本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)，尤其是一種基于微納光纖全光載波調(diào)制器探頭內(nèi)置的光纖水聽器。

背景技術(shù)：

光纖水聽器具有高靈敏度、抗電磁干擾、益于大規(guī)模集成復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于石油勘探、海洋漁業(yè)、反潛等應(yīng)用及水聲物理研究，并已成為現(xiàn)代光纖傳感技術(shù)和水聲探測技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。光纖水聽器的基本工作原理是，通過結(jié)合特定機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳感探頭，使聲波信號有效調(diào)制傳感光纖內(nèi)傳輸光波的相位參量和波長參量，然后再采用相應(yīng)的信號處理技術(shù)解調(diào)出相位信息或波長信息，進(jìn)而獲取待測水聲信號。當(dāng)前典型的光纖水聽器主要為干涉型和光纖光柵型，其中干涉型光纖水聽器動態(tài)范圍大，便于大規(guī)模集成復(fù)用，應(yīng)用更為廣泛。

為滿足水下應(yīng)用、抗電磁干擾、便于大規(guī)模集成等特殊應(yīng)用要求，光纖水聽器傳感探頭必須滿足全光無電特性要求，這就需要對其傳感探頭結(jié)構(gòu)及解調(diào)方案進(jìn)行整體設(shè)計。目前，對于干涉型光纖水聽器系統(tǒng)，典型傳感探頭有壓差式、盤片式、推挽式等結(jié)構(gòu)，其中，基于推挽式結(jié)構(gòu)的傳感探頭具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、機(jī)械性能穩(wěn)定等優(yōu)勢；解調(diào)方案主要有相位生成載波調(diào)制解調(diào)(pgc)、外差解調(diào)、遠(yuǎn)程匹配3x3光纖耦合器干涉儀解調(diào)等，其中，pgc解調(diào)方案具有解調(diào)動態(tài)范圍大、有效抑制低頻本地噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

基于pgc解調(diào)技術(shù)的相位載波生成方法主要有光源內(nèi)調(diào)制相位載波生成方法和干涉儀外加調(diào)制相位載波生成方法。其中，采用光源內(nèi)調(diào)制的相位載波生成方法，信號光源需要加載一定頻率的快速調(diào)諧，光纖水聽器內(nèi)的干涉儀必須有一定臂差，這使得該類水聽器系統(tǒng)存在光源相位噪聲大和非平衡干涉儀結(jié)構(gòu)引入額外相位噪聲等問題。而干涉儀外加調(diào)制相位載波生成方法可以采用準(zhǔn)平衡干涉儀，有利于降低系統(tǒng)本底相位噪聲，但所用調(diào)制器需滿足全光調(diào)制要求，以保證傳感探頭的無電特性要求。

相比常規(guī)光纖，微納光纖具有較高的非本征吸收能力，且具有較大的表面積體積比，因此，具備更高效的光熱相位調(diào)制響應(yīng)能力和熱傳導(dǎo)效率，已被開發(fā)成基于光吸收致熱效應(yīng)的內(nèi)光注入式全光相位調(diào)制器，并應(yīng)用于pgc解調(diào)系統(tǒng)的相位載波生成調(diào)制器(詳見發(fā)明專利：基于微納光纖全光相位調(diào)制器的光纖水聽器系統(tǒng)，公開日：2016.11.16)。

如通過合理設(shè)計能將微納光纖全光相位調(diào)制器嵌入光纖水聽器傳感探頭內(nèi)，并結(jié)合推挽式雙軸纏繞式傳感器結(jié)構(gòu)，將可獲得結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高、機(jī)械性能穩(wěn)定、便于大規(guī)模集成復(fù)用、自帶干涉儀外加相位調(diào)制用全光載波調(diào)制器的新型光纖水聽器，并且傳感器內(nèi)傳感干涉儀可采用準(zhǔn)平衡干涉儀，可兼顧降低光纖水聽器系統(tǒng)噪聲和確保傳感器全光無電等優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：設(shè)計一種基于微納光纖全光載波調(diào)制器探頭內(nèi)置的光纖水聽器，采用推挽式雙軸纏繞式探頭結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了干涉儀外加相位調(diào)制用的載波全光調(diào)制器探頭內(nèi)置，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，使得光纖水聽器系統(tǒng)在相位噪聲特性、穩(wěn)定性、傳感靈敏度、大規(guī)模集成性能等方面得到一定改善。所述光纖水聽器將微納光纖全光相位調(diào)制器接于傳感干涉儀一臂上，并將其封裝鑲嵌于傳感探頭內(nèi)，實現(xiàn)了水聽器傳感探頭自帶干涉儀外加調(diào)制載波用全光調(diào)制器；傳感器探頭內(nèi)傳感干涉儀為準(zhǔn)平衡干涉儀，并且干涉儀兩臂傳感光纖雙層對稱纏繞在傳感探頭內(nèi)外傳感筒支架上，進(jìn)而形成推挽式靈敏度增強(qiáng)型聲壓傳感探頭結(jié)構(gòu)。該方案確保了水聽器傳感探頭無電子元件、緊湊、高靈敏度、抑制加速度靈敏、方便大規(guī)模集成等性能優(yōu)勢，并可以有效改善光纖水聽器的整體噪聲特性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于微納光纖全光載波調(diào)制器探頭內(nèi)置的光纖水聽器，所述光纖水聽器由光纖耦合器、一號法拉第旋鏡(frm1)、二號法拉第旋鏡(frm2)、微納光纖全光相位調(diào)制器、調(diào)制器保護(hù)套管、一號調(diào)制器保護(hù)套管帽、二號調(diào)制器保護(hù)套管帽、探頭傳感內(nèi)筒支架、探頭傳感外筒支架、探頭保護(hù)套管、一號探頭保護(hù)套管帽、二號探頭保護(hù)套管帽、傳感光纖及傳輸光纖組成；所述探頭傳感內(nèi)筒支架、探頭傳感外筒支架、探頭保護(hù)套管組成同軸結(jié)構(gòu)，由內(nèi)而外依次為探頭傳感內(nèi)筒支架、探頭傳感外筒支架、探頭保護(hù)套管；所述光纖耦合器四個端口分別對應(yīng)連接傳感臂ⅰ、傳感臂ii、傳輸臂iii及傳輸臂ⅳ前端，所述傳輸臂iii及傳輸臂ⅳ均由傳輸光纖構(gòu)成，而傳感臂ⅰ和傳感臂ii既包含傳感光纖又包含傳輸光纖，其中傳感光纖特指纏繞在探頭傳感內(nèi)筒支架和探頭傳感外筒支架上用于感受聲壓引起應(yīng)變的光纖；一號法拉第旋鏡與傳感臂ⅰ后端相連，二號法拉第旋鏡與傳感臂ⅱ后端相連，微納光纖全光相位調(diào)制器位于傳感臂ii前端，即其一側(cè)與光纖耦合器端口相連，另一側(cè)與傳感臂ii上的傳感光纖相連；一號法拉第旋鏡、傳感臂ⅰ、二號法拉第旋鏡、接有微納光纖全光相位調(diào)制器的傳感臂ⅱ及光纖耦合器共同組成傳感器內(nèi)傳感準(zhǔn)平衡michelson型光纖干涉儀；

所述探頭傳感內(nèi)筒支架和探頭傳感外筒支架均為圓柱狀鋁制彈性殼體，殼體外壁分別對稱開有兩段凹槽，傳感臂i的傳感光纖雙層纏繞在探頭傳感外筒支架的兩段凹槽上，兩段凹槽內(nèi)纏繞傳感光纖的長度相同，用于傳感探頭外向水聲聲壓的“壓力”，傳感臂ii的傳感光纖雙層纏繞在探頭傳感內(nèi)筒支架的兩段凹槽上，兩段凹槽內(nèi)纏繞傳感光纖的長度相同，用于傳感探頭內(nèi)向水聲聲壓的“推力”；這樣通過傳感臂i和傳感臂ii的“推-壓”模式，可使傳感器的聲壓靈敏度達(dá)到雙倍放大效果，而通過雙層纏繞同樣可有效增大傳感器的聲壓靈敏度；此外，傳感光纖對稱纏繞在探頭傳感內(nèi)筒支架和探頭傳感外筒支架的兩段凹槽上形成推挽式結(jié)構(gòu)，可有效抑制加速度噪聲，并有效增強(qiáng)傳感器的穩(wěn)定性。

本發(fā)明所述微納光纖全光相位調(diào)制器由常規(guī)光纖采用溫度可控的改進(jìn)型非接觸式加熱掃描法拉制而成(詳見發(fā)明專利：基于微納光纖全光相位調(diào)制器的光纖水聽器系統(tǒng)，公開日：2016.11.16)，鑒于光纖水聽器水下甚至深海高壓的應(yīng)用環(huán)境，且便于傳感器探頭封裝制作要求，本發(fā)明將所述微納光纖全光相位調(diào)制器進(jìn)行金屬套管封裝保護(hù)，即將微納光纖全光相位調(diào)制器套上用不銹鋼制成的調(diào)制器保護(hù)套管，再在調(diào)制器保護(hù)套管的兩端蓋上調(diào)制器保護(hù)套管帽，并進(jìn)行膠封處理。

所述光纖耦合器、一號法拉第旋鏡、二號法拉第旋鏡均通過膠黏固定在探頭傳感內(nèi)筒支架的內(nèi)壁上；

所述封裝在調(diào)制器保護(hù)套管內(nèi)的微納光纖全光相位調(diào)制器呈中心對稱貼壁布放在探頭傳感內(nèi)筒支架上，調(diào)制器保護(hù)套管外壁與探頭傳感內(nèi)筒支架內(nèi)壁膠連固定；

所述探頭傳感器內(nèi)筒支架和探頭傳感器外筒支架的材料均為鋁合金，探頭傳感外筒支架套在探頭傳感內(nèi)筒支架上，并在筒支架處膠粘固定；探頭傳感外筒支架對稱膠黏固定在探頭保護(hù)套管內(nèi)壁的中部；

所述探頭保護(hù)套管及探頭保護(hù)套管帽均為不銹鋼材料制成，為了保證在探頭內(nèi)形成與環(huán)境一致的穩(wěn)定水壓，在探頭保護(hù)套管和探頭保護(hù)套管帽上開有多個通孔；

所用傳感光纖及傳輸光纖均為抗彎曲光纖。

本發(fā)明基于以下工作原理：光源探測光通過傳輸臂iii的傳輸光纖注入傳感器探頭，當(dāng)聲壓信號作用在探頭上時，探頭內(nèi)、外筒支架將發(fā)生形變，這會使探頭傳感內(nèi)/外筒支架纏繞的傳感光纖發(fā)生“推-壓”形變，進(jìn)而對傳感光纖內(nèi)傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生相應(yīng)相位調(diào)制信號(探測光轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柟?；在一號法拉第旋鏡和二號法拉第旋鏡反射作用下，攜帶有聲壓調(diào)制信號的信號光會經(jīng)傳輸臂ⅳ的傳輸光纖由傳感探頭內(nèi)干涉儀返回遠(yuǎn)處干端光路及信號處理系統(tǒng)，通過數(shù)字信號處理即可解調(diào)出相應(yīng)水聲傳感信號。

由于本發(fā)明的光纖水聽器采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，尺寸小且利于成纜封裝，便于大規(guī)模集成復(fù)用；傳感器在時分大規(guī)模集成復(fù)用時，傳感探頭傳輸臂iii通過光纖耦合器經(jīng)探測光傳輸光纖及光隔離器與激光器光源相連，進(jìn)而實現(xiàn)探測光注入；同樣傳感探頭傳輸臂ⅳ通過光纖耦合器經(jīng)信號返回傳輸光纖與wdm相連，將傳感器探頭探測到的信號光返回信號處理系統(tǒng)，并進(jìn)行后續(xù)信號解調(diào)。

采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果：

1.本發(fā)明將調(diào)制載波用微納光纖全光相位調(diào)制器接于傳感干涉儀一臂上，并將其封裝鑲嵌于傳感探頭內(nèi)，實現(xiàn)了水聽器探頭自帶干涉儀外加調(diào)制載波用全光調(diào)制器的功能；

2.本發(fā)明將傳感干涉儀兩臂光纖雙層纏繞在傳感器探頭內(nèi)外筒支架的兩段凹槽上，形成“推-壓”的聲壓傳感傳感模式，可使傳感器聲壓靈敏度達(dá)到雙倍放大效果，雙層纏繞同樣可效增大傳感器聲壓靈敏度；

3.本發(fā)明傳感器探頭傳感內(nèi)、外筒支架均為對稱結(jié)構(gòu)，傳感光纖對稱纏繞在傳感內(nèi)、外筒支架上的兩段凹槽內(nèi)，形成推挽式傳感結(jié)構(gòu)，可有效抑制傳感器的加速度噪聲，并增強(qiáng)傳感器穩(wěn)定性；

4.本發(fā)明采用推挽式雙軸纏繞探頭結(jié)構(gòu)，并采用微納光纖全光相位調(diào)制器置于光纖干涉儀內(nèi)實現(xiàn)相位生成載波，確保了傳感探頭無電子元件、緊湊、高靈敏度、抑制加速度靈敏、方便大規(guī)模集成等性能優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于微納光纖全光載波調(diào)制器探頭內(nèi)置的光纖水聽器剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是調(diào)制器保護(hù)套管示意圖；

圖3是調(diào)制器保護(hù)套管帽示意圖；

圖4是探頭傳感內(nèi)筒支架示意圖；

圖5是探頭傳感外筒支架示意圖；

圖6是探頭保護(hù)套管示意圖；

圖7是探頭保護(hù)套管帽示意圖；

圖8是本發(fā)明光纖水聽器時分復(fù)用集成時的干端光路及調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明所述基于微納光纖全光載波調(diào)制器探頭內(nèi)置的光纖水聽器由光纖耦合器1、一號法拉第旋鏡(frm1)2-1、二號法拉第旋鏡(frm2)2-2、微納光纖全光相位調(diào)制器3、調(diào)制器保護(hù)套管4、一號調(diào)制器保護(hù)套管帽5-1、二號調(diào)制器保護(hù)套管帽5-2、探頭傳感內(nèi)筒支架6、探頭傳感外筒支架7、探頭保護(hù)套管8、一號探頭保護(hù)套管帽9-1、二號探頭保護(hù)套管帽9-2、傳感光纖光及傳輸光纖組成；所述探頭傳感內(nèi)筒支架6、探頭傳感外筒支架7、探頭保護(hù)套管8組成同軸結(jié)構(gòu)，由內(nèi)而外依次為探頭傳感內(nèi)筒支架6、探頭傳感外筒支架7、探頭保護(hù)套管8；所述光纖耦合器1四個端口分別對應(yīng)連接傳感臂ⅰ、傳感臂ii、傳輸臂iii及傳輸臂ⅳ前端，一號法拉第旋鏡(frm1)2-1與傳感臂ⅰ后端相連，二號法拉第旋鏡(frm2)2-2與傳感臂ⅱ后端相連，微納光纖全光相位調(diào)制器3位于傳感臂ii前端，即其一側(cè)與光纖耦合器1一端口相連，另一側(cè)與傳感臂ii上的傳感光纖相連；一號法拉第旋鏡2-1、傳感臂ⅰ、二號法拉第旋鏡2-2、接有微納光纖全光相位調(diào)制器3的傳感臂ⅱ及光纖耦合器1，共同組成探頭內(nèi)傳感準(zhǔn)平衡michelson型光纖干涉儀；

所述微納光纖全光相位調(diào)制器3封裝于調(diào)制器保護(hù)套管4內(nèi)，所述調(diào)制器保護(hù)套管4兩端通過兩個調(diào)制器保護(hù)套管帽5-1和5-2膠封；

所述調(diào)制器保護(hù)套管4呈中心位置對稱布放在探頭傳感內(nèi)筒支架6內(nèi)；

光纖耦合器1、一號法拉第旋鏡2-1與二號法拉第旋鏡2-2均膠黏固定在探頭傳感內(nèi)筒支架6的內(nèi)壁上，探頭傳感外筒支架7嵌套在探頭傳感內(nèi)筒支架6外，探頭傳感外筒支架7對稱膠黏固定在探頭保護(hù)套管8內(nèi)壁的中部；

傳感臂i的傳感光纖雙層纏繞在探頭傳感外桶壁支架6的對稱雙凹槽桶臂上，傳感臂ii的傳感光纖雙層纏繞在探頭傳感內(nèi)桶壁支架7的對稱雙凹槽桶臂上。

如圖2所示，本發(fā)明所述調(diào)制器保護(hù)套管4為圓柱形不銹鋼金屬套管。

如圖3所示，本發(fā)明所述調(diào)制器保護(hù)套管帽5為不銹鋼套帽，帽蓋中心開有通孔，供光纖通過。

如圖4和圖5所示，本發(fā)明所述探頭傳感內(nèi)筒支架6和探頭傳感外筒支架7均為對稱支架結(jié)構(gòu)，殼體為鋁制金屬材質(zhì)，上面對稱開有兩段凹槽，傳感光纖雙層纏繞在兩段凹槽上，且兩段凹槽內(nèi)纏繞傳感光纖長度相同。

如圖6所示，本發(fā)明所述探頭保護(hù)套管8為圓柱形不銹鋼金屬套管，套管壁上開有多個過水孔。

如圖7所示，本發(fā)明所述探頭保護(hù)套管帽9為不銹鋼套帽，帽蓋上開有過水孔，中心支架位置開有通孔，供光纖通過。

本發(fā)明采用微納光纖全光相位調(diào)制器嵌入光纖水聽器傳感探頭內(nèi)，對傳感器內(nèi)傳感干涉儀進(jìn)行外加相位調(diào)制載波，其工作時需外加強(qiáng)度調(diào)制的980nm泵浦光注入傳感器內(nèi)傳感干涉儀來加熱微納光纖全光相位調(diào)制器以實現(xiàn)相位調(diào)制功能，因此，本發(fā)明在實際應(yīng)用時(單個或空分大規(guī)模集成復(fù)用)，其干端光路及信號處理系統(tǒng)中應(yīng)帶有調(diào)制微納光纖全光相位調(diào)制器所需的980nm泵浦光器等設(shè)備。本發(fā)明所述光纖水聽器具體應(yīng)用的一個實施例如下：

如圖8所示，本發(fā)明所述光纖水聽器在單個或空分大規(guī)模集成復(fù)用時，其干端光路及信號處理系統(tǒng)由1550nm可編程控制高相干半導(dǎo)體激光器11、光纖隔離器12、980/1550nm波分復(fù)用器(wdm)13、光電探測器14、980nm泵浦激光器15、980nm泵浦激光器泵浦驅(qū)動源16、信號發(fā)生器17、信號采集卡18、數(shù)字信號處理計算機(jī)19及傳輸光纖組成，激光器11經(jīng)光纖隔離器12、探測光傳輸光纖及光纖耦合器經(jīng)與傳感器探頭傳輸臂iii相連(本發(fā)明所述光纖水聽器單個應(yīng)用時，激光器11經(jīng)光纖隔離器12及探測光傳輸光纖與傳感器探頭傳輸臂iii相連)，將激光器11發(fā)出的1550nm探測光注入傳感器探頭內(nèi)的傳感準(zhǔn)平衡michelson型干涉儀。

探頭內(nèi)的傳感干涉儀返回的信號光經(jīng)傳輸臂ⅳ、光纖耦合器、信號返回傳輸光纖與980/1550nm波分復(fù)用器(wdm)13的公共端口相連(本發(fā)明所述光纖水聽器單個應(yīng)用時，探頭內(nèi)的傳感干涉儀返回的信號光經(jīng)傳輸臂ⅳ與980/1550nm波分復(fù)用器(wdm)13的公共端口相連)，然后經(jīng)980/1550nm波分復(fù)用器(wdm)13的1550nm輸出端口到達(dá)光電探測器14進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，再通過信號采集卡18進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)字信號輸入到數(shù)字信號處理計算機(jī)19內(nèi)進(jìn)行pgc解調(diào)信號處理。

信號發(fā)生器17一路信號輸出端口與980nm泵浦激光器泵浦驅(qū)動源16相連，實現(xiàn)對驅(qū)動源不同調(diào)制信號的控制，該路信號輸出端口同時也與信號采集卡18相連，供數(shù)字信號處理計算機(jī)19進(jìn)行pgc數(shù)字信號處理同步所用。

980nm泵浦激光器泵浦驅(qū)動源16與980nm泵浦激光器15相連，進(jìn)而實現(xiàn)對980nm泵浦激光器15輸出980nm泵浦激光的強(qiáng)度調(diào)制。980nm泵浦激光器15經(jīng)980/1550nm波分復(fù)用器(wdm)13及光纖耦合器與傳感器傳輸臂ⅳ相連(本發(fā)明所述光纖水聽器單個應(yīng)用時，980nm泵浦激光器15經(jīng)980/1550nm波分復(fù)用器(wdm)13與傳感器傳輸臂ⅳ相連)，將強(qiáng)度調(diào)制的980nm泵浦光注入傳感器內(nèi)傳感干涉儀，來加熱調(diào)制微納光纖全光相位調(diào)制器3，進(jìn)而實現(xiàn)干涉儀外加調(diào)制相位載波生成。

本發(fā)明所述光纖水聽器采用微納光纖全光相位調(diào)制器實現(xiàn)相位載波生成，與光源調(diào)制相位生成載波技術(shù)相比，其突出優(yōu)勢在信號光源不再需要頻率調(diào)制，可是整個傳感系統(tǒng)表現(xiàn)出更加優(yōu)良的頻率穩(wěn)定或相位穩(wěn)定性。同時，光纖水聽器所用傳感干涉儀為準(zhǔn)平衡性，這有助于消除外界對光纖水聽器引起的相位噪聲。