同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構成方法
2024-03-25 01:23:05
專利名稱：同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構成方法
技術領域：
本發明涉及光纖水聽器陣列技術領域，特別涉及一種同分光比自平衡型光纖水聽器時分 復用陣列光路構成方法。
背景技術：
在全光纖線列陣聲納中，光纖水聽器陣列復用光路是非常重要的組成部分。陣列復用光 路主要包括時分復用和波分復用兩大關鍵技術，其中時分技術的光功率平衡性、損耗特性、 時延精確性、可拓展性等關鍵性能一直為各研究單位所關注。以往傳統的光纖傳感的時分復 用的光路結構， 一般以兩種方法為主-一是全部採用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，其中的數字代表延遲線圈串連個數， H代表水聽器。在所有水聽器前將光按比例分好，每個水聽器分配到的比例只能是l/2n，由 於光纖水聽器以一定的間距呈直線分布，在成陣時需要將耦合器尾纖延長至每個水聽器，水 聽器尾纖可達幾十米，對於成陣及其不便，因此很少有研究單位採用這種方式。第二種方法 是採用若干個不同分光比的光纖耦合器組成，經過分光比的設計，使每個耦合器下載一路光 給其後的光纖水聽器，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 個耦合器的分光比都是不同的。雷射每經過一個耦合器就會分一小部分光給其相應的水聽器， 其餘光繼續向後行走輸入到下一個耦合器，經過耦合器多級的級聯實現每個水聽器的光輸入， 光輸出是自後向前通過逐級的合光耦合器耦合到輸出端。目前這種方式應用比較廣泛，但這 種方法有幾個缺點第一，每個水聽器經過的耦合器和熔接點數目都不相同(越靠後的水聽 器越多)，因此耦合器附加損耗及熔接點損耗累加在一起會對每個水聽器之間的功率平衡性造 成不利影響；第二，成陣過程中耦合器尾纖所引起的時延差具有累積性，越靠後的水聽器累 積的時延越長，必須在延遲線圈上進行補償；第三，每個水聽器對應的耦合器分光比各不相 同，各耦合器間的之間沒有互換性，為工程應用帶來不便；第四，時分數擴展性不強，增加 或減少任意數量的時分數都必須重新設計分光比。本發明針對上述技術上的缺點，發明了全 新的光路拓撲結構，彌補了以上所述的不足之處。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種適合於具體地說，本發明提出了一種同分光比自 平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構成方法，所有用於光纖水聽器時分復用陣列的光纖耦
3合器都具有相同的分光比。
為解決以上技術問題，本發明是提出以下技術方案實現的這種同分光比自平衡型光纖 水聽器時分復用陣列光路構成方法，用光纖耦合器和光纖延遲線構成n路時分復用光路時， 採用相同分光比的光纖耦合器組成陣列光路，將輸入幹路的光纖耦合器正向排列，輸出幹路 的光纖耦合器反向排列，使每個水聽器所經過的耦合器完全相同，每隻水聽器所經歷的分光 比完全相同。無論光纖耦合器分光比如何，由耦合器帶來的附加損耗和分光比誤差對每個水 聽器造成的影響是一樣的，由這些耦合器製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， 即小分光比臂連結，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。
通過計算得到其每個脈衝的損耗最小值所對應的耦合器分光比，利用該分光比製作光纖 耦合器。
當需要擴展水聽器通道時，在其中插入分光耦合器CFk和合光耦合器CHk+l，就可以實現， 可擴展性非常好。發明所設計的時分復用光路有能力拓展到從2時分一直到48時分的任意整 數時分數。
本發明能帶來以下有益效果採用了完全相同的耦合器組成光纖水聽器時分復用光路， 將輸入幹路的耦合器正向排列，輸出幹路的耦合器反向排列，使每個水聽器所經過的耦合器 完全相同，從而獲得高性能的時分復用陣列，提高陣列的功率平衡性、時延準確性、互換性 和可擴展性。
圖1是傳統的平衡型8時分光路拓撲結構圖2是傳統的非平衡型8時分光路拓撲結構圖3是本發明的自平衡型8時分光路的拓撲結構圖4是計算得到的8時分復用光路耦合器分光比與損耗值之間的關係曲線圖； 圖5是8時分復用光路的輸出脈衝圖；圖6是8時分復用光路的l弁 6井光組件裝配圖； 圖7是8時分復用光路的7#光組件裝配圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例和附圖對本發明做進一步的描述
以8時分光路為例說明本發明的具體內容，8時分光路拓撲結構如圖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，每個耦合器的分光比均相同，如需要擴展時分數，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幹路，下面一排耦合器定義為輸出幹路。輸入幹 路耦合器l分光後，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；輸入幹路耦合器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勢在於 一、每個水聽器所經歷的耦合器均為9隻，因此由耦合器帶 來的附加損耗對每個水聽器造成的影響是一樣的；二、除去延遲線以外，每個水聽器所走過 光程是一樣的，這樣在實際製作過程中，只要精確控制延遲線圈本身的長度即可，不需要考 慮尾纖長度帶來的影響，為工程應用帶來方便；三、光路中各個耦合器完全相同，耦合器的 分光比完全一致，為工程應用帶來了相當大的便利；四、從圖中可知，當需要擴展水聽器通 道時，只需要在其中插入耦合器就可以實現，可擴展性非常好。
在上述拓撲結構的基礎上，還需要對各路的功率損耗值進行計算，以確定耦合器的最佳 分光比。水聽器Hl所經歷的耦合器為9個耦合器，設耦合器分光比為T:(l-T)， T為小分光 比一臂，設輸入光的光功率為lmW，可知水聽器孤(1^=1，2,3，...，8)經過耦合器的分光合光所 造成的衰減值為
Pk二10Xlog10 (T2X(1-T)7) (1) 從拓撲結構圖這裡的T值可以任意取值，無論取何值都可以達到各路水聽器功率相等，但陣 列要求每一路光的損耗值儘量達到最小，因此在這個前提下我們對公式1進行求解，最終得 到分光比與損耗值的關係曲線如圖4所示，從曲線中可以看出，當耦合器分光比為22:78時， 其每一路的光損耗值達到最小，約20.7dB。我們為了驗證這個拓撲結構理論設計的正確性， 採用該分光比的耦合器製作了 8時分光路，所得到的8個光脈衝值(分別代表八路水聽器) 如圖5所示，每個脈衝對應一個通道，脈衝間隔為500ns,重複周期為5ps。從圖中可以看出 脈衝間的功率不均勻度小於0.7dB，遠遠優於其他方案得到的功率不平衡性基本在2dB左右。
本方案對於其他時分數仍然適用，僅僅需要改變耦合器的數量就可以輕鬆實現n路高性 能時分復用光路，本說明書仍以8時分陣列為基礎說明擴展到n路(n=2、 3…48)時分復用 陣列的方法。在8時分光路的基礎上，在光路中間插入n-8對完全相同的耦合器，既可以擴
5展到n路時分復用陣列，這裡n-8如果是負數就相應減掉I n-81對耦合器。這種方法可能會對 光路的整體損耗有所影響，如果需要調整損耗使之達到最優化，則可以改變構成陣列光路的 耦合器的分光比，耦合器的分光比計算方法如下 首先給出n時分陣列的每路損耗值計算公式
Pk=10Xlogl0 (T2x(l-T廣1) n=l,2,3,...,48 (2)
其中k為任意水聽器號，由於每個水聽器損耗值都一樣，因此任取其一即可說明問題。對任 意確定的n值，都可以通過該公式繪製出損耗曲線，並求得其損耗的最小值，該最小值所對 應的T值就是我們所需要的構成n路時分服用光路的耦合器最佳分光比。 1、光組件製作
以8時分光路的發明方案為例，在方案中主要包括1X2熔融拉錐型光纖耦合器16隻、 100m延遲光纖巻7巻和光纖水聽器8隻。在具體的光路方案實施中，需要將兩隻耦合器和一 個延遲光纖巻組合成一個光組件，其具體的製作步驟如下
(1) 取一隻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 光纖松護套，用502膠將光纖與護套之間點住，將耦合器輸出端的分光比為22%—端套入綠 色光纖松套，用502膠將光纖與護套之間點住。將光纖耦合器的78X—端截斷至200mm，套 入光纖熱縮套管，延遲光纖巻的一臂同樣截斷至200mm，將兩臂用光纖熔接機熔接在一起， 並用光纖熱縮套管保護。將延遲線的另外一臂套入黑色光纖松護套，用502膠點住。(2) 取另外一隻1X2光纖耦合器(耦合器2)，將輸入端套入白色光纖松護套，分光比為 22%的輸出端套入藍色光纖松護套，分光比為78%的輸出端套入黃色松護套，兩端用502膠 點住。將處理好的耦合器數與(l)中所述的器件平行放在一起，與耦合器l的反方向放置，並 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的長方形塑料盒，內部用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，待膠幹後組件製作完畢。
(4) 重複上述操作，製作6隻相同的光組件，光組件的裝配示意圖如圖6所示，其中延 遲線長度為100m。
(5) 將第7隻光組件按如下方法添加耦合器,示意圖如圖7所示，其中延遲線長度為100m 按(l)、 (2)的方法製作一隻光組件，但不套入任何光纖松護套；
將延遲線的輸出端不加套管並截斷至200mm，與新取的1 X2耦合器輸入端(耦合器3) 熔接在一起，用熱縮套管保護熔接點，耦合器3分光比為22%的輸出端套入黑色套管作為輸 出端；
再取一隻耦合器(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，熔接點用光纖熱縮套管保護；
將耦合器4的輸入端套粉色光纖松護套，分光比為22%的輸出端套黃色松護套，耦合器 1的輸入端套入紅色松護套，耦合器1分光比為22%的一臂套入綠色松護套。耦合器2分光 比為78°/。的一臂套入白色松護套，耦合器2分光比為22%的一臂套入藍色松護套。
2、 陣列光路連結
(1) 將1弁光組件的紅色端熔入一根FC/PC的光纖跳線，並用光纖熱縮保護套管對熔接點 進行保護，該跳線通過法蘭盤與脈衝光源相連接。
(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、藍色兩端分別與水聽器的輸入輸出相熔接，熔接點用光 纖熱縮保護套管保護。
(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 用光纖熱縮保護套管保護。
(5) 將7弁組件的粉色端接入一根長跳線(FC/PC)，作為輸出端輸送到光電探測器，以法 蘭盤與光電探測器相連接。
3、 結果測試
將連續的寬帶光源輸入到聲光調製器，用周期4ps、脈衝寬帶400ns的調製單脈衝輸入到 聲光調製器調製接口，將連續光調製為周期4ns、脈衝寬帶400ns的脈衝雷射，脈衝雷射輸入 到上述8時分光路，輸出8個等時延的光脈衝，輸出端接入光電探測器，經過光電探測器轉 換變為電脈衝，用示波器顯示經過光電轉換過的電脈衝如圖5所示。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變換形成的技 術方案，均落在本成果要求的保護範圍。
權利要求
1、一種同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構成方法，其特徵在於用光纖耦合器和光纖延遲線構成n路時分復用光路時，採用相同分光比的光纖耦合器組成陣列光路，將輸入幹路的光纖耦合器正向排列，輸出幹路的光纖耦合器反向排列，使每個水聽器所經過的耦合器完全相同，每隻水聽器所經歷的分光比完全相同。
2、 根據權利要求1所述的同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構成方法，其特徵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 小分光比臂連結，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、 根據權利要求1所述的同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路 構成方法，其特徵是通過計算得到其每個脈衝的損耗最小值所對應的耦合器分 光比，利用該分光比製作光纖耦合器。
4、 如權利要求2所述的同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構 成方法，其特徵是當需要擴展水聽器通道時，在其中插入分光耦合器CFk和合 光耦合器CHk+1。
全文摘要
本發明涉及一種同分光比自平衡型光纖水聽器時分復用陣列光路構成方法，用光纖耦合器和光纖延遲線構成n路時分復用光路時，採用相同分光比的光纖耦合器組成陣列光路，將輸入幹路的光纖耦合器正向排列，輸出幹路的光纖耦合器反向排列，使每個水聽器所經過的耦合器完全相同，每隻水聽器所經歷的分光比完全相同。無論光纖耦合器分光比如何，由耦合器帶來的附加損耗和分光比誤差對每個水聽器造成的影響是一樣的，由這些耦合器製成的光路具有極佳的功率平衡性。本發明有益的效果獲得高性能的時分復用陣列，提高陣列的功率平衡性、時延準確性、互換性和可擴展性。
文檔編號G01H9/00GK101509806SQ20091009647
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月10日 優先權日2009年3月10日
發明者李東明, 葛輝良 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所