專利名稱：同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖水聽器陣列技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分 復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法。
背景技術(shù)：
在全光纖線列陣聲納中，光纖水聽器陣列復(fù)用光路是非常重要的組成部分。陣列復(fù)用光 路主要包括時(shí)分復(fù)用和波分復(fù)用兩大關(guān)鍵技術(shù)，其中時(shí)分技術(shù)的光功率平衡性、損耗特性、 時(shí)延精確性、可拓展性等關(guān)鍵性能一直為各研究單位所關(guān)注。以往傳統(tǒng)的光纖傳感的時(shí)分復(fù) 用的光路結(jié)構(gòu)， 一般以兩種方法為主-一是全部采用50:50的分光比耦合器，如圖1所示， 其中C代表耦合器，分光比均為50:50， D代表延遲線，其中的數(shù)字代表延遲線圈串連個(gè)數(shù)， H代表水聽器。在所有水聽器前將光按比例分好，每個(gè)水聽器分配到的比例只能是l/2n，由 于光纖水聽器以一定的間距呈直線分布，在成陣時(shí)需要將耦合器尾纖延長(zhǎng)至每個(gè)水聽器，水 聽器尾纖可達(dá)幾十米，對(duì)于成陣及其不便，因此很少有研究單位采用這種方式。第二種方法 是采用若干個(gè)不同分光比的光纖耦合器組成，經(jīng)過(guò)分光比的設(shè)計(jì)，使每個(gè)耦合器下載一路光 給其后的光纖水聽器，如圖2所示，其中C代表耦合器，D代表延遲線，H代表水聽器，每 個(gè)耦合器的分光比都是不同的。激光每經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合器就會(huì)分一小部分光給其相應(yīng)的水聽器， 其余光繼續(xù)向后行走輸入到下一個(gè)耦合器，經(jīng)過(guò)耦合器多級(jí)的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)每個(gè)水聽器的光輸入， 光輸出是自后向前通過(guò)逐級(jí)的合光耦合器耦合到輸出端。目前這種方式應(yīng)用比較廣泛，但這 種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)第一，每個(gè)水聽器經(jīng)過(guò)的耦合器和熔接點(diǎn)數(shù)目都不相同(越靠后的水聽 器越多)，因此耦合器附加損耗及熔接點(diǎn)損耗累加在一起會(huì)對(duì)每個(gè)水聽器之間的功率平衡性造 成不利影響；第二，成陣過(guò)程中耦合器尾纖所引起的時(shí)延差具有累積性，越靠后的水聽器累 積的時(shí)延越長(zhǎng)，必須在延遲線圈上進(jìn)行補(bǔ)償；第三，每個(gè)水聽器對(duì)應(yīng)的耦合器分光比各不相 同，各耦合器間的之間沒(méi)有互換性，為工程應(yīng)用帶來(lái)不便；第四，時(shí)分?jǐn)?shù)擴(kuò)展性不強(qiáng)，增加 或減少任意數(shù)量的時(shí)分?jǐn)?shù)都必須重新設(shè)計(jì)分光比。本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)上的缺點(diǎn)，發(fā)明了全 新的光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了以上所述的不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種適合于具體地說(shuō)，本發(fā)明提出了一種同分光比自 平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法，所有用于光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列的光纖耦
3合器都具有相同的分光比。
為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是提出以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的這種同分光比自平衡型光纖 水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法，用光纖耦合器和光纖延遲線構(gòu)成n路時(shí)分復(fù)用光路時(shí)， 采用相同分光比的光纖耦合器組成陣列光路，將輸入干路的光纖耦合器正向排列，輸出干路 的光纖耦合器反向排列，使每個(gè)水聽器所經(jīng)過(guò)的耦合器完全相同，每只水聽器所經(jīng)歷的分光 比完全相同。無(wú)論光纖耦合器分光比如何，由耦合器帶來(lái)的附加損耗和分光比誤差對(duì)每個(gè)水 聽器造成的影響是一樣的，由這些耦合器制成的光路具有極佳的功率平衡性。
光纖耦合器包括相同分光比的的分光耦合器和合光耦合器，光纖耦合器的單光纖端為輸 入端，雙光纖端為兩個(gè)分光輸出端，分別稱為小分光比臂和大分光比臂；將分光耦合器和合 光耦合器反向放置，由分光耦合器CFk小分光比一臂接水聽器Hk的任意一根尾纖，CFk的大 分光比一臂接光纖延遲線，光纖延遲線輸出接CFw的單光纖輸入端；水聽器Hk另一根尾纖 接合光耦合器CHk的小合光臂，即小分光比臂，CHk的單光纖輸出臂與CHkw的大合光臂， 即小分光比臂鏈接，k=l,2...，n-l; CFn的小分光比一臂接水聽器H。的任意一根尾纖，水聽器
Hn另外一根尾纖接合光耦合器CHn的小合光臂，即小分光比臂。
通過(guò)計(jì)算得到其每個(gè)脈沖的損耗最小值所對(duì)應(yīng)的耦合器分光比，利用該分光比制作光纖 耦合器。
當(dāng)需要擴(kuò)展水聽器通道時(shí)，在其中插入分光耦合器CFk和合光耦合器CHk+l，就可以實(shí)現(xiàn)， 可擴(kuò)展性非常好。發(fā)明所設(shè)計(jì)的時(shí)分復(fù)用光路有能力拓展到從2時(shí)分一直到48時(shí)分的任意整 數(shù)時(shí)分?jǐn)?shù)。
本發(fā)明能帶來(lái)以下有益效果采用了完全相同的耦合器組成光纖水聽器時(shí)分復(fù)用光路， 將輸入干路的耦合器正向排列，輸出干路的耦合器反向排列，使每個(gè)水聽器所經(jīng)過(guò)的耦合器 完全相同，從而獲得高性能的時(shí)分復(fù)用陣列，提高陣列的功率平衡性、時(shí)延準(zhǔn)確性、互換性 和可擴(kuò)展性。


圖1是傳統(tǒng)的平衡型8時(shí)分光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2是傳統(tǒng)的非平衡型8時(shí)分光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明的自平衡型8時(shí)分光路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4是計(jì)算得到的8時(shí)分復(fù)用光路耦合器分光比與損耗值之間的關(guān)系曲線圖； 圖5是8時(shí)分復(fù)用光路的輸出脈沖圖；圖6是8時(shí)分復(fù)用光路的l弁 6井光組件裝配圖； 圖7是8時(shí)分復(fù)用光路的7#光組件裝配圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述
以8時(shí)分光路為例說(shuō)明本發(fā)明的具體內(nèi)容，8時(shí)分光路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所7^,其中CF和 CH均代表分光比完全相同的耦合器(CF的作用是分光，CH的作用是合光)，D代表延遲線， H代表水聽器，每個(gè)耦合器的分光比均相同，如需要擴(kuò)展時(shí)分?jǐn)?shù)，則直接插入同分光比的耦 合器即可。圖中上面一排耦合器定義為輸入干路，下面一排耦合器定義為輸出干路。輸入干 路耦合器l分光后，小分光比一端送入水聽器H1，水聽器H1的輸出與相同分光比的耦合器 小分光比一臂相連；輸入干路耦合器1的大分光比一臂將光傳入下一耦合器的輸入端。從圖 中可以看出該方案的優(yōu)勢(shì)在于 一、每個(gè)水聽器所經(jīng)歷的耦合器均為9只，因此由耦合器帶 來(lái)的附加損耗對(duì)每個(gè)水聽器造成的影響是一樣的；二、除去延遲線以外，每個(gè)水聽器所走過(guò) 光程是一樣的，這樣在實(shí)際制作過(guò)程中，只要精確控制延遲線圈本身的長(zhǎng)度即可，不需要考 慮尾纖長(zhǎng)度帶來(lái)的影響，為工程應(yīng)用帶來(lái)方便；三、光路中各個(gè)耦合器完全相同，耦合器的 分光比完全一致，為工程應(yīng)用帶來(lái)了相當(dāng)大的便利；四、從圖中可知，當(dāng)需要擴(kuò)展水聽器通 道時(shí)，只需要在其中插入耦合器就可以實(shí)現(xiàn)，可擴(kuò)展性非常好。
在上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)各路的功率損耗值進(jìn)行計(jì)算，以確定耦合器的最佳 分光比。水聽器Hl所經(jīng)歷的耦合器為9個(gè)耦合器，設(shè)耦合器分光比為T:(l-T)， T為小分光 比一臂，設(shè)輸入光的光功率為lmW，可知水聽器孤(1^=1，2,3，...，8)經(jīng)過(guò)耦合器的分光合光所 造成的衰減值為
Pk二10Xlog10 (T2X(1-T)7) (1) 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖這里的T值可以任意取值，無(wú)論取何值都可以達(dá)到各路水聽器功率相等，但陣 列要求每一路光的損耗值盡量達(dá)到最小，因此在這個(gè)前提下我們對(duì)公式1進(jìn)行求解，最終得 到分光比與損耗值的關(guān)系曲線如圖4所示，從曲線中可以看出，當(dāng)耦合器分光比為22:78時(shí)， 其每一路的光損耗值達(dá)到最小，約20.7dB。我們?yōu)榱蓑?yàn)證這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的正確性， 采用該分光比的耦合器制作了 8時(shí)分光路，所得到的8個(gè)光脈沖值(分別代表八路水聽器) 如圖5所示，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)通道，脈沖間隔為500ns,重復(fù)周期為5ps。從圖中可以看出 脈沖間的功率不均勻度小于0.7dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他方案得到的功率不平衡性基本在2dB左右。
本方案對(duì)于其他時(shí)分?jǐn)?shù)仍然適用，僅僅需要改變耦合器的數(shù)量就可以輕松實(shí)現(xiàn)n路高性 能時(shí)分復(fù)用光路，本說(shuō)明書仍以8時(shí)分陣列為基礎(chǔ)說(shuō)明擴(kuò)展到n路(n=2、 3…48)時(shí)分復(fù)用 陣列的方法。在8時(shí)分光路的基礎(chǔ)上，在光路中間插入n-8對(duì)完全相同的耦合器，既可以擴(kuò)
5展到n路時(shí)分復(fù)用陣列，這里n-8如果是負(fù)數(shù)就相應(yīng)減掉I n-81對(duì)耦合器。這種方法可能會(huì)對(duì) 光路的整體損耗有所影響，如果需要調(diào)整損耗使之達(dá)到最優(yōu)化，則可以改變構(gòu)成陣列光路的 耦合器的分光比，耦合器的分光比計(jì)算方法如下 首先給出n時(shí)分陣列的每路損耗值計(jì)算公式
Pk=10Xlogl0 (T2x(l-T廣1) n=l,2,3,...,48 (2)
其中k為任意水聽器號(hào)，由于每個(gè)水聽器損耗值都一樣，因此任取其一即可說(shuō)明問(wèn)題。對(duì)任 意確定的n值，都可以通過(guò)該公式繪制出損耗曲線，并求得其損耗的最小值，該最小值所對(duì) 應(yīng)的T值就是我們所需要的構(gòu)成n路時(shí)分服用光路的耦合器最佳分光比。 1、光組件制作
以8時(shí)分光路的發(fā)明方案為例，在方案中主要包括1X2熔融拉錐型光纖耦合器16只、 100m延遲光纖巻7巻和光纖水聽器8只。在具體的光路方案實(shí)施中，需要將兩只耦合器和一 個(gè)延遲光纖巻組合成一個(gè)光組件，其具體的制作步驟如下
(1) 取一只1X2的光纖耦合器(耦合器1)，其輸入端為單根光纖，套入紅色O0.9mm的 光纖松護(hù)套，用502膠將光纖與護(hù)套之間點(diǎn)住，將耦合器輸出端的分光比為22%—端套入綠 色光纖松套，用502膠將光纖與護(hù)套之間點(diǎn)住。將光纖耦合器的78X—端截?cái)嘀?00mm，套 入光纖熱縮套管，延遲光纖巻的一臂同樣截?cái)嘀?00mm，將兩臂用光纖熔接機(jī)熔接在一起， 并用光纖熱縮套管保護(hù)。將延遲線的另外一臂套入黑色光纖松護(hù)套，用502膠點(diǎn)住。(2) 取另外一只1X2光纖耦合器(耦合器2)，將輸入端套入白色光纖松護(hù)套，分光比為 22%的輸出端套入藍(lán)色光纖松護(hù)套，分光比為78%的輸出端套入黃色松護(hù)套，兩端用502膠 點(diǎn)住。將處理好的耦合器數(shù)與(l)中所述的器件平行放在一起，與耦合器l的反方向放置，并 用5mm寬透明膠帶綁定。
(3) 將上述綁定好的器件放入空間為20X80X10mm的長(zhǎng)方形塑料盒，內(nèi)部用703膠固 定，蓋上盒蓋，各輸出端以及盒蓋的縫隙部分用504膠密封，待膠干后組件制作完畢。
(4) 重復(fù)上述操作，制作6只相同的光組件，光組件的裝配示意圖如圖6所示，其中延 遲線長(zhǎng)度為100m。
(5) 將第7只光組件按如下方法添加耦合器,示意圖如圖7所示，其中延遲線長(zhǎng)度為100m 按(l)、 (2)的方法制作一只光組件，但不套入任何光纖松護(hù)套；
將延遲線的輸出端不加套管并截?cái)嘀?00mm，與新取的1 X2耦合器輸入端(耦合器3) 熔接在一起，用熱縮套管保護(hù)熔接點(diǎn)，耦合器3分光比為22%的輸出端套入黑色套管作為輸 出端；
再取一只耦合器(耦合器4)，將其分光比為78%的輸出端與耦合器2的輸入端熔接，熔接點(diǎn)用光纖熱縮套管保護(hù)；
將耦合器4的輸入端套粉色光纖松護(hù)套，分光比為22%的輸出端套黃色松護(hù)套，耦合器 1的輸入端套入紅色松護(hù)套，耦合器1分光比為22%的一臂套入綠色松護(hù)套。耦合器2分光 比為78°/。的一臂套入白色松護(hù)套，耦合器2分光比為22%的一臂套入藍(lán)色松護(hù)套。
2、 陣列光路鏈接
(1) 將1弁光組件的紅色端熔入一根FC/PC的光纖跳線，并用光纖熱縮保護(hù)套管對(duì)熔接點(diǎn) 進(jìn)行保護(hù)，該跳線通過(guò)法蘭盤與脈沖光源相連接。
(2) l井光組件的黑色端與2弁光組件的紅色端相熔接，1#光組件的黃色端與2#光組件 的白色端相熔接，l井光組件的綠色、藍(lán)色兩端分別與水聽器的輸入輸出相熔接，熔接點(diǎn)用光 纖熱縮保護(hù)套管保護(hù)。
(3) 2 # ~6 #的熔接方式與(2)中所述情況相同。
(4) 6#光組件的黑色端與7#紅色端熔接，6#黃色端與7#白色端熔接，綠色和藍(lán)色分 別接水聽器H7的輸入輸出端，7弁組件黑色和黃色端分別水聽器H8的輸入輸出端，熔接點(diǎn) 用光纖熱縮保護(hù)套管保護(hù)。
(5) 將7弁組件的粉色端接入一根長(zhǎng)跳線(FC/PC)，作為輸出端輸送到光電探測(cè)器，以法 蘭盤與光電探測(cè)器相連接。
3、 結(jié)果測(cè)試
將連續(xù)的寬帶光源輸入到聲光調(diào)制器，用周期4ps、脈沖寬帶400ns的調(diào)制單脈沖輸入到 聲光調(diào)制器調(diào)制接口，將連續(xù)光調(diào)制為周期4ns、脈沖寬帶400ns的脈沖激光，脈沖激光輸入 到上述8時(shí)分光路，輸出8個(gè)等時(shí)延的光脈沖，輸出端接入光電探測(cè)器，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn) 換變?yōu)殡娒}沖，用示波器顯示經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換過(guò)的電脈沖如圖5所示。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技 術(shù)方案，均落在本成果要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法，其特征在于用光纖耦合器和光纖延遲線構(gòu)成n路時(shí)分復(fù)用光路時(shí)，采用相同分光比的光纖耦合器組成陣列光路，將輸入干路的光纖耦合器正向排列，輸出干路的光纖耦合器反向排列，使每個(gè)水聽器所經(jīng)過(guò)的耦合器完全相同，每只水聽器所經(jīng)歷的分光比完全相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法，其特征是光纖耦合器包括相同分光比的的分光耦合器和合光耦合器， 光纖耦合器的單光纖端為輸入端，雙光纖端為兩個(gè)分光輸出端，分別稱為小分光 比臂和大分光比臂；將分光耦合器和合光耦合器反向放置，由分光耦合器CFk 小分光比一臂接水聽器Hk的任意一根尾纖，CFk的大分光比一臂接光纖延遲線， 光纖延遲線輸出接CFk+I的單光纖輸入端；水聽器Hk另一根尾纖接合光耦合器 CHk的小合光臂，即小分光比臂，CHk的單光纖輸出臂與CHw的大合光臂，即 小分光比臂鏈接，1^=1,2...,11-1《 11的小分光比一臂接水聽器1111的任意一根尾纖， 水聽器Hn另外一根尾纖接合光耦合器CHn的小合光臂，即小分光比臂。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路 構(gòu)成方法，其特征是通過(guò)計(jì)算得到其每個(gè)脈沖的損耗最小值所對(duì)應(yīng)的耦合器分 光比，利用該分光比制作光纖耦合器。
4、 如權(quán)利要求2所述的同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu) 成方法，其特征是當(dāng)需要擴(kuò)展水聽器通道時(shí)，在其中插入分光耦合器CFk和合 光耦合器CHk+1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種同分光比自平衡型光纖水聽器時(shí)分復(fù)用陣列光路構(gòu)成方法，用光纖耦合器和光纖延遲線構(gòu)成n路時(shí)分復(fù)用光路時(shí)，采用相同分光比的光纖耦合器組成陣列光路，將輸入干路的光纖耦合器正向排列，輸出干路的光纖耦合器反向排列，使每個(gè)水聽器所經(jīng)過(guò)的耦合器完全相同，每只水聽器所經(jīng)歷的分光比完全相同。無(wú)論光纖耦合器分光比如何，由耦合器帶來(lái)的附加損耗和分光比誤差對(duì)每個(gè)水聽器造成的影響是一樣的，由這些耦合器制成的光路具有極佳的功率平衡性。本發(fā)明有益的效果獲得高性能的時(shí)分復(fù)用陣列，提高陣列的功率平衡性、時(shí)延準(zhǔn)確性、互換性和可擴(kuò)展性。
文檔編號(hào)G01H9/00GK101509806SQ20091009647
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)明者李東明, 葛輝良 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所