專利名稱：相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光遙感，特別是一種相干激光遙感探測(cè)水下聲信 號(hào)的裝置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸地探測(cè)水下聲信號(hào)，可以用作水下儀器 對(duì)水上平臺(tái)的無線、無中繼設(shè)備的遠(yuǎn)距離通信的接收端。
背景技術(shù)：
由于水氣的特性阻抗不同，大部分水下聲波在界面處被反射，穿透 到水面上的聲波損耗非常大，為了探測(cè)水下聲信號(hào)，必須將接收換能器 浸入水中，再將探測(cè)到的聲信號(hào)以電纜或無線電方式傳送給水上平臺(tái)， 這種存在濕端中繼的探測(cè)方式限制了水上平臺(tái)探測(cè)水下聲信號(hào)的機(jī)動(dòng) 性。為了克服這一難題，當(dāng)前采用一種激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的方^ 非相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)方法"'21。請(qǐng)參見文獻(xiàn)l.桑國明，田作 喜，何錦林，崔桂華，激光竊聽技術(shù)在水聲信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用研究，艦 船電子工程，1999年第6期和2.伊厚會(huì)，孫金祚，利用激光探測(cè)水下聲 場(chǎng)的理論研究，煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.16No.4Oct.2003。該方法的原理如圖1所示，激光器Ol將激光以固定角度入射水表面03，水下發(fā)聲器04發(fā)出的聲信號(hào)導(dǎo)致的水表面波動(dòng)會(huì)對(duì)激光反射光進(jìn)行方位調(diào)制。對(duì)于固定位置的激光接收探測(cè)器02而言，反射光的方位變化就會(huì)形成探測(cè)器面上激光的強(qiáng)度調(diào)制，從而將聲波的調(diào)制信息傳遞到激光接收探測(cè)器02上，這樣，利用激光的強(qiáng)度調(diào)制信息可以探測(cè)水下聲信號(hào)。該方法是測(cè)量激光受水表面的幅度調(diào)制，光源采用普通激光器即可，實(shí)現(xiàn)難度較低。但是，該方法存在以下缺點(diǎn)(1) 探測(cè)靈敏度與激光入射角的余弦值COS(酌成正比，當(dāng)激光入射角很小時(shí)，探測(cè)靈敏度大大降低。而對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)水下聲信號(hào)，難以 實(shí)現(xiàn)大角度測(cè)量，因此，該方法無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的探測(cè)。(2) 發(fā)射和接收機(jī)的角度必須嚴(yán)格匹配，光路調(diào)節(jié)難度大。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是要彌補(bǔ)上述現(xiàn)有的非相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)方法的不足，提供一種相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)水下聲信號(hào)，而且該裝置應(yīng)具有探測(cè)靈敏度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點(diǎn)。 本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下--種相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，包括激光器、光分束器、 光移頻器、光環(huán)形器、望遠(yuǎn)鏡、光合束器、光電探測(cè)器、電外差解調(diào)器、 外差信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器，其位置關(guān)系是激光器發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器 分為探測(cè)光和參考光，探測(cè)光進(jìn)入光移頻器；電外差解調(diào)器輸出外差電 信號(hào)，經(jīng)過外差信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)光移頻器，使通過光移頻器 的探測(cè)光產(chǎn)生和外差信號(hào)相同頻率的頻移；移頻后的探測(cè)光進(jìn)入光環(huán)形 器的第--端口，從第二端口輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到待測(cè)水面；水面 的反射光再由該望遠(yuǎn)鏡接收，從光環(huán)形器的第二端口進(jìn)入光環(huán)形器，從 第三端口輸出，反射光與參考光在光合束器中合束，由光電探測(cè)器探測(cè) 相干光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過電外差解調(diào)器解調(diào)出水下7^信 號(hào)的波形。所述的激光器為單頻光纖激光器。所述的光移頻器為聲光移頻器。所述的光分束器和光合束器均為光纖結(jié)構(gòu)。所述的光電探測(cè)器為PIN光電二極管。所述的各光學(xué)器件均采用光纖接口，之間的光路均由單模光纖構(gòu)成， 望遠(yuǎn)鏡的孔徑和焦距比值大于單模光纖數(shù)值孔徑的2倍。激光器發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器分為探測(cè)光和參考光，因?yàn)樘綔y(cè)光 發(fā)射和接收都要經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡的耦合損失和目標(biāo)的反射損失，會(huì)有較人的 衰減，因此，分出的探測(cè)光應(yīng)大于參考光。探測(cè)光進(jìn)入光移頻器，電外差解調(diào)器輸出外差電信號(hào)，經(jīng)過外差信 號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)光移頻器，使得通過光移頻器的探測(cè)光產(chǎn)生和 外差信號(hào)相同頻率的頻移，外差信號(hào)的頻率大小應(yīng)參考所測(cè)量水下聲信 號(hào)引起的水面振動(dòng)速度，確保振動(dòng)速度引起的光頻移小于外差信號(hào)的頻 率。移頻后的探測(cè)光進(jìn)入光環(huán)形器的第一端口，從第二端口輸出，再經(jīng) 過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到水面；水下儀器發(fā)出的聲波使水表面形成受迫振動(dòng)，振 動(dòng)頻率和幅度分別和水下聲波的頻率和強(qiáng)度--致，水面振動(dòng)導(dǎo)致探測(cè)光 在水面的反射光產(chǎn)生多普勒頻移，頻移量A/c和水面振動(dòng)速度K有如下 關(guān)系式中S是運(yùn)動(dòng)方向和觀察方向的夾角，A是激光波長。探測(cè)光的水面反射光由同一個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收，進(jìn)入光環(huán)形器的第二端 口，從第三端口輸出，望遠(yuǎn)鏡的孔徑和焦距比值最好大于單模光纖數(shù)值 孔徑的2倍，以確保單模光纖發(fā)射的光都能通過望遠(yuǎn)鏡。反射光與參考光在光合束器合束，由光電探測(cè)器探測(cè)相干光信號(hào)， 并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該電信號(hào)是以外差信號(hào)頻率為基頻的調(diào)頻信號(hào)， 調(diào)制頻率的大小是水面振動(dòng)引起的多普勒頻移量，經(jīng)過電外差解調(diào)器解 調(diào)出調(diào)制頻率，即可獲得水下聲信號(hào)的波形。本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下1、 本實(shí)用新型裝置的激光發(fā)射和接收為零夾角，即使遠(yuǎn)距離測(cè)量， 也不會(huì)出現(xiàn)因夾角變小導(dǎo)致的探測(cè)靈敏度下降。2、 本實(shí)用新型裝置收發(fā)共用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，測(cè)量光路調(diào)節(jié)簡單。3、 本實(shí)用新型裝置采用全光纖結(jié)構(gòu)，內(nèi)部光路靈活，結(jié)構(gòu)可靠。

圖1為現(xiàn)有非相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)方法工作原理示意圖， 其中01為激光器，02為激光接收探測(cè)器，03為水表面，04為水下發(fā)聲器。圖2是本實(shí)用新型相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置實(shí)施例的 結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)為光纖激光器，2為光分束器，3為聲光移頻器，4 為光纖環(huán)形器，5為望遠(yuǎn)鏡，6為光合束器，7為光電探測(cè)器，8為電 外差解調(diào)器，9為外差信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器，IO為光纖環(huán)形器第一端口， 11 為光纖環(huán)形器第二端口， 12為光纖環(huán)形器第三端口， 13為水表面，14 為水下發(fā)聲器。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限 制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的 裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)用新型相干激光遙感探測(cè)水 下聲信號(hào)的裝置的構(gòu)成包括激光器l、光分束器2、光移頻器3、光環(huán) 形器4、望遠(yuǎn)鏡5、光合束器6、光電探測(cè)器7、電外差解調(diào)器8、外差 信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器9。其位置關(guān)系是激光器1發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器2分為探測(cè)光和參考光，探測(cè)光進(jìn)入光移頻器3;電外差解調(diào)器8輸出 外差電信號(hào)，經(jīng)過外差信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器9放大后驅(qū)動(dòng)光移頻器3，使得 通過光移頻器3的探測(cè)光產(chǎn)生和外差信號(hào)相同頻率的頻移；移頻后的探 測(cè)光進(jìn)入光環(huán)形器4的第一端口 10,從第二端口ll輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn) 鏡5發(fā)射到水面13;水下發(fā)聲器14發(fā)出的聲波，導(dǎo)致水面產(chǎn)生和水下 聲波一致的振動(dòng)，水面的振動(dòng)速度對(duì)水面的反射光形成頻率調(diào)制調(diào)頻 的反射光再由該望遠(yuǎn)鏡5接收，進(jìn)入光環(huán)形器4的第二端口 11，從第 三端口12輸出，反射光與參考光在光合束器6合束，由光電探測(cè)器7 探測(cè)相干光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過電外差解調(diào)器8解調(diào)出水 下聲信號(hào)的波形。本實(shí)施例所述的激光器1為單頻光纖激光器，激光波長為1550nm， 線寬〈8kHz，功率100mW連續(xù)輸出。所述的光移頻器3為聲光移頻器，光波長為1550nm，頻移量為 55MHz。所述的光分束器2和光合束器6均為光纖結(jié)構(gòu)，光分束器分光比 99: 1 =探測(cè)光參考光，光合束器合束比99: 1=探測(cè)光參考光。所述的光環(huán)形器4和望遠(yuǎn)鏡5的組合，實(shí)現(xiàn)了單望遠(yuǎn)鏡5同時(shí)收發(fā) 光信號(hào)，發(fā)射和接收光軸零夾角，光環(huán)形器4的第二端口 ll的輸出光 纖端面位于望遠(yuǎn)鏡5的焦平面處，望遠(yuǎn)鏡5的焦距l(xiāng)OOmm， 口徑30mm。所述的光電探測(cè)器7為PIN光電二極管，為具有前置放大功能的 InGaAs G9806系列。所述的各光學(xué)器件均采用光纖接口，之間的光路均由1550nm的單模光纖構(gòu)成，光纖接口均為FC/APC。經(jīng)試用表明，本實(shí)用新型相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，消 除了現(xiàn)有非相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)方法存在的作用距離近和光 路調(diào)節(jié)難度大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離探測(cè)水下聲信號(hào)，并且具有靈敏度 高、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1. 一種相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，其特征在于該裝置包括激光器(1)、光分束器(2)、光移頻器(3)、光環(huán)形器(4)、望遠(yuǎn)鏡(5)、光合束器(6)、光電探測(cè)器(7)、電外差解調(diào)器(8)、外差信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器(9)，其位置關(guān)系是激光器(1)發(fā)射的激光經(jīng)過光分束器(2)分為探測(cè)光和參考光，探測(cè)光進(jìn)入光移頻器(3)；電外差解調(diào)器(8)輸出外差電信號(hào)，經(jīng)過外差信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器(9)放大后驅(qū)動(dòng)光移頻器(3)，使通過光移頻器(3)的探測(cè)光產(chǎn)生和外差信號(hào)相同頻率的頻移；移頻后的探測(cè)光進(jìn)入光環(huán)形器(4)的第一端口(10)，從第二端口(11)輸出，再經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡(5)發(fā)射到水面，水面的反射光再由該望遠(yuǎn)鏡(5)接收，進(jìn)入光環(huán)形器(4)的第二端口(11)，從其第三端口(12)輸出，反射光與參考光在光合束器(6)中合束，由光電探測(cè)器(7)探測(cè)相干光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過電外差解調(diào)器(8)解調(diào)出水下聲信號(hào)的波形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，其特征在于所述 的激光器(1)為單頻光纖激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，其特征在于所述 的光移頻器(3)為聲光移頻器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，其特征在于所述 的光分束器(2)和光合束器(6)均為光纖結(jié)構(gòu)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，其特征在于所述 的光電探測(cè)器(7)為PIN光電二極管。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，其特 征在于所述的各光學(xué)器件均采用光纖接口，之間的光路均由單模光纖構(gòu) 成，所述的望遠(yuǎn)鏡(5)的孔徑和焦距的比值大于所述的單模光纖數(shù)值孔 徑的2倍。
專利摘要一種相干激光遙感探測(cè)水下聲信號(hào)的裝置，該方法是將單頻激光分為探測(cè)光和參考光，探測(cè)光經(jīng)過光外差后發(fā)射到水面；水下儀器發(fā)出的聲波使水表面形成受迫振動(dòng)，振動(dòng)頻率和幅度分別和水下聲波的頻率和強(qiáng)度一致；探測(cè)光在水面的反射光的頻率受水表面的受迫振動(dòng)振動(dòng)速度調(diào)制，反射光和參考光相干，由光電探測(cè)器探測(cè)，經(jīng)電外差解調(diào)器解調(diào)出水表面的振動(dòng)速度，進(jìn)而獲得水下聲波的波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下聲信號(hào)的探測(cè)。本實(shí)用新型具有靈敏度高、距離測(cè)量遠(yuǎn)、光路靈活、結(jié)構(gòu)可靠、調(diào)節(jié)容易的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S17/00GK201083836SQ20072007168
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者尚建華, 巖 賀, 陳衛(wèi)標(biāo) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所