專利名稱：一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)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。
背景技術(shù)：
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(jié)構(gòu)，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(nèi)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(shù)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(shù)基礎上的水下聲信號傳感器。它利用聲波調(diào)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(zhuǎn)換，將水聲信號轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)靈巧、易于遙測和構(gòu)成陣列等優(yōu)越性于一體，是光纖傳感技術(shù)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(lǐng)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(guān)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(shù)的迅速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)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(shù)發(fā)展的重要方向，也是水聲傳感技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，有較大的局限性，是早期光纖水聲傳感技術(shù)研究的主要內(nèi)容。隨著干涉型光纖水聽器研究的興起，其關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟，在部分領(lǐng)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(zhuǎn)為干涉型。干涉型光纖水聽器是基于光學干涉儀的原理構(gòu)造，利用聲場對光纖中光波的傳輸相位進行調(diào)制，經(jīng)過光纖干涉儀，將這種相位調(diào)制檢測并解調(diào)出來而實現(xiàn)聲傳感。能夠?qū)崿F(xiàn)干涉型光纖水聽器的光纖干涉儀結(jié)構(gòu)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(diào)復雜，不適于復用技術(shù)，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(shù)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(zhuǎn)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(lǐng)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(shù)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(jié)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(guān)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(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)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、分路器、起偏器、相位調(diào)制器、延遲光纖、法拉第旋光器、聲探頭、補償光纖、反射鏡和光電探測器。光源的尾纖同分路器的一路輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器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(diào)制器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調(diào)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法拉第旋光器輸入端熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與聲探頭傳感光纖的輸入端光纖熔接，聲探頭傳感光纖的另一端光纖與補償光纖以90°熔接，補償光纖另一端連接反射鏡，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(zhuǎn)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(diào)制器上從而實現(xiàn)相位調(diào)制。所述的光纖水聽器還可以為將相位調(diào)制器替換成集成相位調(diào)制器，分路器的輸出端光纖直接與集成相位調(diào)制器熔接，集成相位調(diào)制器同時還具有起偏功能，因此可以去掉起偏器，集成相位調(diào)制器的兩個輸出端保偏光纖分別與偏振分束/合束器的兩個輸入端保偏光纖熔接，然后偏振分束/合束器的輸出端光纖再同延遲光纖的輸入端光纖熔接，同時信號處理電路的一個輸出端給集成相位調(diào)制器提供電信號從而實現(xiàn)相位調(diào)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，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，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，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，以光纖作為信息的傳感與傳輸介質(zhì)，不會被電磁干擾。


圖I是本發(fā)明提出一種采用相位調(diào)制器構(gòu)成反射式準互易光路的光纖水聽器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提出一種采用集成相位調(diào)制器構(gòu)成反射式準互易光路的光纖水聽器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I、光源2、分路器3、起偏器
4、相位調(diào)制器5、延遲光纖6、法拉第旋光器7、聲探頭8、補償光纖9、反射鏡10、光電探測器11、集成相位調(diào)制器 12、偏振分束/合束器13、信號處理電路
具體實施例方式下面將結(jié)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，如圖I所示，具體包括光源I、分路器2、起偏器3、相位調(diào)制器4、延遲光纖5、法拉第旋光器6、聲探頭7、補償光纖8、反射鏡9和光電探測器10。光信號在分路器的輸入端具有兩路輸入一路是光源I的尾纖同分路器2的一輸入端光纖熔接在一起，另一路是光電探測器10的尾纖與分路器2的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器2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(diào)制器4的輸入端保偏光纖以45°熔接,相位調(diào)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的輸出端光纖同法拉第旋光器6輸入端熔接,法拉第旋光器6輸出端光纖與聲探頭7傳感光纖的輸入端光纖熔接，聲探頭7傳感光纖的另一端光纖與補償光纖8以90°熔接，補償光纖8另一端連接反射鏡9。光電探測器10的輸出端與信號處理電路13相連接，光電探測器10將獲取的包含聲壓信息的干涉光信號轉(zhuǎn)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將該輸出信號施加給相位調(diào)制器4從而實現(xiàn)相位調(diào)制。所述的光纖水聽器陣列還可以為將相位調(diào)制器4替換為集成相位調(diào)制器，如圖2所示，分路器2的輸出端光纖直接與集成相位調(diào)制器11熔接，集成相位調(diào)制器同時還具有起偏功能，因此去掉起偏器，集成相位調(diào)制器11的兩個輸出端保偏光纖分別與偏振分束/合束器12的兩個輸入端保偏光纖熔接，然后偏振分束/合束器12的輸出端光纖再同延遲光纖5的輸入端光纖熔接。同時信號處理電路將檢測到的聲壓值作為輸出電信號施加給集成相位調(diào)制器11從而實現(xiàn)相位調(diào)制。光路的基本原理為首先由寬譜光源發(fā)出的光通過耦合器后，由起偏器起偏成線偏光，然后通過45°熔點形成正交的兩束光，在相位調(diào)制器進行分別調(diào)制，通過延遲光纖后在法拉第旋光器旋轉(zhuǎn)45°，進入聲探頭，由于聲探頭采用保偏光纖，因此聲探頭感應待測聲壓，保偏光纖受到調(diào)制，傳輸光的正交偏振兩個模式之間產(chǎn)生相位變化，然后以90°進入互易補償光纖，補償由于聲探頭保偏光纖雙折射產(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，然后通過延遲光纖，最后在起偏器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(PIN)后，由信號處理電路檢測。同樣采用Y型集成光學調(diào)制器(Y波導)的光路也可以達到相同的目的，其光路基本原理相同，只是寬譜光源在Y波導處起偏分光并調(diào)制，在偏振分束/合束器(PBS)處形成正交模式的光，其后的傳感機理相同，最后在Y波導處形成干涉。光電探測 器獲取干涉光信號Id⑴的表達式為ID{i ) = ·^-{[ + cos[(p/i:. ( -τ)- φη, (() + φ,]\其中Itl為到達探測器的光強，Φπω為相位調(diào)制器的調(diào)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。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。所述的分路器可以是保偏光纖環(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(diào)制器4、法拉第旋光器6的連接可以是跳線連接、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(diào)制器4和集成相位調(diào)制器11的調(diào)制方式可以采用方波調(diào)制、正弦波調(diào)制。
權(quán)利要求
1.一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器，其特征在于包括光源、分路器、起偏器、相位調(diào)制器、延遲光纖、法拉第旋光器、聲探頭、補償光纖、反射鏡和光電探測器。
光源的尾纖同分路器的一路輸入端光纖熔接在一起，光電探測器的尾纖與分路器的另一輸入端光纖熔接在一起；分路器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(diào)制器的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調(diào)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法拉第旋光器輸入端熔接，法拉第旋光器輸出端光纖與聲探頭傳感光纖的輸入端光纖熔接，聲探頭傳感光纖的另一端光纖與補償光纖以90°熔接，補償光纖另一端連接反射鏡，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(zhuǎn)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(diào)制器上從而實現(xiàn)相位調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的光纖水聽器中將相位調(diào)制器替換成集成相位調(diào)制器，分路器的輸出端光纖直接與集成相位調(diào)制器熔接，集成相位調(diào)制器同時還具有起偏功能，因此去掉起偏器，集成相位調(diào)制器的兩個輸出端保偏光纖分別與偏振分束/合束器的兩個輸入端保偏光纖熔接，然后偏振分束/合束器的輸出端光纖再同延遲光纖的輸入端光纖熔接，同時信號處理電路的一個輸出端給集成相位調(diào)制器提供電信號從而實現(xiàn)相位調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的光源為SLD光源、摻鉺光纖光源或LED光源。
4.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的聲探頭的傳感光纖采用保偏光纖。
5.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的分路器為保偏光纖環(huán)形器、保偏耦合器、單模光纖環(huán)形器或單模耦合器。
6.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的延遲光纖與相位調(diào)制器、法拉第旋光器的連接方式為跳線連接或熔接方式。
7.根據(jù)權(quán)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，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。
8.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的法拉第旋光器的旋光角度為45°。
9.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的相位調(diào)制器的調(diào)制方式采用方波調(diào)制或正弦波調(diào)制。
10.根據(jù)權(quán)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，其特征在于所述的光電探測器獲取干涉光信號Id (t)的表達式為4(0 = γ 1 + cos[4 (t-τ)-φιη (O + φ&]} 其中Itl為到達探測器的光強，Φπω為相位調(diào)制器的調(diào)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。
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，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該光纖水聽器，包括光源、分路器、起偏器、相位調(diào)制器、延遲光纖、法拉第旋光器、聲探頭、補償光纖、反射鏡和光電探測器。本發(fā)明提出一種采用反射式準互易光路的光纖水聽器，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，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)明還采用反射式光路，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，且以光纖作為信息的傳感與傳輸介質(zhì)，不會被電磁干擾。
文檔編號G01H9/00GK102721458SQ20121017206
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權(quán)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