光纖雷射水聽器信號解調系統的製作方法
2024-03-25 00:15:05 3
專利名稱:光纖雷射水聽器信號解調系統的製作方法
技術領域:
本發明屬於信號調製解調系統,更具體地說它是一種光纖雷射水聽器信號解調系統。它主要用於基於非平衡光纖幹涉儀的光纖雷射水聽器信號解調。
背景技術:
光纖雷射水聽器是最近發展起來的水聲傳感技術,由於其細小、靈敏度高和抗電磁幹擾的優勢,正受到廣泛的關注。光纖雷射水聽器的傳感元件為光纖雷射器,受水中聲壓作用時,雷射器的出射波長產生正比於外界聲壓大小的移動,只要檢測出波長的位移量就可以得出外界聲壓變化的大小,因此波長解調技術直接限制了整個系統的檢測精度,合理的設計波長移動解調方案至關重要。
幹涉測量是目前最靈敏的波長檢測技術,採用非平衡光纖幹涉儀,將光纖雷射器出射波長的位移轉換為幹涉相位的變化,由光電探測器得到攜帶相位變化信息的幹涉強度輸出,由於幹涉儀的輸出為餘弦信號,因此,如何從非線性的餘弦輸出中解調出正比於聲壓振幅的相位信息,需要設計解調算法和相應的幹涉儀結構。
目前發展出的基於3×3耦合器的對稱解調方案不需要載波調製和濾波處理,解調電路相對簡單且動態範圍不受濾波器和調製頻率的限制。見沈梁等幹涉型光纖水聽器調製解調方案研究,2001,半導體光電,Vol.22(2)。雷射從輸入端1通過單模光纖2傳輸至光纖2×2耦合器17的a端,b端空置,雷射經2×2耦合器c端和d端通過光纖傳輸至3×3耦合器3的a端和c端產生幹涉,其中b端空置,幹涉後的雷射通過3×3耦合器分成三路輸出,直接由光電探測器8接收,三個光電探測器的輸出信號經信號傳輸線9傳輸至解調運算處理系統10得出聲壓的大小(如圖3所示)。
然而,由於光纖的微彎、扭曲和環境溫度的變化可能導致參與幹涉的兩束光的偏振態的變化,使得輸出信號呈隨機消隱狀態,尤其當幹涉儀兩臂中光波的偏振態正交時,幹涉儀的輸出可見度為零,外界參量的信息將完全丟失。且3×3耦合器的分光比不能保持嚴格的對稱,非對稱的三路信號將使外界環境變化對解調輸出信號產生非線性的影響。
發明內容
本發明提出一種光纖雷射水聽器信號解調系統,基於Michelson(麥可遜)非平衡光纖幹涉儀,高解析度、高穩定性地解調出聲壓信號,並消除普通單模光纖幹涉儀中偏振態隨機變化對幹涉解調信號的影響。
本發明的目的是通過如下措施來達到的光纖雷射水聽器信號解調系統,其特徵在於光纖雷射水聽器輸出的雷射從輸入端通過單模光纖傳輸至光纖3×3耦合器的b端,雷射通過3×3耦合器分成三路輸出,其中e端空置,雷射由d端和f端分成兩路,其中一路雷射經單模光纖繞成的延遲線後由第一路法拉第旋轉反射鏡反射後沿原路徑返回至3×3耦合器的d端,另一路雷射經纏繞於壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈引入高頻調製後由第二路法拉第旋轉反射鏡反射後沿原路徑返回至3×3耦合器的f端,兩路雷射幹涉後的雷射信號由3×3耦合器的a端和c端輸出,a端和c端的雷射信號由光電探測器接收,兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號,經信號傳輸線傳輸至解調運算處理系統得出聲壓的大小。
在上述技術方案中,所述解調運算處理系統使用光電探測器的兩路輸入信號解調出作用於光纖雷射水聽器的聲壓大小,V1(t)信號經第一路直流消除處理得V′1(t),V2(t)經第二路直流消除處理得V′2(t),V′2(t)的幅度調整至與V′1(t)的幅度相等,然後兩路信號相加得電壓U+(t)、相減得電壓U-(t),U+(t)經微分處理器微分後與U-(t)相乘,U-(t)經微分處理器微分後與U+(t)相乘,交叉微分相乘的兩路信號相減後得出與聲壓大小的微分成正比的電壓N,U+(t)經過增益調整處理後和U-(t)分別通過平方乘法器,相加得到與雷射功率和相干可見度有關的AGC電壓,N和AGC電壓相除得出不受雷射功率影響的信號,經積分處理器積分後得到和聲壓成正比的電壓輸出。
本發明採用的光纖幹涉儀為基於3×3耦合器的Michelson幹涉儀,並在幹涉儀中引入高頻調製,幹涉儀的兩路輸出可見度穩定,沒有偏振引起的信號衰減。本系統採用的解調算法在3×3耦合器分光比不完全對稱的情況下,不用複雜的係數調整過程即能得到穩定的輸出,具有較好的實用價值。
圖1是光纖雷射水聽器信號解調裝置非平衡光纖Michelson幹涉儀結構示意圖。
圖2是光纖雷射水聽器信號解調裝置幹涉解調運算處理方案框圖。
圖3是光纖雷射水聽器基於3×3耦合器的對稱解調方案非平衡光纖Mach-Zehnder幹涉儀結構示意圖。
圖中1.雷射輸入端,2.單模光纖,3.3×3耦合器,4.纏繞於壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈,5.壓電陶瓷圓柱驅動電路,6.第一路法拉第旋轉反射鏡,7.第二路法拉第旋轉反射鏡,8.光電探測器,9.信號傳輸線,10.解調運算處理系統,11.第一路直流消除處理,12.第二路直流消除處理,13.微分處理器,14.增益調整處理,15.平方乘法器,16.積分處理器,17.2×2耦合器。
具體實施例方式 下面結合附圖詳細說明本發明的實施情況,但它們並不構成對本發明的限定,僅作舉例而已。同時通過說明本發明的優點將變得更加清楚和容易理解。
參閱附圖可知本發明光纖雷射水聽器信號解調系統,光纖雷射水聽器輸出的雷射從輸入端1通過單模光纖2傳輸至光纖3×3耦合器3的b端,雷射通過3×3耦合器分成三路輸出,其中e端空置,雷射由d端和f端分成兩路,其中一路雷射經單模光纖2繞成的延遲線後由第一路法拉第旋轉反射鏡6反射後沿原路徑返回至3×3耦合器3的d端,另一路雷射經纏繞於壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈4引入高頻調製後由第二路法拉第旋轉反射鏡7反射後沿原路徑返回至3×3耦合器3的f端,兩路雷射幹涉後的雷射信號由3×3耦合器的a端和c端輸出,a端和c端的雷射信號由光電探測器8接收,兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號,經信號傳輸線9傳輸至解調運算處理系統10得出聲壓的大小(如圖1所示)。
解調運算處理系統10使用光電探測器(8)的兩路輸入信號解調出作用於光纖雷射水聽器的聲壓大小,V1(t)信號經第一路直流消除處理(11)得V′1(t),V2(t)經第二路直流消除處理(12)得V′2(t),V′2(t)的幅度調整至與V′1(t)的幅度相等,然後兩路信號相加得電壓U+(t)、相減得電壓U-(t),U+(t)經微分處理器(13)微分後與U-(t)相乘,U-(t)經微分處理器(13)微分後與U+(t)相乘,交叉微分相乘的兩路信號相減後得出與聲壓大小的微分成正比的電壓N,U+(t)經過增益調整處理(14)後和U-(t)分別通過平方乘法器(15),相加得到與雷射功率和相干可見度有關的AGC電壓,N和AGC電壓相除得出不受雷射功率影響的信號,經積分處理器(16)積分後得到和聲壓成正比的電壓輸出(如圖2所示)。
假設傳輸至3×3耦合器(3)b端的雷射復電場矢量為Ein,根據耦合模理論,3×3光纖耦合器的三個輸出端的電場(EO,1,EO,2和EO,3)為 式中Ei,1,Ei,2和Ei,3是3×3耦合器(3)的三個輸入端的雷射復電場矢量,其中Ei,1,Ei,3為零矢量,Ei,2=Ein,f=[exp(i2kcL)+2exp(-ikcL)]/3,c=[exp(i2kcL)-2exp(-ikcL)]/3,kc和L分別是3×3耦合器的耦合係數和耦合長度。假定耦合器是無反射的和互易性的,考慮到附加損耗,則3×3耦合器的瓊斯矩陣為 式中tN是3×3耦合器的傳輸係數,Nmn(m,n=a~f)代表雷射從m埠輸入,從n埠輸出時的瓊斯矩陣。
雷射單程通過法拉第旋轉鏡時,其偏振主軸旋轉45°,當雷射束被反射回來時,反射光束再次被旋轉45°,從而與入射光束正交,注意到雷射的偏振演變在返回時在x方向改變了符號,則雷射沿光纖經Faraday旋轉鏡和Michelson反射鏡又返回光纖的傳輸矩陣為 式中tT是光功率衰減因子。
光纖中的雙折射可以用一個廣義的橢圓延遲片模擬,當雷射束通過光纖時,前向傳輸的瓊斯矩陣可以表示為 式中*表示共軛,αs為光纖的損耗,參數as和bs與光纖的雙折射特性有關。如果雷射束返回,則後向傳輸的瓊斯矩陣為 幹涉儀的工作可以用各部分矩陣的乘積描述,幹涉儀一臂的光纖傳輸矩陣分別由
和
表示,另一臂光纖的傳輸矩陣分別由
和
表示。假設雷射在兩臂光纖中單向傳輸的相位變化為φs/2、φL/2,損耗為αs、αL,則3×3耦合器三路輸出雷射的復電場矢量為 從上面等式可以看出三路幹涉信號的偏振態總是與輸入光束相同。因此本發明的幹涉儀沒有偏振引起的信號衰減。
對於分光比為1∶1∶1的理想3×3耦合器,cos(3kcL)=-1/2,可以導出三路幹涉輸出信號的強度
式中表示輸入雷射光強。從上式可以看出任意兩路輸出幹涉強度之間的相位差為120°。
從上面對本發明的評述可以看出光纖Michelson幹涉儀3×3耦合器任意兩路輸出幹涉強度之間的相位差為120°,而且光纖Michelson幹涉儀的三路輸出可見度穩定,沒有偏振引起的信號衰減。後續的解調運算就是利用相位相差120°的兩路信號解調出與正比於聲壓振幅的相位信息,解調方案如圖2所示。
分光比不完全對稱的3×3耦合器的輸出之間的相位差將偏離120°,且直流幅度和交流幅度也不一致,幹涉後的兩路雷射信號經光電探測器檢測後的電壓信號V1(t)、V2(t)簡記為 V1(t)=A1(t)+B1(t)cos[Ф(t)+Ccos(ω0t)] V2(t)=A2(t)+B2(t)cos[Ф(t)+Ccos(ω0t)-120°-δ] 式中
為外界環境引起的幹涉儀相位低頻漂移,
為波長移動引起的相位變化,相位變化正比於外界水聲壓力的大小,d為幹涉儀非平衡路徑的長度,Ccos(ω0t)為繞在壓電陶瓷圓柱上的單模光纖產生的相位調製,C為調製幅度,ω0為遠離水聲信號頻率的高頻調製頻率,A1(t)、A2(t)為探測器輸出的直流項,和雷射強度、光路損耗以及耦合器分光比有關。B1(t)、B2(t)為交流項的幅度,由於法拉第旋轉反射鏡的應用,此兩項與偏振態的變化無關,只與雷射強度、光路損耗、耦合器分光比以及雷射相干長度有關,δ為兩路輸出之間相位差偏離120°的小角度,可假定為常量。A1(t)、A2(t)、B1(t)和B2(t)受雷射強度的影響為緩變的時變量。
由於不位於同一條直線的兩個等模矢量相加之和與相減之差正交,可將V1(t)、V2(t)兩項消去直流分量後相加、相減,使用微分交叉相乘得出與
成比例的信號。解調的具體算法如圖2所示。
為了得到V1(t)、V2(t)的直流項和交流項幅度,令調製幅度C≥πrad,則無論Ф(t)的值如何,V1、V2的交流項在一個調製周期內都能達到最大值和最小值,可以得到 A1(t′)=(V1max+V1min)/2 B1(t′)=V1max-V1min 同理可得A2(t′)和B2(t′),在信號處理過程中,根據採樣頻率和調製周期的大小,得到一個調製周期的採樣點數N,每個採樣點的數據使用前N點的最大值和最小值進行計算,不足N點的初始階段使用默認值,A1(t)、A2(t)、B1(t)和B2(t)為緩變量,由於A1(t)、A2(t)、B1(t)和B2(t)為緩變的時變量。採用高頻調製,可以假設前一個周期的直流、交流幅度與後一個周期的直流、交流幅度相等。V1(t)消去直流項、V2消去直流項並乘以增益係數後簡記為 V′1(t)=B1(t)cos[Ф(t)+C cos(ω0t)] V′2(t)=B1(t)cos[Ф(t)+Ccos(ω0t)-120°-δ] 令ψ(t)=Ф(t)+Ccos(ω0t)兩項相加、相減得 U+(t)=B1(t){(1+cos(120°+δ))·cos(ψ(t))+sin(120°+δ)·sin(ψ(t))} U-(t)=B1(t){(1-cos(120°+δ))·cos(ψ(t))-sin(120°+δ)·sin(ψ(t))} 交叉微分相乘並相減得
為了消除B12(t)項幅值變化的影響,可利用正交的U+(t)和U-(t),平方相加得出B12(t)的值。
U+(t)通過增益調整處理(14)乘以係數使得其振幅與U-(t)相等,U+(t)和U-(t)的振幅同樣可通過一個調製周期內的最大值和最小值獲得。U+(t)的增益係數為
考慮到δ為小角度,增益係數也可以直接設為
調整振幅後的U+(t)與U-(t)平方相加得
N除以此項得
積分得輸出
經過帶通濾波器,濾除低頻漂移
和高頻調製信號Ccos(ω0t),得到與聲壓成正比的相位信息
本系統採用的解調算法在3×3耦合器分光比不完全對稱的情況下,不用複雜的係數調整過程即能得到穩定的輸出,引入的高頻調製信號可通過低通濾波濾除,不會影響傳感系統的動態範圍,但會限制系統的頻帶寬度,在選定信號處理頻帶寬度的水聲傳感實際應用中,適當選擇調製頻率,本解調算法能消除3×3耦合器分光比不完全對稱帶來的諸多影響,獲得整個頻帶內信號的穩定輸出,具有實用價值。
權利要求
1、光纖雷射水聽器信號解調系統,其特徵在於光纖雷射水聽器輸出的雷射從輸入端(1)通過單模光纖(2)傳輸至光纖3×3耦合器(3)的b端,雷射通過3×3耦合器分成三路輸出,其中e端空置,雷射由d端和f端分成兩路,其中一路雷射經單模光纖(2)繞成的延遲線後由第一路法拉第旋轉反射鏡(6)反射後沿原路徑返回至3×3耦合器(3)的d端,另一路雷射經纏繞於壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈(4)引入高頻調製後由第二路法拉第旋轉反射鏡(7)反射後沿原路徑返回至3×3耦合器(3)的f端,兩路雷射幹涉後的雷射信號由3×3耦合器的a端和c端輸出,a端和c端的雷射信號由光電探測器(8)接收,兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號,經信號傳輸線(9)傳輸至解調運算處理系統(10)得出聲壓的大小。
2、根據權利要求1所述的光纖雷射水聽器信號解調系統,其特徵是解調運算處理系統(10)使用光電探測器(8)的兩路輸入信號解調出作用於光纖雷射水聽器的聲壓大小,V1(t)信號經第一路直流消除處理(11)得V′1(t),V2(t)經第二路直流消除處理(12)得V′2(t),V′2(t)的幅度調整至與V′1(t)的幅度相等,然後兩路信號相加得電壓U+(t)、相減得電壓U-(t),U+(t)經微分處理器(13)微分後與U-(t)相乘,U-(t)經微分處理器(13)微分後與U+(t)相乘,交叉微分相乘的兩路信號相減後得出與聲壓大小的微分成正比的電壓N,U+(t)經過增益調整處理(14)後和U-(t)分別通過平方乘法器(15),相加得到與雷射功率和相干可見度有關的AGC電壓,N和AGC電壓相除得出不受雷射功率影響的信號,經積分處理器(16)積分後得到和聲壓成正比的電壓輸出。
全文摘要
光纖雷射水聽器信號解調系統,光纖雷射水聽器輸出的雷射從輸入端(1)通過單模光纖(2)傳輸至光纖3×3耦合器(3)的b端,雷射通過3×3耦合器分成三路輸出,其中e端空置,雷射由d端和f端分成兩路,兩路雷射幹涉後的雷射信號由3×3耦合器的a端和c端輸出,a端和c端的雷射信號由光電探測器(8)接收,兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號,經信號傳輸線(9)傳輸至解調運算處理系統(10)得出聲壓的大小。本發明光纖雷射水聽器信號解調系統,基於Michelson(麥可遜)非平衡光纖幹涉儀,高解析度、高穩定性地解調出聲壓信號,並消除普通單模光纖幹涉儀中偏振態隨機變化對幹涉解調信號的影響。
文檔編號G02F2/00GK101608946SQ20091006283
公開日2009年12月23日 申請日期2009年6月23日 優先權日2009年6月23日
發明者黃俊斌, 顧宏燦, 李日忠, 波 譚 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學