一種具有準互易光路的光纖水聽器的製作方法
2023-09-21 17:49:20
專利名稱：一種具有準互易光路的光纖水聽器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖傳感技術領域，具體涉及利用幹涉光相位檢測聲壓的一種具有準互易光路的光纖水聽器。
背景技術：
聲波是目前在海洋中能夠遠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空結構，是進行水下探測、識別、通訊及環境監測等的重要手段，它既可用於遠距離軍事目標探測，海底礦藏開發，魚群探測，還可以用於海洋動力過程(內波、環流)的遙測和海洋、陸地地震波檢測等。因此，先進的水聲探測技術對於國民經濟、國防建設和科學研究都有著重要意義。
光纖水聽器是於七十年代末發展起來的一種建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲波信號傳感器。它利用聲波調製光纖中光波的強度、相位、偏振態或其它參量來進行聲/光轉換，將水聲信號轉換成光信號，並通過光纖傳至信號處理系統提取聲波信號信息，其靈敏度與傳統壓電水聽器相比高三個數量級。光纖水聽器集光纖傳感器靈敏度高、頻帶響應寬、抗電磁幹擾、耐惡劣環境、結構靈巧、易於遙測和構成陣列等優越性於一體，是光纖傳感技術研究的重要方向之一，也是新一代水聲傳感器的主要發展方向之一，它在軍事領域的研究與應用受到了各國軍方的高度重視。自從1977年美國海軍實驗室Bucaro等人發表了第一篇關於光纖水聽器的論文以來，已經經過了三十年的研究與發展。特別是近年來，隨著光纖通信及光電子技術的迅速發展，光纖傳感技術日趨成熟，光纖水聽器也由實驗室研究走向工程應用，成為現代光纖傳感技術發展的重要方向，也是水聲傳感技術的主要發展方向。光纖水聽器按原理可分為強度型、幹涉型、光柵型等。其中強度型光纖水聽器的結構與信號檢測相對簡單，不存在幹涉型光纖水聽器中存在的信號相位波動及偏振態隨機變化導致的信號衰落等問題，但是檢測靈敏度不及幹涉型，也不利於組成陣列結構，有較大的局限性，是早期光纖水聲傳感技術研究的主要內容。隨著幹涉型光纖水聽器研究的興起，其關鍵技術已經逐步發展成熟，在部分領域己經形成產品，光纖水聽器的研究熱點已經從強度型轉為幹涉型。幹涉型光纖水聽器是基於光學幹涉儀的原理構造，利用聲場對光纖中光波的傳輸相位進行調製，經過光纖幹涉儀，將這種相位調製檢測並解調出來而實現聲傳感。能夠實現幹涉型光纖水聽器的光纖幹涉儀結構主要有四種，分別是Mach-Zehnder型幹涉儀、Michelson型幹涉儀、Fabry-Perot型幹涉儀、Sagnac型幹涉儀等。其中，Fabry-Perot型光纖水聽器靈敏度非常高，但它的動態範圍小，易受光路損耗變化的影響，特別是信號解調複雜，不適於復用技術，用於水聲傳感的研究較少。目前，被研究最多的是基於Mach-Zehnder幹涉儀和Michelson幹涉儀的光纖水聽器，也是技術最為成熟的幹涉型光纖水聽器。但這兩種幹涉儀存在固有的問題，比如由於兩幹涉臂很難保證長度一致，在有些應用中還會人為地加大兩臂的光程差，這將會使雙光路幹涉儀中光源的相位噪聲轉換為強度噪聲。此外，兩束相干光的光路不同，兩束光的偏振態會發生隨機波動，很難保持一致，這將導致幹涉信號的對比度降低，嚴重情況下對比度甚至為零。而基於Sagnac型幹涉儀的光纖水聽器雖然解決了偏振態隨機波動的問題，但由於Sagnac型幹涉儀為互易光路系統，對於低頻信號存在固有的不敏感性，存在一定的局限。
發明內容
針對現有幹涉型光纖水聽器存在問題偏振態隨機波動的問題，或者對低頻信號不敏感等，本發明提出一種具有準互易光路的光纖水聽器。本發明提出的具有準互易光路的光纖水聽器，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、保偏耦合器、聲探頭、補償光纖、以及光電探測器。光源的尾纖同分路器的一個輸入端光纖熔接，光電探測器的尾纖與分路器的另一個輸入端光纖熔接；分路器的輸出端光纖同起偏器的輸入端光纖熔接；起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接；相位調製器依次連接延遲光纖、法拉第旋光器和保偏耦合器；保偏耦合器的一個輸出端光纖與聲探頭的傳感光纖的輸入端光纖 熔接，保偏耦合器的另一個輸出端光纖與補償光纖的一端光纖熔接，聲探頭的傳感光纖的輸出端光纖與補償光纖的另一端光纖以90°熔接；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幹涉光信號轉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，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上從而實現相位調製。所述的起偏器和相位調製器，可採用集成光學相位調製器替換，集成光學相位調製器的輸入端光纖直接與分路器的輸出端光纖熔接，集成光學相位調製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，偏振分束/合束器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，集成光學相位調製器還接收信號處理電路提供的電信號以實現相位調製。本發明的優點和積極效果在於本發明提出的具有準互易光路的光纖水聽器，可以抑制光路中的偏振態隨機波動，解決了傳統水聽器的偏振衰落問題；並且可以有效測量由於聲壓造成的相位信號，具有較傳統水聽器更明顯的技術優勢。此外，本發明的光纖水聽器具有準互易光路，增強了對環境幹擾的免疫能力，以光纖作為信息的傳感與傳輸介質，不會被電磁幹擾。
圖I是本發明的光纖水聽器的第一種實施方式的結構示意圖；圖2是本發明的光纖水聽器的第一種實施方式的結構示意圖。圖中I、光源2、分路器3、起偏器4、相位調製器5、延遲光纖6、法拉第旋光器7、保偏耦合器8、聲探頭9、補償光纖10、光電探測器11、集成光學相位調製器 12、偏振分束/合束器13、信號處理電路
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明。本發明實施例中給出了實現所提供的具有準互易光路的光纖水聽器的兩種實施方案。如圖I所示，為本發明光纖水聽器的第一種實施方案。所述的光纖水聽器包括光源I、分路器2、起偏器3、相位調製器4、延遲光纖5、法拉第旋光器6、保偏耦合器7、聲探頭
8、補償光纖9、以及光電探測器10。如圖I所示，光信號在分路器2的輸入端分成兩路一路是光源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的輸入端光纖熔接,起偏器3的輸出端保偏光纖與相位調製器4的輸入端保偏光纖以45°熔接，相位調製器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的輸入端光纖熔接，法拉第旋光器6的輸出端光纖與保偏稱合器7的一輸入端光纖熔接,保偏稱合器7的一個輸出端光纖與聲探頭8的傳感光纖的輸入端熔接，保偏耦合器7的另一個輸出端光纖與補償光纖9的輸入端熔接，聲探頭8的傳感光纖的輸出端與補償光纖9的輸出端以90°熔接。本發明實施例中聲探頭8的傳感光纖是保偏光纖。光電探測器10獲取幹涉信號，光電探測器10的輸出端與信號處理電路13的輸入端相連接，光電探測器10將得到的包含聲壓信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路13，信號處理電路13檢測該電信號獲取聲壓值，並且輸出，同時信號處理電路13將該輸出信號施加到相位調製器4上從而實現相位調製。如圖2所示，為本發明光纖水聽器的第二種實施方案。所述的光纖水聽器包括光源I、分路器2、集成光學相位調製器11、偏振分束/合束器12、延遲光纖5、法拉第旋光器
6、保偏耦合器7、聲探頭8、補償光纖9以及光電探測器10。如圖2所示，光信號在分路器2的輸入端分成兩路一路是光源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的輸出端光纖與集成光學相位調製器11熔接，集成光學相位調製器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，偏振分束/合束器12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輸入端光纖熔接,法拉第旋光器6輸出端光纖與保偏稱合器7的一個輸入端光纖熔接，保偏耦合器7的一個輸出端光纖與聲探頭8上傳感光纖的輸入端熔接，保偏耦合器7的另一個輸出端光纖與補償光纖9的一端熔接，聲探頭8上傳感光纖的輸出端與補償光纖9的另一端以90°熔接。光電探測器10獲取幹涉信號，光電探測器10的輸出端與信號處理電路13的輸入端相連接，光電探測器10將得到的包含聲壓信息的幹涉光信號轉換為電信號提供給信號處理電路13，信號處理電路13檢測該電信號獲取聲壓值，並且輸出，同時信號處理電路13將該輸出信號施加到集成光學相位調製器11上從而實現相位調製。光源I可以是SLD光源、摻鉺光纖光源、LED光源等寬譜光源。分路器2採用保偏光纖環形器、保偏耦合器、單模光纖環形器或者單模耦合器來實現。相位調製器4與延遲光纖5之間可採用跳線連接或者熔接；延遲光纖5與法拉第旋光器6之間可採用跳線連接或者熔接。所述的法拉第旋光器6中旋光角度為45°。相位調製器4或者集成光學相位調製器11採用方波或者正弦波調製。信號處理電路13在檢測方案上可以採取開環檢測或者閉環檢測方式，採用數字閉環信號檢測技術，動態範圍大，頻響特性好。本發明光纖水聽器的基本原理為首先由寬譜光源I發出的光通過分路器2後，由起偏器3起偏成線偏光，然後通過45°熔點形成正交的兩束光，該兩束正交的偏振光在相位調製器4進行分別調製，通過延遲光纖5後在法拉第旋光器6中旋轉45°，再經保偏耦合器7進入聲探頭8，由於聲探頭8採用保偏光纖，因此聲探頭8感應待測聲壓，保偏光纖受到調製，傳輸光的兩個模式之間產生相位變化，然後以90°進入互易補償光纖，補償由於聲探頭8保偏光纖雙折射產生的光程差，再通過保偏耦合器7返回法拉第旋光器6並旋轉45°，然後通過延遲光纖4，最後在起偏器3處發生幹涉。攜帶幹涉相位信息的光進入光電探測器10 (PIN光電探測器)後，由信號處理電路13檢測該幹涉信號從而獲得聲壓值輸出。同樣採用Y型集成光學相位調製器11 (Y波導)的光路可以達到相同的目的，其光路基本原理相同，只是寬譜光源I在Y波導處起偏分光並調製，在偏振分束/合束器(PBS)12處形成 正交模式的光，其後的傳感機理相同，最後在Y波導處形成幹涉。光電探測器在t時刻的輸出幹涉信號Id(t)的表達式為
權利要求
1.一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，包括光源、分路器、起偏器、相位調製器、延遲光纖、法拉第旋光器、保偏耦合器、聲探頭、補償光纖、以及光電探測器； 光源的尾纖同分路器的一個輸入端光纖熔接，光電探測器的尾纖與分路器的另一個輸入端光纖熔接；分路器的輸出端光纖同起偏器的輸入端光纖熔接；起偏器的輸出端保偏光纖與相位調製器的輸入端保偏光纖以45°熔接；相位調製器依次連接延遲光纖、法拉第旋光器和保偏稱合器；保偏稱合器的一個輸出端光纖與聲探頭的傳感光纖的輸入端熔接，保偏耦合器的另一個輸出端光纖與補償光纖的一端熔接，聲探頭的傳感光纖的輸出端與補償光纖的另一端以90°熔接；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幹涉光信號轉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，並且輸出，同時信號處理電路將該輸出信號施加到相位調製器上以實現相位調製。
2.根據權利要求I所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的起偏器和相位調製器，採用集成光學相位調製器替換，集成光學相位調製器的輸入端光纖直接與分路器的輸出端光纖熔接，集成光學相位調製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，偏振分束/合束器的輸出端光纖同延遲光纖的輸入端光纖熔接，集成光學相位調製器還接收信號處理電路提供的電信號以實現相位調製。
3.根據權利要求I或2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的光源是SLD光源、摻鉺光纖光源、或者LED光源。
4.根據權利要求I或2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的聲探頭的傳感光纖是保偏光纖。
5.根據權利要求I或2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的分路器為保偏光纖環形器、保偏耦合器、單模光纖環形器或者單模耦合器。
6.根據權利要求I所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的相位調製器與延遲光纖之間跳線連接或者熔接；所述的延遲光纖與法拉第旋光器之間跳線連接或者熔接。
7.根據權利要求I或2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的法拉第旋光器的旋光角度為45°。
8.根據權利要求2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的偏振分束/合束器為保偏耦合器。
9.根據權利要求I或2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的相位調製器或者集成光學相位調製器，採用方波或者正弦波調製相位。
10.根據權利要求I或2所述的一種具有準互易光路的光纖水聽器，其特徵在於，所述的光電探測器在t時刻的輸出幹涉信號Id(t)表達式為 = y0 + cos[4 (/ — r)—φηι (O + 成]} 其中，Itl為到達光電探測器的光強，Φπα)為相位調製器的調製相位或者為集成光學相位調製器的調製相位，為由於敏感聲壓造成的相位差，τ為光在延遲光纖中的渡越時間。
全文摘要
本發明公開了一種具有準互易光路的光纖水聽器，寬譜光源發出的光經分路器、起偏器起偏成線偏光，通過45°熔點形成正交的兩束光，經相位調製器分別調製後，通過延遲光纖經法拉第旋光器旋轉45°，經保偏耦合器進入聲探頭，經聲探頭的保偏光纖，以90°熔點進入互易補償光纖，經保偏耦合器返回法拉第旋光器旋轉45°，經延遲光纖最後在起偏器處兩個正交模式的偏振光發生幹涉。光電探測器接收包含聲壓信息的幹涉光信號，並將其轉換為電信號提供給信號處理電路，信號處理電路檢測電信號獲取聲壓信號作為輸出，同時將該輸出信號施加給相位調製器以實現相位調製。本發明方法抑制了光路中偏振態隨機波動，有效測量由於聲壓造成的相位信號。
文檔編號G01H9/00GK102721460SQ201210173118
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者於佳, 馮秀娟, 張晞, 李傳生, 李彥, 李立京, 王夏霄, 鄔戰軍 申請人:北京航空航天大學