專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用反射式準(zhǔn)互易光路的光纖水聽(tīng)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(cè)聲壓的一種采用反射式準(zhǔn)互易光路的光纖水聽(tīng)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(cè)載有信號(hào)的聲波所形成的聲場(chǎng)的時(shí)空結(jié)構(gòu)，是進(jìn)行水下探測(cè)、識(shí)別、通訊及環(huán)境監(jiān)測(cè)等的重要手段，它既可用于遠(yuǎn)距離軍事目標(biāo)探測(cè)，海底礦藏開(kāi)發(fā)，魚(yú)群探測(cè)，還可以用于海洋動(dòng)力過(guò)程(內(nèi)波、環(huán)流)的遙測(cè)和海洋、陸地地震波檢測(cè)等。因此，先進(jìn)的水聲探測(cè)技術(shù)對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)，國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究都有著重要意義。 光纖水聽(tīng)器是于七十年代末發(fā)展起來(lái)的一種建立在光纖、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(lái)進(jìn)行聲/光轉(zhuǎn)換，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)信息，其靈敏度與傳統(tǒng)壓電水聽(tīng)器相比高三個(gè)數(shù)量級(jí)。光纖水聽(tīng)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(cè)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(guó)軍方的高度重視。自從1977年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室Bucaro等人發(fā)表了第一篇關(guān)于光纖水聽(tīng)器的論文以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了三十年的研究與發(fā)展。特別是近年來(lái)，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(tīng)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(tīng)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(tīng)器的結(jié)構(gòu)與信號(hào)檢測(cè)相對(duì)簡(jiǎn)單，不存在干涉型光纖水聽(tīng)器中存在的信號(hào)相位波動(dòng)及偏振態(tài)隨機(jī)變化導(dǎo)致的信號(hào)衰落等問(wèn)題，但是檢測(cè)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(tīng)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(tīng)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(tīng)器是基于光學(xué)干涉儀的原理構(gòu)造，利用聲場(chǎng)對(duì)光纖中光波的傳輸相位進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)光纖干涉儀，將這種相位調(diào)制檢測(cè)并解調(diào)出來(lái)而實(shí)現(xiàn)聲傳感。能夠?qū)崿F(xiàn)干涉型光纖水聽(tīng)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(tīng)器靈敏度非常高，但它的動(dòng)態(tài)范圍小，易受光路損耗變化的影響，特別是信號(hào)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(tīng)器，也是技術(shù)最為成熟的干涉型光纖水聽(tīng)器。但這兩種干涉儀存在固有的問(wèn)題，比如由于兩干涉臂很難保證長(zhǎng)度一致，在有些應(yīng)用中還會(huì)人為地加大兩臂的光程差，這將會(huì)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(huì)發(fā)生隨機(jī)波動(dòng)，很難保持一致，這將導(dǎo)致干涉信號(hào)的對(duì)比度降低，嚴(yán)重情況下對(duì)比度甚至為零。而基于Sagnac型干涉儀的光纖水聽(tīng)器雖然解決了偏振態(tài)隨機(jī)波動(dòng)的問(wèn)題，但由于Sagnac型干涉儀為互易光路系統(tǒng)，對(duì)于低頻信號(hào)存在固有的不敏感性，存在一定的局限。在未來(lái)軍事領(lǐng)域應(yīng)用的光纖水聽(tīng)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(gè)陣列將包含幾十甚至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)，幾百公里的監(jiān)控范圍。近年來(lái)各國(guó)對(duì)光纖水聽(tīng)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(duì)光源，光纖以及光電探測(cè)器的多路復(fù)用，用較少的組件形成分布式光纖水聽(tīng)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(guò)對(duì)陣列信號(hào)的處理可以極大的提高整個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)的探測(cè)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(tīng)器方案。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)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(tīng)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(cè)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(cè)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(cè)器的輸出端與信號(hào)處理電路相連接，光電探測(cè)器將得到的包含聲壓信息的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路檢測(cè)該電信號(hào)獲取聲壓值，并且輸出，同時(shí)信號(hào)處理電路將該輸出信號(hào)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(tīng)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(gè)輸出端保偏光纖分別與偏振分束/合束器的兩個(gè)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(hào)處理電路的一個(gè)輸出端給集成相位調(diào)制器提供電信號(hào)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(tīng)器，可以有效抑制光路中的偏振態(tài)隨機(jī)波動(dòng)，解決了傳統(tǒng)水聽(tīng)器的偏振衰落問(wèn)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(tīng)器，采用準(zhǔn)互易光路方案，因此對(duì)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(tīng)器，采用反射式光路，信號(hào)來(lái)回兩次經(jīng)過(guò)聲探頭，檢測(cè)聲壓信號(hào)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(tīng)器，以光纖作為信息的傳感與傳輸介質(zhì)，不會(huì)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(tīng)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(tīng)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(cè)器11、集成相位調(diào)制器 12、偏振分束/合束器13、信號(hào)處理電路
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)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(tīng)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(cè)器10。光信號(hào)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(cè)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(cè)器10的輸出端與信號(hào)處理電路13相連接，光電探測(cè)器10將獲取的包含聲壓信息的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路13檢測(cè)該電信號(hào)獲取聲壓值，并且輸出，同時(shí)信號(hào)處理電路13將該輸出信號(hào)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(tīng)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(gè)輸出端保偏光纖分別與偏振分束/合束器12的兩個(gè)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(hào)處理電路將檢測(cè)到的聲壓值作為輸出電信號(hào)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(guò)耦合器后，由起偏器起偏成線(xiàn)偏光，然后通過(guò)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(guò)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(cè)聲壓，保偏光纖受到調(diào)制，傳輸光的正交偏振兩個(gè)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(guò)反射，二次經(jīng)過(guò)聲探頭，敏感信號(hào)加倍，然后通過(guò)延遲光纖，最后在起偏器處與兩個(gè)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(cè)器(PIN)后，由信號(hào)處理電路檢測(cè)。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(cè) 器獲取干涉光信號(hào)Id⑴的表達(dá)式為ID{i ) = ·^-{[ + cos[(p/i:. ( -τ)- φη, (() + φ,]\其中Itl為到達(dá)探測(cè)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(xiàn)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(tīng)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(cè)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(cè)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(cè)器的輸出端與信號(hào)處理電路相連接，光電探測(cè)器將得到的包含聲壓信息的干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路檢測(cè)該電信號(hào)獲取聲壓值，并且輸出，同時(shí)信號(hào)處理電路將輸出信號(hào)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(tīng)器，其特征在于所述的光纖水聽(tīng)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(gè)輸出端保偏光纖分別與偏振分束/合束器的兩個(gè)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(hào)處理電路的一個(gè)輸出端給集成相位調(diào)制器提供電信號(hào)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(tīng)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(tīng)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(tīng)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(tīng)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(xiàn)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(tīng)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(tīng)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(tīng)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(tīng)器，其特征在于所述的光電探測(cè)器獲取干涉光信號(hào)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(cè)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(kāi)一種采用反射式準(zhǔn)互易光路的光纖水聽(tīng)器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該光纖水聽(tīng)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(cè)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(tīng)器，可以有效抑制光路中的偏振態(tài)隨機(jī)波動(dòng)，解決了傳統(tǒng)水聽(tīng)器的偏振衰落問(wèn)題，本發(fā)明采用準(zhǔn)互易光路方案，因此對(duì)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(hào)來(lái)回兩次經(jīng)過(guò)聲探頭，檢測(cè)聲壓信號(hào)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(huì)被電磁干擾。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102721458SQ20121017206
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)