專利名稱：一種采用反射式準(zhǔn)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(zhǔn)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(yuǎn)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(shí)空結(jié)構(gòu)，是進(jìn)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(yuǎn)距離軍事目標(biāo)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(jìn)的水聲探測技術(shù)對于國民經(jīng)濟(jì)，國防建設(shè)和科學(xué)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(chǔ)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(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或其它參量來進(jìn)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(yīng)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(yīng)用受到了各國軍方的高度重視。自從1977年美國海軍實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室研究走向工程應(yīng)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(qiáng)度型、干涉型、光柵型等。其中強(qiáng)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(jī)變化導(dǎo)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(diǎn)已經(jīng)從強(qiáng)度型轉(zhuǎn)為干涉型。干涉型光纖水聽器是基于光學(xué)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(jìn)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(shí)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(fù)雜，不適于復(fù)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(yīng)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(qiáng)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(jī)波動，很難保持一致，這將導(dǎo)致干涉信號的對比度降低，嚴(yán)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(jī)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(yīng)用的光纖水聽器陣列將向著多節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)，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(diǎn)集中到如何充分利用光纖傳輸損耗低，傳輸帶寬大的特點(diǎn)，并結(jié)合集成光電子器件的最新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)對光源，光纖以及光電探測器的多路復(fù)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(hù)上的復(fù)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(fù)用系統(tǒng)的探測性能，獲取更多有關(guān)水下目標(biāo)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(zhǔn)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(bǔ)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(bǔ)償光纖以90°熔接，補(bǔ)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明提出一種采用反射式準(zhǔn)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(jī)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(zhǔn)互易光路的光纖水聽器，采用準(zhǔn)互易光路方案，因此對環(huán)境干擾的免疫能力很強(qiáng)。(3)本發(fā)明提出一種采用反射式準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(bǔ)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(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提出一種采用反射式準(zhǔn)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(bǔ)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(bǔ)償光纖8以90°熔接，補(bǔ)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(diǎn)形成正交的兩束光，在相位調(diào)制器進(jìn)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(jìn)入聲探頭，由于聲探頭采用保偏光纖，因此聲探頭感應(yīng)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(jìn)入互易補(bǔ)償光纖，補(bǔ)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(xué)調(diào)制器(Y波導(dǎo))的光路也可以達(dá)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(dǎo)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(jī)理相同，最后在Y波導(dǎo)處形成干涉。光電探測 器獲取干涉光信號Id⑴的表達(dá)式為ID{i ) = ·^-{[ + cos[(p/i:. ( -τ)- φη, (() + φ,]\其中Itl為到達(dá)探測器的光強(qiáng)，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(shí)間，t表示時(shí)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(dú)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(zhǔn)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(bǔ)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(bǔ)償光纖以90°熔接，補(bǔ)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(shí)信號處理電路將輸出信號施加到相位調(diào)制器上從而實(shí)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(zhǔn)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(shí)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(shí)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(shí)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dú)反射鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用反射式準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)式為4(0 = γ 1 + cos[4 (t-τ)-φιη (O + φ&]} 其中Itl為到達(dá)探測器的光強(qiáng)，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(shí)間，t表示時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種采用反射式準(zhǔn)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(bǔ)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(zhǔn)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(jī)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(zhǔn)互易光路方案，因此對環(huán)境干擾的免疫能力很強(qiáng)。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(xué)