專利名稱：一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及利用干涉光相位檢測聲壓的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列。
背景技術：
聲波是目前在海洋中能夠遠距離傳輸信息的最有效載體。在海洋中探測載有信號的聲波所形成的聲場的時空結構，是進行水下探測、識別、通訊及環(huán)境監(jiān)測等的重要手段，它既可用于遠距離軍事目標探測，海底礦藏開發(fā)，魚群探測，還可以用于海洋動力過程(內波、環(huán)流)的遙測和海洋、陸地地震波檢測等。因此，先進的水聲探測技術對于國民經(jīng)濟，國防建設和科學研究都有著重要意義。光纖水聽器是于七十年代末發(fā)展起來的一種建立在光纖、光電子技術基礎上的水 下聲信號傳感器。它利用聲波調制光纖中光波的強度、相位、偏振態(tài)或其它參量來進行聲/光轉換，將水聲信號轉換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息，其靈敏度與傳統(tǒng)壓電水聽器相比高三個數(shù)量級。光纖水聽器集光纖傳感器靈敏度高、頻帶響應寬、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、結構靈巧、易于遙測和構成陣列等優(yōu)越性于一體，是光纖傳感技術研究的重要方向之一，也是新一代水聲傳感器的主要發(fā)展方向之一，它在軍事領域的研究與應用受到了各國軍方的高度重視。自從1977年美國海軍實驗室Bucaro等人發(fā)表了第一篇關于光纖水聽器的論文以來，已經(jīng)經(jīng)過了三十年的研究與發(fā)展。特別是近年來，隨著光纖通信及光電子技術的迅速發(fā)展，光纖傳感技術日趨成熟，光纖水聽器也由實驗室研究走向工程應用，成為現(xiàn)代光纖傳感技術發(fā)展的重要方向，也是水聲傳感技術的主要發(fā)展方向。光纖水聽器按原理可分為強度型、干涉型、光柵型等。其中強度型光纖水聽器的結構與信號檢測相對簡單，不存在干涉型光纖水聽器中存在的信號相位波動及偏振態(tài)隨機變化導致的信號衰落等問題，但是檢測靈敏度不及干涉型，也不利于組成陣列結構，有較大的局限性，是早期光纖水聲傳感技術研究的主要內容。隨著干涉型光纖水聽器研究的興起，其關鍵技術已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領域己經(jīng)形成產(chǎn)品，光纖水聽器的研究熱點已經(jīng)從強度型轉為干涉型。干涉型光纖水聽器是基于光學干涉儀的原理構造，利用聲場對光纖中光波的傳輸相位進行調制，經(jīng)過光纖干涉儀，將這種相位調制檢測并解調出來而實現(xiàn)聲傳感。能夠實現(xiàn)干涉型光纖水聽器的光纖干涉儀結構主要有四種，分別是Mach-Zehnder型干涉儀、Michelson型干涉儀、Fabry-Perot型干涉儀、Sagnac型干涉儀等。其中，F(xiàn)abry-Perot型光纖水聽器靈敏度非常高，但它的動態(tài)范圍小，易受光路損耗變化的影響，特別是信號解調復雜，不適于復用技術，用于水聲傳感的研究較少。目前，被研究最多的是基于Mach-Zehnder干涉儀和Michelson干涉儀的光纖水聽器，也是技術最為成熟的干涉型光纖水聽器。但這兩種干涉儀存在固有的問題，比如由于兩干涉臂很難保證長度一致，在有些應用中還會人為地加大兩臂的光程差，這將會使雙光路干涉儀中光源的相位噪聲轉換為強度噪聲。此外，兩束相干光的光路不同，兩束光的偏振態(tài)會發(fā)生隨機波動，很難保持一致，這將導致干涉信號的對比度降低，嚴重情況下對比度甚至為零。而基于Sagnac型干涉儀的光纖水聽器雖然解決了偏振態(tài)隨機波動的問題，但由于Sagnac型干涉儀為互易光路系統(tǒng)，對于低頻信號存在固有的不敏感性，存在一定的局限。在未來軍事領域應用的光纖水聽器陣列將向著多節(jié)點，大監(jiān)控范圍的方向發(fā)展，每個陣列將包含幾十甚至上百個節(jié)點，幾百公里的監(jiān)控范圍。近年來各國對光纖水聽器技術研究的重點集中到如何充分利用光纖傳輸損耗低，傳輸帶寬大的特點，并結合集成光電子器件的最新進展，實現(xiàn)對光源，光纖以及光電探測器的多路復用，用較少的組件形成分布式光纖水聽器陣列，這樣既低了系統(tǒng)成本，又降低了維護上的復雜程度。而且通過對陣列信號的處理可以極大的提高整個多路復用系統(tǒng)的探測性能，獲取更多有關水下目標的信息，目前采用的陣列均基于以上傳統(tǒng)的光纖水聽器方案。

發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列包括光源、分束器A、起偏器、相位調制器、延遲光纖、分束器B、敏感單元陣列、光電探測器組成；敏感單元陣列包括法拉第旋光器、聲探頭、補償光纖及反射鏡；光源的尾纖同分束器A的一輸入端光纖熔接在一起,光電探測器的尾纖與分束器A的另一輸入端光纖熔接在一起；分束器A的輸出端光纖同起偏器熔接,起偏器的輸出端保偏光纖與相位調制器的輸入端保偏光纖以45°熔接,相位調制器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖同分束器B的輸入光纖熔接,光由分束器B輸出端分為兩路，其中分束器B的一路輸出尾纖與敏感單元陣列相連接，具體為分束器B的輸出尾纖同法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與聲探頭的傳感光纖的輸入端光纖熔接，聲探頭的傳感光纖的另一端與補償光纖以90°熔接，補償光纖的另一端光纖連接反射鏡，而分束器B的另一路輸出尾纖經(jīng)延遲光纖與另一個分束器B相連接，分束器B的一路輸出光纖連接另一個敏感單元陣列，該敏感單元陣列的連接方式與上述敏感單元陣列連接方式完全相同，分束器B的另一路輸出光纖再通過延遲光纖、分束器B與敏感單元陣列相連接，采用相同的連接方法通過延遲延遲光纖和分束器B依次連接多個敏感單元陣列；光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含聲壓信息的干涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取聲壓值，并且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調制器上從而實現(xiàn)相位調制。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，可以有效抑制光路中的偏振態(tài)隨機波動，解決了傳統(tǒng)水聽器的偏振衰落問題。(2)本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，采用準互易光路方案，因此對環(huán)境干擾的免疫能力很強。(3)本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，采用反射式光路，信號來回兩次經(jīng)過聲探頭，檢測聲壓信號為常規(guī)光纖傳感器的兩倍，有效提高了靈敏度。(4)本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，復用效率高，結構簡單，相位噪聲小。
(5)本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，以光纖作為信息的傳感與傳輸介質，不會被電磁干擾。


圖I是本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列的結構示意圖。圖中1-光源；2-分束器A;3-起偏器；4-相位調制器；5-延遲光纖； 6-分束器B;7-敏感單元陣列；8-法拉第旋光器；9-聲探頭；10-補償光纖；11-反射鏡；12-光電探測器；13-信號處理電路。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，如圖I所示，具體包括光源I、分束器A2、起偏器3、相位調制器4、延遲光纖5、分束器B6、敏感單元陣列7、光電探測器12組成。其中，法拉第旋光器8、聲探頭9、補償光纖10及反射鏡11組成敏感單元陣列7。分束器A2的輸入端為兩路輸入，脈沖光信號在分束器A2的兩路輸入端具體為一路是光源I的尾纖同分束器A2的一輸入端光纖熔接在一起，另一路是光電探測器12的尾纖與分束器A2的另一輸入端光纖熔接在一起；分束器A2的輸出端光纖同起偏器3熔接，起偏器3的輸出端保偏光纖與相位調制器4的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調制器4的輸出端光纖同延遲光纖5的輸入端光纖熔接,延遲光纖5的輸出端光纖同分束器B6的輸入光纖熔接，光由分束器B6輸出端分為兩路,其中分束器B6的一路輸出尾纖與敏感單兀陣列7相連接，具體為分束器B6的輸出尾纖同法拉第旋光器8輸入端光纖熔接,法拉第旋光器8輸出端光纖與聲探頭9的傳感光纖的輸入端光纖熔接，聲探頭9的傳感光纖的另一端與補償光纖以90°熔接，補償光纖的另一端光纖連接反射鏡，而分束器B的另一路輸出尾纖經(jīng)過延遲光纖10與另一個分束器B6相連接，分束器B6的一路輸出光纖連接另一個敏感單元陣列7，該敏感單元陣列7的連接方式與敏感單元陣列7連接方式完全相同，分束器B6的另一路輸出光纖再通過延遲光纖5、分束器B6與敏感單元陣列7相連接，按照上述的連接方法，依次可以連接多個敏感單元陣列7，具體個數(shù)根據(jù)實際應用需要調整，且相鄰兩個敏感單元陣列7均通過延遲光纖5和分束器B6連接。光電探測器12的輸出端與信號處理電路13相連接，光電探測器12將獲取的包含聲壓信息的干涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路13檢測該電信號獲取聲壓值，并且輸出，同時信號處理電路13將輸出信號施加給相位調制器4從而實現(xiàn)相位調制。所述的光源I可以為SLD光源、摻鉺光纖光源或LED光源等寬譜光源。所述的聲探頭9的傳感光纖采用保偏光纖。所述的分束器A2和分束器B6可以是保偏光纖環(huán)形器、保偏耦合器、單模光纖環(huán)形器或單模耦合器。所述的延遲光纖5與相位調制器4、分束器B6 的連接可以是跳線連接或熔接方式。反射鏡11可以采用在光纖端面鍍膜或采用單獨反射鏡。法拉第旋光器8旋光角度為45°。相位調制器4的調制方式可以采用方波調制或正弦波調制。
本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列的光路的基本原理為首先由光源I發(fā)出的光通過耦合器后，由起偏器3起偏成線偏光，然后通過45°熔點形成正交的兩束光，在相位調制器4進行分別調制，通過延遲光纖5后在法拉第旋光器8旋轉45°，由分束器B6分束后進入聲探頭，由于聲探頭9采用保偏光纖，因此聲探頭9感應待測聲壓，保偏光纖受到調制，傳輸光的兩個正交偏振模式之間產(chǎn)生相位變化，然后以90°進入互易補償光纖10，補償由于聲探頭9保偏光纖雙折射產(chǎn)生的光程差，并通過反射，二次經(jīng)過聲探頭，敏感信號加倍，然后通過分束器B6耦合進入延遲光纖5，經(jīng)過法拉第旋光器8后再次旋轉45°，最后在起偏器3處與兩個模式的光發(fā)生干涉。攜帶干涉相位信息的光返回光電探測器12 (PIN)后，由信號處理電路13檢測。由于順次連接的多個敏感單元陣列7之間不發(fā)生干涉，因此，通過采用脈沖光源并對干涉信號的分時檢測，即可檢測出陣列信息。光電探測器獲取的干涉光信號ID(t)的表達式為
1
= — {I + COS[先(β — f) — φΜ{ ) + 成]}
2其中I。為到達光電探測器12的光強，Φ,( )為相位調制器4的調制相位，(^為由于敏感聲壓造成的相位差，τ為光在延遲光纖中的渡越時間，t表示時間。
權利要求
1.一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于包括光源、分束器A、起偏器、相位調制器、延遲光纖、分束器B、敏感單元陣列、光電探測器組成；敏感單元陣列包括法拉第旋光器、聲探頭、補償光纖及反射鏡； 光源的尾纖同分束器A的一輸入端光纖熔接在一起,光電探測器的尾纖與分束器A的另一輸入端光纖熔接在一起；分束器A的輸出端光纖同起偏器熔接,起偏器的輸出端保偏光纖與相位調制器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調制器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，延遲光纖的輸出端光纖同分束器B的輸入光纖熔接,光由分束器B輸出端分為兩路，其中分束器B的一路輸出尾纖與敏感單元陣列相連接，具體為分束器B的輸出尾纖同法拉第旋光器輸入端光纖熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與聲探頭的傳感光纖的輸入端光纖熔接，聲探頭的傳感光纖的另一端與補償光纖以90°熔接，補償光纖的另一端光纖連接反射鏡，而分束器B的另一路輸出尾纖經(jīng)延遲光纖與另一個分束器B相連接，該分束器B的一路輸出光纖連接另一個敏感單元陣列，該敏感單元陣列的連接方式與上述敏感單元陣列連接方式完全相同，該分束器B的另一路輸出光纖再通過延遲光纖、分束器B與敏感單 元陣列相連接，采用相同的連接方法通過延遲延遲光纖和分束器B依次連接多個敏感單元陣列；光電探測器的輸出端與信號處理電路相連接，光電探測器將得到的包含聲壓信息的干涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測該電信號獲取聲壓值，并且輸出，同時信號處理電路將輸出信號施加到相位調制器上從而實現(xiàn)相位調制。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的光源為SLD光源、摻鉺光纖光源或LED光源。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的聲探頭的傳感光纖采用保偏光纖。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的分束器A和分束器B為保偏光纖環(huán)形器、保偏耦合器、單模光纖環(huán)形器或單模耦合器。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的延遲光纖與相位調制器、分束器B的連接方式為跳線連接或熔接方式。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的反射鏡采用在光纖端面鍍膜或采用單獨反射鏡。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的法拉第旋光器的旋光角度為45°。
8.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的相位調制器的調制方式采用方波調制或正弦波調制。
9.根據(jù)權利要求I所述的一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，其特征在于所述的光電探測器獲取的干涉光信號ID(t)的表達式為
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，屬于光纖傳感技術領域。該光纖水聽器陣列包括光源、分束器A、起偏器、相位調制器、延遲光纖、分束器B、敏感單元陣列、光電探測器組成；敏感單元陣列包括法拉第旋光器、聲探頭、補償光纖及反射鏡。本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器陣列，可以有效抑制光路中的偏振態(tài)隨機波動，解決了傳統(tǒng)水聽器的偏振衰落問題，且本發(fā)明采用準互易光路方案，因此對環(huán)境干擾的免疫能力很強。本發(fā)明采用反射式光路，信號來回兩次經(jīng)過聲探頭，檢測聲壓信號為常規(guī)光纖傳感器的兩倍，有效提高了靈敏度，復用效率高，結構簡單，相位噪聲小。
文檔編號G01H9/00GK102721459SQ201210172068
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權日2012年5月29日
發(fā)明者于佳, 馮秀娟, 張晞, 李傳生, 李彥, 李立京, 王夏霄, 鄔戰(zhàn)軍 申請人:北京航空航天大學