一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及解調(diào)方法
【專利摘要】一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及解調(diào)方法，光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列包括：窄線寬激光器、第一耦合器、第一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第一光纖延時(shí)環(huán)、第二耦合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、參考探頭和水聽器傳感陣列；傳感陣列采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，脈沖光通過延時(shí)環(huán)分時(shí)進(jìn)入陣列的各個(gè)探頭，產(chǎn)生傳感光信號(hào)；參考探頭用于產(chǎn)生參考光信號(hào)；傳感光信號(hào)與參考光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器采集后變?yōu)槟M電信號(hào)，通過信號(hào)解調(diào)模塊分別對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并由反正切的算法，解算出傳感陣列感知的水聲信號(hào)。
【專利說明】
一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖水聽器領(lǐng)域，特別是一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及 解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖水聽器是現(xiàn)代聲納發(fā)展的一個(gè)重要方向，它是通過相位載波的方法將水中的 聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為干涉光的相位信號(hào)，通過解調(diào)算法得到光的相位信息，從而獲得水聲信息。按 照解調(diào)方案劃分為有源零差法、3X3耦合器法、PGC法及外差法。信號(hào)解調(diào)方案的選擇及實(shí) 現(xiàn)方法不僅關(guān)系到檢測(cè)靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等對(duì)于光纖水聽器來說十分重要的指標(biāo)因數(shù)，更 決定著陣列所采用的光路結(jié)構(gòu)。
[0003] 有源零差法在光纖水聽器系統(tǒng)的"濕端"增加有源器件，當(dāng)環(huán)境噪聲使傳感器電路 超出其動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，需要復(fù)位，而引入了附加噪聲;3 X 3耦合器法無需載波但其信號(hào)在低頻 段，受干擾較嚴(yán)重；目前制造的3 X 3耦合器性能對(duì)溫度和偏振態(tài)非常敏感，存在長(zhǎng)期穩(wěn)定性 問題，不利于陣列的實(shí)用化;PGC法分為內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制，由于外調(diào)制在光纖水聽器系統(tǒng)的 "濕端"增加了有源器件，一般采用內(nèi)調(diào)制PGC法即調(diào)制激光器的方案，其光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，載 波頻率較高，避免低頻干擾。但受光源穩(wěn)定性的限制，內(nèi)調(diào)制PGC方法不可能將調(diào)制頻率做 得很高，這就導(dǎo)致在檢測(cè)高頻、大幅度信號(hào)時(shí)出現(xiàn)頻率混疊問題。
[0004] 外差干涉式光纖水聽器的時(shí)分復(fù)用陣列一般采用"串聯(lián)"結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)探頭的傳 感部分又是下一個(gè)探頭的延時(shí)部分，串聯(lián)結(jié)構(gòu)使用的光學(xué)器件較少，陣列光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，但 是若陣列中的某個(gè)探頭損毀會(huì)導(dǎo)致整個(gè)陣列不能工作;陣列中的每個(gè)探頭形式不同不利于 控制探頭的一致性;探頭既是傳感部分又是下一個(gè)探頭的延時(shí)部分，這樣傳感部分感知的 信號(hào)為后面的探頭帶來了串?dāng)_，將會(huì)影響時(shí)分復(fù)用陣列的性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：
[0006] 為了解決光纖水聽器高頻檢測(cè)、"濕端"全光化、光纖水聽器探頭一致性及光纖水 聽器時(shí)分復(fù)用陣列串?dāng)_問題，本發(fā)明提供一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及解調(diào) 算法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0008] -種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，包括：窄線寬激光器、第一耦合器、第 一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第一光纖延時(shí)環(huán)、第二耦合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、 第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、參考探頭和水聽器傳感陣列；
[0009] 窄線寬激光器出射的連續(xù)激光通過第一耦合器分為兩路，兩束激光分別進(jìn)入第一 聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器，被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調(diào)制器輸出的脈 沖激光經(jīng)過第一光纖延時(shí)環(huán)進(jìn)行延時(shí)后輸入到第二耦合器，第二聲光調(diào)制器輸出的脈沖激 光直接輸入到第二親合器，第二親合器將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行親合后再分為兩束，將輸 出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器進(jìn)入水聽器傳感陣列，由光纖水聽器傳感陣列反射回的 傳感光信號(hào)經(jīng)第一環(huán)形器到達(dá)第一光電探測(cè)器，第一光電探測(cè)器將輸出的電信號(hào)送入信號(hào) 解調(diào)模塊;第二耦合器輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器進(jìn)入?yún)⒖继筋^，參考探頭產(chǎn) 生的參考光信號(hào)經(jīng)過第二環(huán)形器進(jìn)入第二光電探測(cè)器，第二光電探測(cè)器將輸出的電信號(hào)送 入信號(hào)解調(diào)模塊，信號(hào)解調(diào)模塊根據(jù)接收到的兩路電信號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)。
[0010] 脈沖激光經(jīng)過所述的第一光纖延時(shí)環(huán)的時(shí)間大于等于脈沖激光的脈寬。
[0011] 參考探頭包括第三耦合器、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第二光纖延 時(shí)環(huán)；
[0012] 進(jìn)入?yún)⒖继筋^的脈沖激光經(jīng)過第三耦合器后分成兩路，一路脈沖激光經(jīng)過第一法 拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后回到第三耦合器中，另一路脈沖激光經(jīng)過第二光纖延時(shí)環(huán)后，再通過第 二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行反射，之后經(jīng)過第二光纖延時(shí)環(huán)進(jìn)入第三耦合器中，第三耦合器將收 到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出參考光信號(hào)到第二環(huán)形器。
[0013] 在第三親合器處親合的兩路反射信號(hào)的光程差與第一光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度相同。
[0014] 所述水聽器傳感陣列包括多組傳感探頭、多個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)和多個(gè)第四耦合 器;每個(gè)傳感探頭均包括第五耦合器、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四光纖延 時(shí)環(huán)；
[0015] 第一環(huán)形器輸出的脈沖激光經(jīng)過第一個(gè)第四耦合器分成兩束，一束進(jìn)入第一個(gè)傳 感探頭，另一束通過第一個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)進(jìn)入第二個(gè)第四耦合器，經(jīng)過第二個(gè)第四耦合 器之后分成兩束，一束進(jìn)入第二個(gè)傳感探頭，另一束通過第二個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)進(jìn)入第三 個(gè)第四耦合器，依此類推，直到所有的傳感探頭均有脈沖激光進(jìn)入；
[0016] 進(jìn)入到每一個(gè)傳感探頭的脈沖激光經(jīng)過第五耦合器后分成兩路，一路脈沖激光經(jīng) 過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后回到第五耦合器中，另一路脈沖激光經(jīng)過第四光纖延時(shí)環(huán)后， 再通過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行反射，之后經(jīng)過第四光纖延時(shí)環(huán)進(jìn)入第五耦合器中，第五耦 合器將收到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出傳感光信號(hào)，每個(gè)傳感探頭輸出的傳感光信號(hào) 分時(shí)送入第一環(huán)形器中。
[0017]進(jìn)入到每個(gè)傳感探頭的脈沖激光的光強(qiáng)相同。
[0018] 在第五耦合器處耦合的兩路反射信號(hào)的光程差、第三光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度以及第一 光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度相同。
[0019] 所述參考探頭的外部設(shè)有隔音、隔振的封裝。
[0020] 所述傳感探頭的外部設(shè)有增敏的封裝，用于拾取水聲信號(hào)。
[0021] -種基于外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列實(shí)現(xiàn)的解調(diào)方法，步驟如下：
[0022] (1)窄線寬激光器出射的頻率為fQ的連續(xù)激光通過第一耦合器分為兩路，兩束激 光分別進(jìn)入第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器，被調(diào)制成頻率為fo+fjP頻率為fo+f 2的脈 沖激光；
[0023] (2)第一聲光調(diào)制器輸出的頻率為fo+h脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時(shí)環(huán)進(jìn)行延時(shí)后 輸入到第二耦合器，第二聲光調(diào)制器輸出的頻率為fo+f2脈沖激光直接輸入到第二耦合器， 第二耦合器將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行耦合后再分為兩束；
[0024] (3)第二耦合器輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器進(jìn)入水聽器傳感陣列的各個(gè) 傳感探頭中，由各個(gè)傳感探頭反射回的傳感光信號(hào)分時(shí)到達(dá)第一環(huán)形器，經(jīng)第一環(huán)形器之 后送入第一光電探測(cè)器，第一光電探測(cè)器將輸出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊；
[0025] 第一光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)為:Y^Cn+DnCOsPTrA/mpwm+tpn。]，_
[0026] 其中，Ysn為第n個(gè)傳感探頭所對(duì)應(yīng)的第一光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)，A € = ^2為 外差拍頻信號(hào)的頻率差，Cn為第n個(gè)傳感探頭的直流分量，Dn為第n個(gè)傳感探頭的交流項(xiàng)幅 值，t為時(shí)間;犯。表示第n個(gè)水聽器的初相位;q> sn(0表示第n個(gè)水聽器探頭檢測(cè)到的外界水聲 信號(hào)；
[0027] (4)第二耦合器輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器進(jìn)入?yún)⒖继筋^，參考探頭 產(chǎn)生的參考光信號(hào)經(jīng)過第二環(huán)形器進(jìn)入第二光電探測(cè)器，第二光電探測(cè)器將輸出的電信號(hào) 送入信號(hào)解調(diào)模塊；
[0028] 第二光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)為：Yr=A+Bcos[27rA//+9r]
[0029] 其中，A為參考信號(hào)的直流分量，B為參考信號(hào)的交流項(xiàng)幅值，取表示參考探頭干涉 信號(hào)的初相位；
[0030] (5)信號(hào)解調(diào)模塊根據(jù)接收到的兩路電信號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)：
[0031] (5.1)對(duì)步驟(4)中的第二光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)Yr進(jìn)行A/D變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器濾除直流分量，得到參考信號(hào)：
[0032] yr=Bcos[2^A/^+(pi：]5
[0033]對(duì)上式進(jìn)行移相90°，得到其正交參考信號(hào)：
[0034] ysr=Bsin[2?rA/z：+(pr];
[0035] (5.2)對(duì)第一光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)Ysn進(jìn)行A/D變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)帶通 濾波器濾除直流分量，得到傳感信號(hào)：
[0036] y sn=Dncos [2 /TA/H(psn( i)+q>n0]：
[0037] (5.3)將ysn與(5.1)中的兩式分別相乘，并進(jìn)行低通濾波得到：
[0038] y,i,*yr=BHi lD:,cos[tpsn(i)+(pno-(pr]；
[0039] ysnr^y, =-B^ D^sinttp.ndj-KPiKi-cp,-]；
[0040] (5.4)將(5.3)中兩式相除，得到正切信號(hào)：
[0041 ] ytan=-taft[q>Sn(t)+q)n0-(pi]
[0042] (5.5)將(5.4)中ytang反正切，得到相位信號(hào)：
[0043] q)s"(t) = -arclan(ywi1)-(pn。十 fr:
[0044] (5.6)對(duì)相位信號(hào)(pdt)進(jìn)行高通濾波，濾除水聽器傳感陣列第n個(gè)傳感探頭的初相 位糾。和參考探頭信號(hào)的初相位％，得到第n個(gè)探頭拾取水聲信號(hào)qv(t)。
[0045] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0046] (1)外差干涉式光纖水聽器通過控制聲光調(diào)制器的移頻頻率可以設(shè)置較高的載波 頻率，遠(yuǎn)離低頻區(qū)域的干擾，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍可以檢測(cè)高頻聲信號(hào)；
[0047] (2)通過控制第一光纖延時(shí)環(huán)、第三光纖延時(shí)環(huán)和第四光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度，使得產(chǎn) 生載波信號(hào)的兩個(gè)不同頻率的脈沖光所經(jīng)過的光程相同，兩束光為等臂干涉，可以降低激 光器相位噪聲的影響。
[0048] (3)時(shí)分復(fù)用陣列中的每一個(gè)傳感探頭都是由無源光學(xué)器件組成，即由第三耦合 器、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四光纖延時(shí)環(huán)組成，實(shí)現(xiàn)水聽器濕端全光 化。每一個(gè)探頭采用同樣的設(shè)計(jì)及增敏封裝，可以控制探頭的一致性。
[0049] (4)通過控制第三光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度，脈沖光分時(shí)進(jìn)入傳感探頭，第三光纖延時(shí)環(huán) 不敏感聲信號(hào)，不會(huì)帶入串?dāng)_;且每個(gè)探頭的敏感部分在各自探頭內(nèi)拾取水聲信號(hào)后直接 輸入到第二光電探測(cè)器，并未向下一級(jí)傳感探頭傳輸，此設(shè)計(jì)降低了探頭間串?dāng)_。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發(fā)明中外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路結(jié)構(gòu)圖；
[0051] 圖2為本發(fā)明中信號(hào)處理流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]本發(fā)明提供了一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及解調(diào)算法，如圖1所示， 光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列包括:窄線寬激光器1、第一親合器2、第一聲光調(diào)制器3、第二聲光 調(diào)制器4、第一光纖延時(shí)環(huán)5、第二耦合器6、第一環(huán)形器7、第二環(huán)形器8、第一光電探測(cè)器9、 第二光電探測(cè)器10、參考探頭11和水聽器傳感陣列12;傳感陣列12采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，脈沖光通 過第三光纖延時(shí)環(huán)分時(shí)進(jìn)入陣列的各個(gè)傳感探頭17,產(chǎn)生傳感光信號(hào)；參考探頭11用于產(chǎn) 生參考光信號(hào);傳感光信號(hào)與參考光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器采集后變?yōu)槟M電信號(hào)，通過信號(hào) 解調(diào)模塊分22別對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并由反正切的算法，解算出傳感陣列感知的水聲信號(hào)。 [0053]窄線寬激光器1出射的連續(xù)激光通過第一耦合器2分為兩路，兩束激光分別進(jìn)入第 一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器4,被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調(diào)制器3輸出 的脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時(shí)環(huán)5進(jìn)行延時(shí)后輸入到第二耦合器6,第二聲光調(diào)制器4輸出 的脈沖激光直接輸入到第二親合器6,第二親合器6將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行親合后，脈沖 激光經(jīng)過所述的第一光纖延時(shí)環(huán)5的時(shí)間大于等于脈沖激光的脈寬。這樣在第二耦合器6處 兩個(gè)脈沖光不發(fā)生干涉，形成具有固定時(shí)序的脈沖序列。
[0054] 第二耦合器6將輸出的一束脈沖光序列經(jīng)過第一環(huán)形器7進(jìn)入水聽器傳感陣列12， 由光纖水聽器傳感陣列反射回的傳感光信號(hào)經(jīng)第一環(huán)形器7到達(dá)第一光電探測(cè)器9,第一光 電探測(cè)器9將輸出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊22;第二親合器6輸出的另一束脈沖光序列經(jīng) 過第二環(huán)形器8進(jìn)入?yún)⒖继筋^11，參考探頭產(chǎn)生與傳感信號(hào)同頻的參考光信號(hào)用于水聲信 號(hào)的解調(diào)。參考探頭11產(chǎn)生的參考光信號(hào)經(jīng)過第二環(huán)形器8進(jìn)入第二光電探測(cè)器10,第二光 電探測(cè)器10將輸出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊22,信號(hào)解調(diào)模塊22根據(jù)接收到的兩路電信 號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)。
[0055]參考探頭11包括第三耦合器13、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15和第 二光纖延時(shí)環(huán)16;
[0056]進(jìn)入?yún)⒖继筋^11的脈沖激光經(jīng)過第三耦合器13后分成兩路，一路脈沖激光經(jīng)過第 一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14反射后回到第三耦合器13中，另一路脈沖激光經(jīng)過第二光纖延時(shí)環(huán)16 后，再通過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15進(jìn)行反射，之后經(jīng)過第二光纖延時(shí)環(huán)16進(jìn)入第三耦合器13 中，第三耦合器13將收到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出參考光信號(hào)到第二環(huán)形器8。在參 考探頭內(nèi)使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡抑制傳感光信號(hào)的偏振衰落。
[0057]在第三親合器13處親合的兩路反射信號(hào)的光程差與第一光纖延時(shí)環(huán)5的長(zhǎng)度相 同。這樣由第一聲光調(diào)制器3輸出的脈沖光經(jīng)過第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14反射后與第二聲光調(diào) 制器4輸出的脈沖光經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15反射后所經(jīng)歷的光程的長(zhǎng)度相同，兩個(gè)不同 頻率的脈沖光，在第三耦合器13處發(fā)生拍頻，作為參考光信號(hào)。參考探頭11外部設(shè)有隔音、 隔振封裝，隔絕外部聲音和振動(dòng)對(duì)參考光信號(hào)相位信息的影響。
[0058] 所述水聽器傳感陣列12包括多組傳感探頭17、多個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)18和多個(gè)第四 耦合器19;每個(gè)傳感探頭17均包括第五耦合器20、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21、第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡 22和第四光纖延時(shí)環(huán)23;由上述部分組成的水聽器傳感陣列12具有在濕端無源、全光化特 點(diǎn)。
[0059] 第一環(huán)形器7輸出的脈沖激光經(jīng)過第一個(gè)第四耦合器19分成兩束，一束進(jìn)入第一 個(gè)傳感探頭17,另一束通過第一個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)18進(jìn)入第二個(gè)第四耦合器19,經(jīng)過第二 個(gè)第四耦合器19之后分成兩束，一束進(jìn)入第二個(gè)傳感探頭17,另一束通過第二個(gè)第三光纖 延時(shí)環(huán)18進(jìn)入第三個(gè)第四耦合器19,依此類推，直到所有的傳感探頭17均有脈沖激光進(jìn)入； 脈沖激光通過第三光纖延時(shí)環(huán)18分時(shí)依次進(jìn)入傳感探頭17;第四耦合器19的分光比例與傳 感探頭的個(gè)數(shù)有關(guān)，使得進(jìn)入每個(gè)傳感探頭的光功率相同；
[0060] 進(jìn)入到每一個(gè)傳感探頭17的脈沖激光經(jīng)過第五耦合器20后分成兩路，一路脈沖激 光經(jīng)過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21反射后回到第五耦合器20中，另一路脈沖激光經(jīng)過第四光纖延 時(shí)環(huán)23后，再通過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡22進(jìn)行反射，之后經(jīng)過第四光纖延時(shí)環(huán)23進(jìn)入第五耦 合器20中，第五耦合器20將收到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出傳感光信號(hào)，每個(gè)傳感探頭 17輸出的傳感光信號(hào)分時(shí)送入第一環(huán)形器7中。
[0061] 傳感探頭中的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡用于抑制偏振衰落，在第五耦合器處耦合的兩路反射 信號(hào)的光程差與第一光纖延時(shí)環(huán)5的長(zhǎng)度相同，這樣由第一聲光調(diào)制器3輸出的脈沖光經(jīng)過 第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21反射后與第二聲光調(diào)制器4輸出的脈沖光經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡22反 射后所經(jīng)歷的光程的長(zhǎng)度相同，兩個(gè)不同頻率的脈沖光，在第三耦合器20處發(fā)生拍頻，作為 傳感光信號(hào)。兩個(gè)脈沖光的拍頻是等臂干涉，可以降低激光器的相位噪聲;每個(gè)傳感探頭17 產(chǎn)生傳感光信號(hào)之間的時(shí)間間隔與第三光纖延時(shí)環(huán)18的長(zhǎng)度有關(guān);第三光纖延時(shí)環(huán)18的長(zhǎng) 度與第一光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度相同，這樣保證每個(gè)傳感探頭的傳感信號(hào)不會(huì)相互干擾，且每 個(gè)傳感探頭的敏感部分在各自探頭內(nèi)拾取水聲信號(hào)后直接輸入到第二光電探測(cè)器，并未向 下一級(jí)傳感探頭傳輸，降低了探頭間串?dāng)_。所述傳感探頭17的外部設(shè)有增敏封裝，用于拾取 水聲信號(hào)。
[0062] 如圖2所示，基于上述水聽器陣列，本發(fā)明還提出一種基于外差干涉式光纖水聽器 時(shí)分復(fù)用陣列實(shí)現(xiàn)的解調(diào)方法，步驟如下：
[0063] 1、窄線寬激光器1出射的頻率為fQ的連續(xù)激光通過第一耦合器2分為兩路，兩束激 光分別進(jìn)入第一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器4,被調(diào)制成頻率為fo+fjP頻率為fo+f 2的 脈沖激光；
[0064] 2、第一聲光調(diào)制器3輸出的頻率為^+心脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時(shí)環(huán)5進(jìn)行延時(shí) 后輸入到第二耦合器6,第二聲光調(diào)制器4輸出的頻率為fo+f2脈沖激光直接輸入到第二耦合 器6，第二耦合器6將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行耦合后再分為兩束；
[0065] 3第二耦合器6輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器7進(jìn)入水聽器傳感陣列12的各 個(gè)傳感探頭17中，由各個(gè)傳感探頭17反射回的傳感光信號(hào)分時(shí)到達(dá)第一環(huán)形器7,經(jīng)第一環(huán) 形器7之后送入第一光電探測(cè)器9,第一光電探測(cè)器9將輸出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊22;
[0066] 第一光電探測(cè)器9輸出的電信號(hào)為：⑴,
[0067] 其中，Ysn為第n個(gè)傳感探頭17所對(duì)應(yīng)的第一光電探測(cè)器9輸出的電信號(hào)，A € =心-f2為外差拍頻信號(hào)的頻率差，由聲光調(diào)制器的移頻頻率決定，通過設(shè)置移頻頻率的置達(dá)到 較高的載波頻率，可以檢測(cè)高頻的聲信號(hào)，C n為第n個(gè)傳感探頭的直流分量，Dn為第n個(gè)傳感 探頭的交流項(xiàng)幅值，t為時(shí)間；。表示第n個(gè)水聽器的初相位，與第n個(gè)水聽器所處的環(huán)境有 關(guān)，是一個(gè)低頻的慢變量;q> snW表示第n個(gè)水聽器探頭檢測(cè)到的外界水聲信號(hào)；
[0068] 4、第二耦合器6輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器8進(jìn)入?yún)⒖继筋^11，參考探 頭11產(chǎn)生的參考光信號(hào)經(jīng)過第二環(huán)形器8進(jìn)入第二光電探測(cè)器10,第二光電探測(cè)器10將輸 出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊22;
[0069] 第二光電探測(cè)器10輸出的電信號(hào)為：Yr=A+Bt:〇S[2;r/VH (Pr]
[0070] 其中，A為參考信號(hào)的直流分量，B為參考信號(hào)的交流項(xiàng)幅值，叫表示參考探頭11干 涉信號(hào)的初相位；
[0071] 5、信號(hào)解調(diào)模塊22根據(jù)接收到的兩路電信號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)：
[0072] 5.1、對(duì)步驟4中的第二光電探測(cè)器10輸出的電信號(hào)Yr進(jìn)行A/D變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號(hào)，經(jīng)帶通濾波器濾除直流分量，得到參考信號(hào)：
[0073] yl--B:q〇s：[27r4#+(Pr]；
[0074]對(duì)上式進(jìn)行移相90°，得到其正交參考信號(hào)：
[0075] ySr=Bsirt[2jr4#+cpr];
[0076] 5.2、對(duì)第一光電探測(cè)器9輸出的電信號(hào)Ysn進(jìn)行A/D變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)帶通 濾波器濾除直流分量，得到傳感信號(hào)：
[0077] ysn=D"cos[27rzVM-⑴十(pnn:l;
[0078] 5.3、將ysn與5.1中的兩式分別相乘，并進(jìn)行低通濾波得到：
[0079] yM,H，yr=B：i5D, 1cos[cp,!,(i)+(pllli-(pr]；
[0080] ySi,,.:!syr 二-B^DjinOpJO+qw%];
[00811 5.4、將5.3中兩式相除，得到正切信號(hào)：
[0082] .y.ta〇= 4an[(ps"(1.)~Kpllu-(pr]
[0083] 5 ? 5、將5 ? 4中7伽經(jīng)反正切，得到相位信號(hào)：
[0084] (^(t) = -arctanCytan^cpno+cpr
[0085] 5.6、由于水聽器傳感陣列12第n個(gè)傳感探頭17的初相位他。和參考探頭11信號(hào)的 初相位％，為低頻慢變量，通過對(duì)相位信號(hào)(p sn?進(jìn)行高通濾波，得到第n個(gè)探頭拾取水聲信 號(hào) tpsri(t):。
[0086] 以8陣元為例描述外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列及解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)：
[0087] 第一聲光調(diào)制器的移頻頻率為200MHz，第二聲光調(diào)制器的移頻頻率為199.94MHz; 載波頻率為60kHz，脈沖頻率為360kHz，脈沖寬度為120ns;第一光纖延時(shí)環(huán)5的長(zhǎng)度為30米， 脈沖光經(jīng)過第一延時(shí)光纖的時(shí)間為145ns大于脈沖的寬度，第一聲光調(diào)制器出射的脈沖光 與第二聲光調(diào)制器出射的脈沖光在第二親合器6處不發(fā)生干涉，形成有145ns間隔的一對(duì)脈 沖光。
[0088]針對(duì)8陣元時(shí)分復(fù)用陣列，由8個(gè)第四耦合器、7個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)和8個(gè)傳感探頭 組成，探頭間為并聯(lián)結(jié)構(gòu)；其中，第三光纖延時(shí)環(huán)的長(zhǎng)度為30米，這樣既能保證脈沖光分時(shí) 進(jìn)入各個(gè)傳感探頭，又使得探頭間的傳感光信號(hào)不相互干擾;第四耦合器的分光比分別為 1 /8、1 /7、1 /6、1 /5、1 /4、1 /3、1 /2和1 /1，這樣保證進(jìn)入每個(gè)傳感探頭的光功率相同。
[0089]在每個(gè)傳感探頭內(nèi)光信號(hào)由第五耦合器到第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離與光信號(hào)由 第五耦合器經(jīng)第四光纖延時(shí)環(huán)到第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離差為15米，這樣設(shè)計(jì)可以保證由 第一聲光調(diào)制器輸出的脈沖光經(jīng)過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后與第二聲光調(diào)制器輸出的脈 沖光經(jīng)過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后所經(jīng)歷的光程的長(zhǎng)度相同，兩個(gè)不同頻率的脈沖光，在 第五耦合器處發(fā)生拍頻，作為傳感光信號(hào)。
[0090] 針對(duì)參考探頭光信號(hào)由第三耦合器到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離與光信號(hào)由第三 耦合器經(jīng)第二光纖延時(shí)環(huán)到第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離差為15米，這樣設(shè)計(jì)可以保證由第一 聲光調(diào)制器輸出的脈沖光經(jīng)過第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后與第二聲光調(diào)制器輸出的脈沖光 經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后所經(jīng)歷的光程的長(zhǎng)度相同，兩個(gè)不同頻率的脈沖光，在第三 耦合器處發(fā)生拍頻，作為參考光信號(hào)。
[0091] 實(shí)施例：
[0092] 傳感光信號(hào)與參考光信號(hào)經(jīng)第一光電探測(cè)器與第二光電探測(cè)器后進(jìn)入數(shù)字解調(diào) 模塊，數(shù)字解調(diào)模塊由高速數(shù)字處理器組成，以FPGA與DSP為例，F(xiàn)PGA進(jìn)行傳感信號(hào)與參考 信號(hào)的預(yù)處理，即信號(hào)的選取、帶通濾波、相乘和低通濾波;信號(hào)選取通過60kHz的脈沖信號(hào) 觸發(fā)實(shí)現(xiàn)。通過帶通濾波器獲得頻率為60kHz參考信號(hào)y r及每一路的傳感信號(hào)ysn，使用通帶 為50kHz~70kHz的500階FIR濾波器;正交參考信號(hào)y sr通過對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行希爾伯特變換得 到;傳感信號(hào)分別與參考信號(hào)和正交參考信號(hào)相乘，低通濾波為了去除信號(hào)相乘之后的高 頻量，得到y(tǒng) sn*yr和ysnr*yr，使用阻帶為10kHz，通帶為5kHz的200階FIR低通濾波器;在DSP內(nèi) 部進(jìn)行y sn*yr和ysnr*yr兩路信號(hào)的相除、反正切運(yùn)算和高通濾波。相除和反正切運(yùn)算通過 DSP自帶的反正切函數(shù)實(shí)現(xiàn)，函數(shù)的計(jì)算精度是雙精度浮點(diǎn)；高通濾波是為了濾除⑴中 低頻慢變量料。和私，使用阻帶為0.1Hz，通帶為10Hz的1500階FIR高通濾波器。通過上述高速 數(shù)字系統(tǒng)處理傳感信號(hào)與參考信號(hào)后得到水聲信號(hào)q> sn(t)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于包括:窄線寬激光器（1 )、第 一耦合器(2)、第一聲光調(diào)制器(3)、第二聲光調(diào)制器(4)、第一光纖延時(shí)環(huán)(5)、第二耦合器 (6)、第一環(huán)形器(7)、第二環(huán)形器(8)、第一光電探測(cè)器(9)、第二光電探測(cè)器（10)、參考探頭 (11)和水聽器傳感陣列（12); 窄線寬激光器（1)出射的連續(xù)激光通過第一耦合器(2)分為兩路，兩束激光分別進(jìn)入第 一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)，被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調(diào)制器 (3)輸出的脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時(shí)環(huán)(5)進(jìn)行延時(shí)后輸入到第二親合器(6)，第二聲光 調(diào)制器(4)輸出的脈沖激光直接輸入到第二耦合器(6)，第二耦合器(6)將兩束輸入脈沖激 光進(jìn)行耦合后再分為兩束，將輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器(7)進(jìn)入水聽器傳感陣 列（12)，由光纖水聽器傳感陣列反射回的傳感光信號(hào)經(jīng)第一環(huán)形器(7)到達(dá)第一光電探測(cè) 器(9)，第一光電探測(cè)器(9)將輸出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊(22);第二親合器(6)輸出的 另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進(jìn)入?yún)⒖继筋^（11)，參考探頭（11)產(chǎn)生的參考光信號(hào) 經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進(jìn)入第二光電探測(cè)器（10)，第二光電探測(cè)器（10)將輸出的電信號(hào)送入 信號(hào)解調(diào)模塊(22)，信號(hào)解調(diào)模塊(22)根據(jù)接收到的兩路電信號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:脈沖 激光經(jīng)過所述的第一光纖延時(shí)環(huán)(5)的時(shí)間大于等于脈沖激光的脈寬。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:參考 探頭（11)包括第三耦合器（13 )、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（14 )、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（15)和第二光 纖延時(shí)環(huán)（16); 進(jìn)入?yún)⒖继筋^（11)的脈沖激光經(jīng)過第三耦合器（13)后分成兩路，一路脈沖激光經(jīng)過第 一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（14)反射后回到第三耦合器（13)中，另一路脈沖激光經(jīng)過第二光纖延時(shí)環(huán) (16)后，再通過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（15)進(jìn)行反射，之后經(jīng)過第二光纖延時(shí)環(huán)（16)進(jìn)入第三 耦合器（13)中，第三耦合器（13)將收到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出參考光信號(hào)到第二 環(huán)形器(8)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:在第 三親合器(13)處親合的兩路反射信號(hào)的光程差與第一光纖延時(shí)環(huán)(5)的長(zhǎng)度相同。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:所述 水聽器傳感陣列（12)包括多組傳感探頭（17)、多個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)（18)和多個(gè)第四耦合器 (19);每個(gè)傳感探頭（17)均包括第五耦合器(20 )、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(21 )、第四法拉第旋轉(zhuǎn) 鏡(22)和第四光纖延時(shí)環(huán)(23); 第一環(huán)形器(7)輸出的脈沖激光經(jīng)過第一個(gè)第四耦合器（19)分成兩束，一束進(jìn)入第一 個(gè)傳感探頭（17)，另一束通過第一個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)（18)進(jìn)入第二個(gè)第四耦合器（19)，經(jīng) 過第二個(gè)第四耦合器（19)之后分成兩束，一束進(jìn)入第二個(gè)傳感探頭（17)，另一束通過第二 個(gè)第三光纖延時(shí)環(huán)（18)進(jìn)入第三個(gè)第四耦合器（19)，依此類推，直到所有的傳感探頭（17) 均有脈沖激光進(jìn)入； 進(jìn)入到每一個(gè)傳感探頭（17)的脈沖激光經(jīng)過第五耦合器(20)后分成兩路，一路脈沖激 光經(jīng)過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(21)反射后回到第五耦合器(20)中，另一路脈沖激光經(jīng)過第四光 纖延時(shí)環(huán)（23)后，再通過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(22)進(jìn)行反射，之后經(jīng)過第四光纖延時(shí)環(huán)(23) 進(jìn)入第五耦合器(20)中，第五耦合器(20)將收到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出傳感光信 號(hào)，每個(gè)傳感探頭(17)輸出的傳感光信號(hào)分時(shí)送入第一環(huán)形器(7)中。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:進(jìn)入 到每個(gè)傳感探頭(17)的脈沖激光的光強(qiáng)相同。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:在第 五親合器(20)處親合的兩路反射信號(hào)的光程差、第三光纖延時(shí)環(huán)（18)的長(zhǎng)度以及第一光纖 延時(shí)環(huán)(5)的長(zhǎng)度相同。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:所述 參考探頭(11)的外部設(shè)有隔音、隔振的封裝。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列，其特征在于:所述 傳感探頭(17)的外部設(shè)有增敏的封裝，用于拾取水聲信號(hào)。10. -種基于權(quán)利要求1所述的外差干涉式光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列實(shí)現(xiàn)的解調(diào)方法， 其特征在于步驟如下： (1) 窄線寬激光器(1)出射的頻率為f〇的連續(xù)激光通過第一耦合器(2)分為兩路，兩束激 光分別進(jìn)入第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)，被調(diào)制成頻率為fo+fjP頻率為f〇+ f 2的脈沖激光； (2) 第一聲光調(diào)制器(3)輸出的頻率為^+心脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時(shí)環(huán)(5)進(jìn)行延時(shí) 后輸入到第二耦合器(6)，第二聲光調(diào)制器(4)輸出的頻率為f Q+f2脈沖激光直接輸入到第二 親合器(6)，第二親合器(6)將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行親合后再分為兩束； (3) 第二耦合器(6)輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器(7)進(jìn)入水聽器傳感陣列（12) 的各個(gè)傳感探頭（17)中，由各個(gè)傳感探頭（17)反射回的傳感光信號(hào)分時(shí)到達(dá)第一環(huán)形器 (7)，經(jīng)第一環(huán)形器(7)之后送入第一光電探測(cè)器(9)，第一光電探測(cè)器(9)將輸出的電信號(hào) 送入信號(hào)解調(diào)模塊(22); 第一光電探測(cè)器(9)輸出的電信號(hào)為：⑴+qv]， 其中，Ysn為第n個(gè)傳感探頭（17)所對(duì)應(yīng)的第一光電探測(cè)器(9)輸出的電信號(hào)，A 為外差拍頻信號(hào)的頻率差，Cn為第n個(gè)傳感探頭的直流分量，Dn為第n個(gè)傳感探頭的交流項(xiàng)幅 值，t為時(shí)間，。表示第n個(gè)水聽器的初相位;f sn(t)表示第n個(gè)水聽器探頭檢測(cè)到的外界水聲 信號(hào)； (4) 第二耦合器(6)輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進(jìn)入?yún)⒖继筋^（11)，參 考探頭（11)產(chǎn)生的參考光信號(hào)經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進(jìn)入第二光電探測(cè)器（10)，第二光電探 測(cè)器(10)將輸出的電信號(hào)送入信號(hào)解調(diào)模塊(22); 第二光電探測(cè)器(10)輸出的電信號(hào)為:YfA+BcosPM/mpr] 其中，A為參考信號(hào)的直流分量，B為參考信號(hào)的交流項(xiàng)幅值，表示參考探頭（11)干涉 信號(hào)的初相位； (5) 信號(hào)解調(diào)模塊(22)根據(jù)接收到的兩路電信號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)： (5.1)對(duì)步驟(4)中的第二光電探測(cè)器(10)輸出的電信號(hào)Yr進(jìn)行A/D變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號(hào)，經(jīng)帶通濾波器濾除直流分量，得到參考信號(hào)： yr=Bcos[27rA//+(pr]； 對(duì)上式進(jìn)行移相90°，得到其正交參考信號(hào)： ysr=Bsin[27F4#+^Pr];： (5.2) 對(duì)第一光電探測(cè)器(9)輸出的電信號(hào)Ysn進(jìn)行A/D變換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)帶通濾 波器濾除直流分量，得到傳感信號(hào)： vsll=Dncos [27rA//+cp,n(l )+(,〇""]； (5.3) 將ysn與(5.1)中的兩式分別相乘，并進(jìn)行低通濾波得到： y^y-fl^DnCOsI^,⑴十 >\nr^yr =-B^D"sin[tp,11(l)-H(pm!-(pr]： (5.4) 將(5.3)中兩式相除，得到正切信號(hào)： ytaf 4an [(pvn ⑴+(|)m,-(pJ (5.5) 將(5.4)中y tang反正切，得到相位信號(hào)： q>sn(t) = -arctan(ytan)-q)nD+q)r (5.6) 對(duì)相位信號(hào)qv(t)進(jìn)行高通濾波，濾除水聽器傳感陣列（12)第n個(gè)傳感探頭（17)的 初相位％。和參考探頭(11)信號(hào)的初相位％，得到第 n個(gè)探頭拾取水聲信號(hào)(psn(t)。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK106052843SQ201610649947
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月9日 公開號(hào)201610649947.4, CN 106052843 A, CN 106052843A, CN 201610649947, CN-A-106052843, CN106052843 A, CN106052843A, CN201610649947, CN201610649947.4
【發(fā)明人】張磊, 郝良彬, 張海巖, 李振, 鄭百超, 王海亮, 侯振興, 于文鵬
【申請(qǐng)人】北京航天控制儀器研究所