专利名称：一种采用反射式准互易光路的光纤水听器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及利用干涉光相位检测声压的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器。
背景技术：
声波是目前在海洋中能够远距离传输信息的最有效载体。在海洋中探测载有信号的声波所形成的声场的时空结构，是进行水下探测、识别、通讯及环境监测等的重要手段，它既可用于远距离军事目标探测，海底矿藏开发，鱼群探测，还可以用于海洋动力过程(内波、环流)的遥测和海洋、陆地地震波检测等。因此，先进的水声探测技术对于国民经济，国防建设和科学研究都有着重要意义。 光纤水听器是于七十年代末发展起来的一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它利用声波调制光纤中光波的强度、相位、偏振态或其它参量来进行声/光转换，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息，其灵敏度与传统压电水听器相比高三个数量级。光纤水听器集光纤传感器灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧、易于遥测和构成阵列等优越性于一体，是光纤传感技术研究的重要方向之一，也是新一代水声传感器的主要发展方向之一，它在军事领域的研究与应用受到了各国军方的高度重视。自从1977年美国海军实验室Bucaro等人发表了第一篇关于光纤水听器的论文以来，已经经过了三十年的研究与发展。特别是近年来，随着光纤通信及光电子技术的迅速发展，光纤传感技术日趋成熟，光纤水听器也由实验室研究走向工程应用，成为现代光纤传感技术发展的重要方向，也是水声传感技术的主要发展方向。光纤水听器按原理可分为强度型、干涉型、光栅型等。其中强度型光纤水听器的结构与信号检测相对简单，不存在干涉型光纤水听器中存在的信号相位波动及偏振态随机变化导致的信号衰落等问题，但是检测灵敏度不及干涉型，也不利于组成阵列结构，有较大的局限性，是早期光纤水声传感技术研究的主要内容。随着干涉型光纤水听器研究的兴起，其关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域己经形成产品，光纤水听器的研究热点已经从强度型转为干涉型。干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造，利用声场对光纤中光波的传输相位进行调制，经过光纤干涉仪，将这种相位调制检测并解调出来而实现声传感。能够实现干涉型光纤水听器的光纤干涉仪结构主要有四种，分别是Mach-Zehnder型干涉仪、Michelson型干涉仪、Fabry-Perot型干涉仪、Sagnac型干涉仪等。其中，Fabry-Perot型光纤水听器灵敏度非常高，但它的动态范围�。资芄饴匪鸷谋浠挠跋欤乇鹗切藕沤獾鞲丛樱皇视诟从眉际酰糜谒械难芯拷仙�。目前，被研究最多的是基于Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪的光纤水听器，也是技术最为成熟的干涉型光纤水听器。但这两种干涉仪存在固有的问题，比如由于两干涉臂很难保证长度一致，在有些应用中还会人为地加大两臂的光程差，这将会使双光路干涉仪中光源的相位噪声转换为强度噪声。此外，两束相干光的光路不同，两束光的偏振态会发生随机波动，很难保持一致，这将导致干涉信号的对比度降低，严重情况下对比度甚至为零。而基于Sagnac型干涉仪的光纤水听器虽然解决了偏振态随机波动的问题，但由于Sagnac型干涉仪为互易光路系统，对于低频信号存在固有的不敏感性，存在一定的局限。在未来军事领域应用的光纤水听器阵列将向着多节点，大监控范围的方向发展，每个阵列将包含几十甚至上百个节点，几百公里的监控范围。近年来各国对光纤水听器技术研究的重点集中到如何充分利用光纤传输损耗低，传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源，光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，这样既低了系统成本，又降低了维护上的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理可以极大的提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息，目前采用的阵列均基于以上传统的光纤水听器方案。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器阵列，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、声探头、补偿光纤、反射镜和光电探测器。光源的尾纤同分路器的一路输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤同起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同法拉第旋光器输入端熔接，法拉第旋光器输出端光纤与声探头传感光纤的输入端光纤熔接，声探头传感光纤的另一端光纤与补偿光纤以90°熔接，补偿光纤另一端连接反射镜，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。所述的光纤水听器还可以为将相位调制器替换成集成相位调制器，分路器的输出端光纤直接与集成相位调制器熔接，集成相位调制器同时还具有起偏功能，因此可以去掉起偏器，集成相位调制器的两个输出端保偏光纤分别与偏振分束/合束器的两个输入端保偏光纤熔接，然后偏振分束/合束器的输出端光纤再同延迟光纤的输入端光纤熔接，同时信号处理电路的一个输出端给集成相位调制器提供电信号从而实现相位调制。本发明的优点在于(I)本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，可以有效抑制光路中的偏振态随机波动，解决了传统水听器的偏振衰落问题。(2)本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，采用准互易光路方案，因此对环境干扰的免疫能力很强。(3)本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，采用反射式光路，信号来回两次经过声探头，检测声压信号为常规光纤传感器的两倍，有效提高了灵敏度。(4)本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，以光纤作为信息的传感与传输介质，不会被电磁干扰。
图I是本发明提出一种采用相位调制器构成反射式准互易光路的光纤水听器的结构示意图。图2是本发明提出一种采用集成相位调制器构成反射式准互易光路的光纤水听器的结构示意图。图中I、光源2、分路器3、起偏器
4、相位调制器5、延迟光纤6、法拉第旋光器7、声探头8、补偿光纤9、反射镜10、光电探测器11、集成相位调制器 12、偏振分束/合束器13、信号处理电路
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，如图I所示，具体包括光源I、分路器2、起偏器3、相位调制器4、延迟光纤5、法拉第旋光器6、声探头7、补偿光纤8、反射镜9和光电探测器10。光信号在分路器的输入端具有两路输入一路是光源I的尾纤同分路器2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器10的尾纤与分路器2的另一输入端光纤熔接在一起；分路器2的输出端光纤同起偏器3熔接，起偏器3的输出端保偏光纤与相位调制器4的输入端保偏光纤以45°熔接,相位调制器4的输出端光纤同延迟光纤5的输入端光纤熔接，延迟光纤5的输出端光纤同法拉第旋光器6输入端熔接,法拉第旋光器6输出端光纤与声探头7传感光纤的输入端光纤熔接，声探头7传感光纤的另一端光纤与补偿光纤8以90°熔接，补偿光纤8另一端连接反射镜9。光电探测器10的输出端与信号处理电路13相连接，光电探测器10将获取的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路13检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路13将该输出信号施加给相位调制器4从而实现相位调制。所述的光纤水听器阵列还可以为将相位调制器4替换为集成相位调制器，如图2所示，分路器2的输出端光纤直接与集成相位调制器11熔接，集成相位调制器同时还具有起偏功能，因此去掉起偏器，集成相位调制器11的两个输出端保偏光纤分别与偏振分束/合束器12的两个输入端保偏光纤熔接，然后偏振分束/合束器12的输出端光纤再同延迟光纤5的输入端光纤熔接。同时信号处理电路将检测到的声压值作为输出电信号施加给集成相位调制器11从而实现相位调制。光路的基本原理为首先由宽谱光源发出的光通过耦合器后，由起偏器起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，在相位调制器进行分别调制，通过延迟光纤后在法拉第旋光器旋转45°，进入声探头，由于声探头采用保偏光纤，因此声探头感应待测声压，保偏光纤受到调制，传输光的正交偏振两个模式之间产生相位变化，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于声探头保偏光纤双折射产生的光程差，并通过反射，二次经过声探头，敏感信号加倍，然后通过延迟光纤，最后在起偏器处与两个模式的光发生干涉。携带干涉相位信息的光返回光电探测器(PIN)后，由信号处理电路检测。同样采用Y型集成光学调制器(Y波导)的光路也可以达到相同的目的，其光路基本原理相同，只是宽谱光源在Y波导处起偏分光并调制，在偏振分束/合束器(PBS)处形成正交模式的光，其后的传感机理相同，最后在Y波导处形成干涉。光电探测 器获取干涉光信号Id⑴的表达式为ID{i ) = ·^-{[ + cos[(p/i:. ( -τ)- φη, (() + φ,]\其中Itl为到达探测器的光强，Φπω为相位调制器的调制相位，为由于敏感声压造成的相位差，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，t表示时间。所述的光源I可以为SLD光源、掺铒光纤光源或LED光源等宽谱光源。所述的声探头9的传感光纤采用保偏光纤。所述的分路器可以是保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或单模耦合器。所述的延迟光纤5与相位调制器4、法拉第旋光器6的连接可以是跳线连接、熔接方式。反射镜11可以采用在光纤端面镀膜或采用单独反射镜。法拉第旋光器8旋光角度为45°。相位调制器4和集成相位调制器11的调制方式可以采用方波调制、正弦波调制。
权利要求
1.一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、声探头、补偿光纤、反射镜和光电探测器。
光源的尾纤同分路器的一路输入端光纤熔接在一起，光电探测器的尾纤与分路器的另一输入端光纤熔接在一起；分路器的输出端光纤同起偏器熔接，起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，延迟光纤的输出端光纤同法拉第旋光器输入端熔接，法拉第旋光器输出端光纤与声探头传感光纤的输入端光纤熔接，声探头传感光纤的另一端光纤与补偿光纤以90°熔接，补偿光纤另一端连接反射镜，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路将输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。
2.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的光纤水听器中将相位调制器替换成集成相位调制器，分路器的输出端光纤直接与集成相位调制器熔接，集成相位调制器同时还具有起偏功能，因此去掉起偏器，集成相位调制器的两个输出端保偏光纤分别与偏振分束/合束器的两个输入端保偏光纤熔接，然后偏振分束/合束器的输出端光纤再同延迟光纤的输入端光纤熔接，同时信号处理电路的一个输出端给集成相位调制器提供电信号从而实现相位调制。
3.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的光源为SLD光源、掺铒光纤光源或LED光源。
4.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的声探头的传感光纤采用保偏光纤。
5.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的分路器为保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或单模耦合器。
6.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的延迟光纤与相位调制器、法拉第旋光器的连接方式为跳线连接或熔接方式。
7.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的反射镜采用在光纤端面镀膜或采用单独反射镜。
8.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的法拉第旋光器的旋光角度为45°。
9.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的相位调制器的调制方式采用方波调制或正弦波调制。
10.根据权利要求I所述的一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，其特征在于所述的光电探测器获取干涉光信号Id (t)的表达式为4(0 = γ 1 + cos[4 (t-τ)-φιη (O + φ&]} 其中Itl为到达探测器的光强，Φπω为相位调制器的调制相位，为由于敏感声压造成的相位差，τ为光在延迟光纤中的渡越时间，t表示时间。
全文摘要
本发明公开一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，属于光纤传感技术领域。该光纤水听器，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、声探头、补偿光纤、反射镜和光电探测器。本发明提出一种采用反射式准互易光路的光纤水听器，可以有效抑制光路中的偏振态随机波动，解决了传统水听器的偏振衰落问题，本发明采用准互易光路方案，因此对环境干扰的免疫能力很强。本发明还采用反射式光路，信号来回两次经过声探头，检测声压信号为常规光纤传感器的两倍，有效提高了灵敏度，且以光纤作为信息的传感与传输介质，不会被电磁干扰。
文档编号G01H9/00GK102721458SQ20121017206
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者于佳, 冯秀娟, 张晞, 李传生, 李彦, 李立京, 王夏霄, 邬战军 申请人:北京航空航天大学
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