本發(fā)明涉及光纖測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、測(cè)量準(zhǔn)確的基于PGC原理的光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光學(xué)相干檢測(cè)，將水聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)信息。它具有靈敏度高，頻響特性好等特點(diǎn)。由于采用光纖做信息載體，適宜遠(yuǎn)距離大范圍監(jiān)測(cè)。光纖水聽(tīng)器主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的探測(cè)，是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)、水下兵器試驗(yàn)的先進(jìn)探測(cè)手段。

目前光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)多采用不同復(fù)用方式組合的方案實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，大規(guī)模陣列傳感，常用的復(fù)用方式包括波分復(fù)用、空分復(fù)用等，采用不同復(fù)用方式可以大大增加水聽(tīng)器系統(tǒng)的傳感通道數(shù)目，但由于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用、空分復(fù)用所使用的波分復(fù)用器WDM，耦合器等器件生產(chǎn)的差異性，不同復(fù)用通道間光功率有較大差異，影響信號(hào)解調(diào)的信噪比及動(dòng)態(tài)范圍。

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，大規(guī)模陣列傳感，還需要功率放大器對(duì)輸入傳感陣列的探測(cè)光信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)需要前置放大器對(duì)傳感陣列返回的攜帶有聲音信息的干涉光信號(hào)進(jìn)行二次放大。但由于目前通用的EDFA放大器要求信號(hào)的飽和輸入功率閾值偏低(一般低于-10dBm)，不能滿足水聲系統(tǒng)光放大器靠近發(fā)射端，輸入功率較高的要求且噪聲系數(shù)偏大(一般為5)，同時(shí)由于傳感光纖中固有的非線性效應(yīng)，大大限值了EDFA作為前置放大器的使用范圍。由于使用了波分復(fù)用、空分復(fù)用等方式，傳感陣列中包含的時(shí)分傳感陣列數(shù)目逐漸增加，由于時(shí)分傳感陣列通道間的隔離度不夠，造成不同陣列間的信號(hào)串?dāng)_增加，嚴(yán)重限制了水聽(tīng)器在探測(cè)應(yīng)用中的解調(diào)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出了一種結(jié)構(gòu)合理、工作可靠、測(cè)量準(zhǔn)確的基于PGC原理的光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)。

本發(fā)明可以通過(guò)以下措施達(dá)到：

一種基于PGC原理的光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有光源調(diào)制單元、多波長(zhǎng)單頻激光發(fā)射單元、第一功率均衡單元、波分復(fù)用器、脈沖調(diào)制器、第一放大器、傳感陣列、第二放大器、解波分復(fù)用器、第二功率均衡單元、光電轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)解調(diào)及顯示單元，其中光源調(diào)制單元對(duì)多波長(zhǎng)單頻激光發(fā)射單元輸出的多波長(zhǎng)單頻連續(xù)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)入第一功率均衡單元，第一功率均衡單元輸出的信號(hào)進(jìn)入波分復(fù)用器的輸入端口，波分復(fù)用器的輸出端口與脈沖調(diào)制器的輸入端相連，脈沖調(diào)制器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)第一放大器的放大處理后送入傳感陣列，傳感陣列的輸出信號(hào)經(jīng)第二放大器處理后送入解波分復(fù)用器的輸入端，解波分復(fù)用器的輸出端與第二功率均衡單元的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)輸入端口相連接，第二功率均衡單元的輸出端與光電轉(zhuǎn)換單元相連接，光電轉(zhuǎn)換單元與信號(hào)解調(diào)與顯示單元相連接。

本發(fā)明所述傳感陣列包含多組分波器、時(shí)分傳感陣列與合波器，每組時(shí)分傳感陣列與一個(gè)波長(zhǎng)的單頻光源相對(duì)應(yīng)，分波器的COM端口為輸入端口，透射端口連接每一組時(shí)分傳感陣列的輸入端，反射端口連接下一個(gè)分波器的COM端口，時(shí)分傳感陣列的輸出端口連接對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)合波器的透射端口，合波器的COM端口連接前一個(gè)合波器的反射端口。

本發(fā)明所述光源調(diào)制單元能夠同時(shí)輸出最多16路的正弦調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制電壓信號(hào)的調(diào)節(jié)范圍為-4V～+4V,頻率調(diào)制范圍為0～100KHz。

本發(fā)明所述的多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元輸出按照ITU-T G.692標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以C34通道為中心，線寬小于10KHz的多波長(zhǎng)光信號(hào)，輸出波長(zhǎng)通道數(shù)小于16。

本發(fā)明中第一功率均衡單元與第二功率均衡單元為同一類功能單元，包含與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元相同的通道數(shù)，每個(gè)通道連接一支光學(xué)可調(diào)衰減器，該光學(xué)可調(diào)衰減器可以是機(jī)械式光學(xué)手動(dòng)可調(diào)衰減器，也可以是微機(jī)電式(MEMS)光學(xué)可調(diào)衰減器，對(duì)任一種可調(diào)衰減器，其衰減范圍應(yīng)滿足0.7dB～40dB。

本發(fā)明波分復(fù)用器、解波分復(fù)用器為同類器件，所述的波分復(fù)用器、解波分復(fù)用器工作波長(zhǎng)與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元輸出的波長(zhǎng)數(shù)目相同且一一對(duì)應(yīng)，且中心波長(zhǎng)精度小于正負(fù)0.1nm,插入損耗小于4dB,且各通道間隔離度不低于30dB。

本發(fā)明所述脈沖調(diào)制器的工作波長(zhǎng)為1550±30nm,工作頻率低于120MHz，消光比大于50dB,光脈沖上升時(shí)間小于50ns。

本發(fā)明第一放大器為EDFA放大器，輸入波長(zhǎng)范圍為1529nm～1563nm,輸入光功率小于-5～5dBm,輸出功率0～13dBm可調(diào)，輸入隔離度為大于40dB，噪聲指數(shù)小于4.5dB。

本發(fā)明所述的傳感陣列7包含與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2波長(zhǎng)數(shù)目相同的分波器、合波器及時(shí)分傳感陣列，每一組分波器與合波器為同類器件且透射波長(zhǎng)與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)，中心波長(zhǎng)精度小于±0.2nm,通道隔離度大于30dB，時(shí)分傳感陣列為多個(gè)串聯(lián)形式的光纖干涉儀，可以是邁克爾遜式或馬赫-澤德?tīng)柺降?，在每一組時(shí)分傳感陣列輸入端均設(shè)有一支光纖隔離器。

本發(fā)明中第二放大器為光纖拉曼放大器，其工作波長(zhǎng)范圍為1520～1560nm，輸入光功率范圍為-40～-10dBm,等效噪聲系數(shù)小于-3dB,典型增益小于16dB,輸入端、輸出端隔離度均大于30dB。

本發(fā)明中光電轉(zhuǎn)換單元通道數(shù)目與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元輸出波長(zhǎng)數(shù)目相同，其內(nèi)部集成了相應(yīng)數(shù)目的場(chǎng)效應(yīng)管PIN探測(cè)器及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，探測(cè)器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB帶寬小于50MHz，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采樣率不低于100Msps,精度不低于12bit。

本發(fā)明中信號(hào)解調(diào)與顯示單元包括能執(zhí)行解調(diào)算法的計(jì)算機(jī)及其顯示軟件部分，其特征是既能顯示對(duì)應(yīng)某一特定波長(zhǎng)的時(shí)分傳感陣列的整體信號(hào)，又能顯示時(shí)分傳感陣列中特定傳感陣元的信號(hào)。

本發(fā)明工作時(shí)，光源調(diào)制單元通過(guò)輸出與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元波長(zhǎng)數(shù)目對(duì)應(yīng)的一定幅值及頻率正弦電壓信號(hào)，同時(shí)對(duì)多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元進(jìn)行幅度和頻率調(diào)制，多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元發(fā)出的包含多個(gè)波長(zhǎng)且受到調(diào)制的探測(cè)光通過(guò)波分復(fù)用器耦合進(jìn)同一根光纖并進(jìn)入脈沖調(diào)制器，探測(cè)光被調(diào)制成為具有一定寬度的脈沖光，脈沖光信號(hào)進(jìn)入第一放大器進(jìn)行功率放大，彌補(bǔ)光信號(hào)調(diào)制、傳輸過(guò)程中的功率損耗，第一放大器具有較高的飽和輸入功率，同時(shí)需控制第一放大器的輸出功率，避免傳感陣列中出現(xiàn)非線性效應(yīng)。經(jīng)過(guò)放大的脈沖光信號(hào)進(jìn)入傳感陣列后，不同波長(zhǎng)的探測(cè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的分波器進(jìn)入相應(yīng)的時(shí)分傳感陣列，時(shí)分傳感陣列中的水聽(tīng)器陣元探測(cè)到環(huán)境聲音信號(hào)后經(jīng)過(guò)與分波器對(duì)應(yīng)的合波器返回“干端”進(jìn)行解調(diào)與顯示。攜帶有聲音信號(hào)的探測(cè)光信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到第二光纖放大器的分布式放大，能夠在不降低信號(hào)信噪比的情況下提高光信號(hào)進(jìn)入解波分復(fù)用器的功率。光信號(hào)經(jīng)過(guò)解波分復(fù)用器后將不同波長(zhǎng)的光分離，通過(guò)第二功率均衡單元調(diào)節(jié)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換單元,經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)入信號(hào)解調(diào)與顯示單元，解調(diào)出”濕端“傳感陣列獲取的聲音信號(hào)并顯示信號(hào)的頻譜信息。

本發(fā)明的有益效果在于：1、本方案采用了兩套功率均衡單元，即第一、第二功率均衡單元，不僅能夠調(diào)節(jié)不同波長(zhǎng)的激光輸入信號(hào)保持功率基本相同，同時(shí)也能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)從傳感陣列返回的各個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)功率保持基本一致，最大限度的提高輸入信號(hào)的功率一致性。2、本發(fā)明不僅使用了功率放大與前置放大器組合的方式分別對(duì)探測(cè)光和干涉信號(hào)進(jìn)行放大，有效保證了返回信號(hào)光的功率。同時(shí)，前置放大器采用了拉曼放大器的分布式放大方案，起到同等放大倍數(shù)的同時(shí)，噪聲可降低1.5dB，相對(duì)傳統(tǒng)的EDFA放大方案，有效降低了系統(tǒng)的噪聲水平。3、本發(fā)明在”濕端“傳感陣列中的時(shí)分傳感陣列的入射端設(shè)計(jì)了隔離度大于60dB的光纖隔離器，能夠防止不同時(shí)分傳感陣列的信號(hào)由于系統(tǒng)隔離度不夠造成的通道間串?dāng)_，降低了通道間串?dāng)_對(duì)信號(hào)分析的不利影響。

附圖說(shuō)明：

附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。

附圖2是本發(fā)明中傳感陣列的結(jié)構(gòu)框圖。

附圖標(biāo)記：光源調(diào)制單元1、多波長(zhǎng)單頻激光發(fā)射單元2、第一功率均衡單元3、波分復(fù)用器4、脈沖調(diào)制器5、第一放大器6、傳感陣列7、第二放大器8、解波分復(fù)用器9、第二功率均衡單元10、光電轉(zhuǎn)換單元11、信號(hào)解調(diào)及顯示單元12、分波器13、時(shí)分傳感陣列14、合波器15。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明光源調(diào)制單元1通過(guò)輸出頻率和幅值可變的正弦電壓信號(hào)，對(duì)多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2輸出的多波長(zhǎng)單頻連續(xù)光信號(hào)進(jìn)行載波調(diào)制，受到調(diào)制的多波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)入第一功率均衡單元3，經(jīng)過(guò)功率均衡處理的多波長(zhǎng)信號(hào)連接波分復(fù)用器4的輸入端口，波分復(fù)用器4的輸出端口與脈沖調(diào)制器5的輸入端口相連，脈沖調(diào)制器5的輸出端口經(jīng)過(guò)第一放大器6的放大作用進(jìn)入傳感陣列7，傳感陣列7包含多組分波器13，時(shí)分傳感陣列14與合波器15，每組時(shí)分傳感陣列與一個(gè)波長(zhǎng)的單頻光源相對(duì)應(yīng)，分波器13的COM端口為輸入端口，透射端口連接每一個(gè)時(shí)分傳感陣列的輸入端，反射端口連接下一個(gè)分波器的COM端口。時(shí)分傳感陣列14的輸出端口連接對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)合波器15的透射端口，合波器15的COM端口連接前一個(gè)合波器的反射端口。傳感陣列7的輸出端通過(guò)第二放大器8與解波分復(fù)用器9的輸入端口相連接。解波分復(fù)用器9的輸出端口與第二功率均衡單元10的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)輸入端口連接，經(jīng)過(guò)功率均衡處理后的光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換單元11及信號(hào)解調(diào)與顯示單元12，完成對(duì)聲音信號(hào)的解調(diào)與顯示；所述的光源調(diào)制單元1能夠同時(shí)輸出最多16路的正弦調(diào)制信號(hào)，該調(diào)制電壓信號(hào)的調(diào)節(jié)范圍為-4V～+4V,頻率調(diào)制范圍為0～100KHz；所述的多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2可以輸出按照ITU-T G.692標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以C34通道為中心，線寬小于10KHz的多波長(zhǎng)光信號(hào)，輸出波長(zhǎng)通道數(shù)小于16；所述的第一功率均衡單元3與第二功率均衡單元10為同一類功能單元，包含與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2相同的通道數(shù)，每個(gè)通道連接一支光學(xué)可調(diào)衰減器，該光學(xué)可調(diào)衰減器可以是機(jī)械式光學(xué)手動(dòng)可調(diào)衰減器，也可以是微機(jī)電式(MEMS)光學(xué)可調(diào)衰減器，對(duì)任一種可調(diào)衰減器，其衰減范圍應(yīng)滿足0.7dB～40dB；所述的波分復(fù)用器4、解波分復(fù)用器9為同類器件，所述的波分復(fù)用器4、解波分復(fù)用器9工作波長(zhǎng)與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2輸出的波長(zhǎng)數(shù)目相同且一一對(duì)應(yīng)，且中心波長(zhǎng)精度小于正負(fù)0.1nm,插入損耗小于4dB,且各通道間隔離度不低于30dB；所述的脈沖調(diào)制器5的工作波長(zhǎng)為1550±30nm,工作頻率低于120MHz，消光比大于50dB,光脈沖上升時(shí)間小于50ns；所述的第一放大器6為EDFA放大器，輸入波長(zhǎng)范圍為1529nm～1563nm,輸入光功率小于-5～5dBm,輸出功率0～13dBm可調(diào)，噪聲指數(shù)小于4.5dB；所述的傳感陣列7包含與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2波長(zhǎng)數(shù)目相同的分波器13、合波器15及時(shí)分傳感陣列14。每一組分波器13與合波器15為同類器件且透射波長(zhǎng)與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)，中心波長(zhǎng)精度小于±0.2nm,通道隔離度大于30dB。所述的時(shí)分傳感陣列14為多個(gè)串聯(lián)形式的光纖干涉儀，可以是邁克爾遜式或馬赫-澤德?tīng)柺降?，其特征在于在每一條時(shí)分傳感陣列14輸入端均設(shè)有一支隔離度大于60dB的光纖隔離器；所述的第二放大器8為光纖拉曼放大器，其工作波長(zhǎng)范圍為1520～1560nm，輸入光功率范圍為-40～-10dBm,等效噪聲系數(shù)小于-3dB,典型增益小于16dB，輸入端、輸出端隔離度均大于30dB；所述的光電轉(zhuǎn)換單元通道數(shù)目與多波長(zhǎng)激光發(fā)射單元2輸出波長(zhǎng)數(shù)目相同，其內(nèi)部集成了相應(yīng)數(shù)目的場(chǎng)效應(yīng)管PIN探測(cè)器及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，探測(cè)器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB帶寬小于50MHz，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采樣率不低于100Msps，精度不低于12bit；所述的信號(hào)解調(diào)與顯示單元12包括能執(zhí)行解調(diào)算法的計(jì)算機(jī)及其顯示軟件部分，其特征是既能顯示對(duì)應(yīng)某一特定波長(zhǎng)的時(shí)分傳感陣列14的整體信號(hào)，又能顯示時(shí)分傳感陣列14中特定傳感陣元的信號(hào)。

本發(fā)明的有益效果在于：1、本方案采用了兩套功率均衡單元，即第一、第二功率均衡單元，不僅能夠調(diào)節(jié)不同波長(zhǎng)的激光輸入信號(hào)保持功率基本相同，同時(shí)也能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)從傳感陣列返回的各個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)功率保持基本一致，最大限度的提高輸入信號(hào)的功率一致性。2、本發(fā)明不僅使用了功率放大與前置放大器組合的方式分別對(duì)探測(cè)光和干涉信號(hào)進(jìn)行放大，有效保證了返回信號(hào)光的功率。同時(shí)，前置放大器采用了拉曼放大器的分布式放大方案，起到同等放大倍數(shù)的同時(shí)，噪聲可降低1.5dB，相對(duì)傳統(tǒng)的EDFA放大方案，有效降低了系統(tǒng)的噪聲水平。3、本發(fā)明在”濕端“傳感陣列中的時(shí)分傳感陣列的入射端設(shè)計(jì)了隔離度大于60dB的光纖隔離器，能夠防止不同時(shí)分傳感陣列的信號(hào)由于系統(tǒng)隔離度不夠造成的通道間串?dāng)_，降低了通道間串?dāng)_對(duì)信號(hào)分析的不利影響。