环境与姿态下磁场强度的变化，将磁场信号转变为电压信号；所述加速度器由加速度感应芯片构成，该芯片集成了相互正交的三轴加速度传感器，其功能是输出姿态传感元件在不同姿态下的三轴加速度值；将磁罗盘与加速度器组合可获取相对大地坐标的俯仰、横滚、方位角。

实施例4

本实施例采用光纤陀螺仪、磁罗盘与加速度器作为姿态传感器进行组合检测姿态，其结构与实施例2类似，区别在于光纤陀螺仪的引入。所述的光纤陀螺仪是一种基于Sagnac原理的光纤角速度传感器，用于获取角速度；所述的加速度器用于获取加速度；所述的磁罗盘获取方向角的初始对准值。将光纤陀螺仪、加速度器、磁罗盘进行组合可获得相对大地坐标的俯仰、横滚、方位角。

本实施例所述的水下姿态传感系统利用光子电源系统实现湿端内部供电，避免干端为湿端供电问题。同时在所述的水下姿态传感系统中，利用光电调制实现湿端与干端间数据的光通信，避免湿端与干端间的电缆通信问题。在水下姿态传感系统中，复用光子电源与光电调制的激光光源，减少系统中激光器数量，节约成本。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下姿态传感系统，包括设置在水面上的干端、设置在水下的湿端，所述干端与湿端通信连接；其特征在于：所述的干端包括光电探测器、激光光源；所述的湿端包括光耦合器、光子电源系统、光电调制器、姿态传感器；

其中，所述的激光光源的输出端与光耦合器的输入端之间设有传能光纤，用于传输光能；光耦合器的第一输出端与光子电源系统的输入端连接；光耦合器的第二输出端与光电调制器的光载波输入端连接；

所述的光子电源系统向光电调制器、姿态传感器提供所需的工作电源；

所述姿态传感器的输出端与光电调制器的电调制信号输入端连接；

所述光电调制器的输出端与光电探测器之间设有单模光纤，用于传输光信号。

2.根据权利要求1所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的姿态传感器包括磁罗盘、加速度器、光纤陀螺仪。

3.根据权利要求1所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的光子电源系统的波段为790-980nm，相应的激光光源发射的激光波长为790-980nm。

4.根据权利要求3所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的激光光源发射的激光波长为980nm、发射光功率大于或等于12dBm。

5.根据权利要求3所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的传能光纤包括62.5μm光纤、105μm光纤，其中心波长与激光光源发射的激光波长相匹配。

6.根据权利要求3所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的单模光纤的中心波长与激光光源发射的激光波长相匹配。

7.根据权利要求2～6任一项所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的光耦合器为可调分光比耦合器；所述的光耦合器将激光光源分为能量大小不同的两束光源，其中将能量大的光源作为功能激光传输给光子电源系统，将能量小的光源作为光载波传输给光电调制器。

8.根据权利要求2～6任一项所述的水下姿态传感系统，其特征在于：所述的光耦合器为固定分光比耦合器；所述的光耦合器将激光光源分为能量大小不同的两束光源，其中将能量大的光源作为功能激光传输给光子电源系统，将能量小的光源作为光载波传输给光电调制器。

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