一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调方法

摘要

一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调方法，光纤水听器时分复用阵列包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光纤延时环、第二耦合器、第一环形器、第二环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、参考探头和水听器传感阵列；传感阵列采用并联结构，脉冲光通过延时环分时进入阵列的各个探头，产生传感光信号；参考探头用于产生参考光信号；传感光信号与参考光信号经光电探测器采集后变为模拟电信号，通过信号解调模块分别对其进行模数转换，并由反正切的算法，解算出传感阵列感知的水声信号。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤水听器领域，特别是一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调方法。

背景技术

光纤水听器是现代声纳发展的一个重要方向，它是通过相位载波的方法将水中的声信号转换为干涉光的相位信号，通过解调算法得到光的相位信息，从而获得水声信息。按照解调方案划分为有源零差法、3×3耦合器法、PGC法及外差法。信号解调方案的选择及实现方法不仅关系到检测灵敏度、动态范围等对于光纤水听器来说十分重要的指标因数，更决定着阵列所采用的光路结构。

有源零差法在光纤水听器系统的“湿端”增加有源器件，当环境噪声使传感器电路超出其动态范围时，需要复位，而引入了附加噪声；3×3耦合器法无需载波但其信号在低频段，受干扰较严重；目前制造的3×3耦合器性能对温度和偏振态非常敏感，存在长期稳定性问题，不利于阵列的实用化；PGC法分为内调制与外调制，由于外调制在光纤水听器系统的“湿端”增加了有源器件，一般采用内调制PGC法即调制激光器的方案，其光学结构简单，载波频率较高，避免低频干扰。但受光源稳定性的限制，内调制PGC方法不可能将调制频率做得很高，这就导致在检测高频、大幅度信号时出现频率混叠问题。

外差干涉式光纤水听器的时分复用阵列一般采用“串联”结构，即每一个探头的传感部分又是下一个探头的延时部分，串联结构使用的光学器件较少，阵列光路结构简洁，但是若阵列中的某个探头损毁会导致整个阵列不能工作；阵列中的每个探头形式不同不利于控制探头的一致性；探头既是传感部分又是下一个探头的延时部分，这样传感部分感知的信号为后面的探头带来了串扰，将会影响时分复用阵列的性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：

为了解决光纤水听器高频检测、“湿端”全光化、光纤水听器探头一致性及光纤水听器时分复用阵列串扰问题，本发明提供一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调算法。

本发明的技术解决方案是：

一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列，包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光纤延时环、第二耦合器、第一环形器、第二环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、参考探头和水听器传感阵列；

窄线宽激光器出射的连续激光通过第一耦合器分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器和第二声光调制器，被调制成频率不同的脉冲激光；第一声光调制器输出的脉冲激光经过第一光纤延时环进行延时后输入到第二耦合器，第二声光调制器输出的脉冲激光直接输入到第二耦合器，第二耦合器将两束输入脉冲激光进行耦合后再分为两束，将输出的一束脉冲激光经过第一环形器进入水听器传感阵列，由光纤水听器传感阵列反射回的传感光信号经第一环形器到达第一光电探测器，第一光电探测器将输出的电信号送入信号解调模块；第二耦合器输出的另一束脉冲激光经过第二环形器进入参考探头，参考探头产生的参考光信号经过第二环形器进入第二光电探测器，第二光电探测器将输出的电信号送入信号解调模块，信号解调模块根据接收到的两路电信号解调出水声信号。

脉冲激光经过所述的第一光纤延时环的时间大于等于脉冲激光的脉宽。

参考探头包括第三耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和第二光纤延时环；

进入参考探头的脉冲激光经过第三耦合器后分成两路，一路脉冲激光经过第一法拉第旋转镜反射后回到第三耦合器中，另一路脉冲激光经过第二光纤延时环后，再通过第二法拉第旋转镜进行反射，之后经过第二光纤延时环进入第三耦合器中，第三耦合器将收到的两路反射信号进行耦合，输出参考光信号到第二环形器。

在第三耦合器处耦合的两路反射信号的光程差与第一光纤延时环的长度相同。

所述水听器传感阵列包括多组传感探头、多个第三光纤延时环和多个第四耦合器；每个传感探头均包括第五耦合器、第三法拉第旋转镜、第四法拉第旋转镜和第四光纤延时环；

第一环形器输出的脉冲激光经过第一个第四耦合器分成两束，一束进入第一个传感探头，另一束通过第一个第三光纤延时环进入第二个第四耦合器，经过第二个第四耦合器之后分成两束，一束进入第二个传感探头，另一束通过第二个第三光纤延时环进入第三个第四耦合器，依此类推，直到所有的传感探头均有脉冲激光进入；

进入到每一个传感探头的脉冲激光经过第五耦合器后分成两路，一路脉冲激光经过第三法拉第旋转镜反射后回到第五耦合器中，另一路脉冲激光经过第四光纤延时环后，再通过第四法拉第旋转镜进行反射，之后经过第四光纤延时环进入第五耦合器中，第五耦合器将收到的两路反射信号进行耦合，输出传感光信号，每个传感探头输出的传感光信号分时送入第一环形器中。

进入到每个传感探头的脉冲激光的光强相同。

在第五耦合器处耦合的两路反射信号的光程差、第三光纤延时环的长度以及第一光纤延时环的长度相同。

所述参考探头的外部设有隔音、隔振的封装。

所述传感探头的外部设有增敏的封装，用于拾取水声信号。

一种基于外差干涉式光纤水听器时分复用阵列实现的解调方法，步骤如下：

(1)窄线宽激光器出射的频率为f₀的连续激光通过第一耦合器分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器和第二声光调制器，被调制成频率为f₀+f₁和频率为f₀+f₂的脉冲激光；

(2)第一声光调制器输出的频率为f₀+f₁脉冲激光经过第一光纤延时环进行延时后输入到第二耦合器，第二声光调制器输出的频率为f₀+f₂脉冲激光直接输入到第二耦合器，第二耦合器将两束输入脉冲激光进行耦合后再分为两束；

(3)第二耦合器输出的一束脉冲激光经过第一环形器进入水听器传感阵列的各个传感探头中，由各个传感探头反射回的传感光信号分时到达第一环形器，经第一环形器之后送入第一光电探测器，第一光电探测器将输出的电信号送入信号解调模块；

第一光电探测器输出的电信号为：

其中，Y_sn为第n个传感探头所对应的第一光电探测器输出的电信号，Δf＝f₁-f₂为外差拍频信号的频率差，C_n为第n个传感探头的直流分量，D_n为第n个传感探头的交流项幅值，t为时间；表示第n个水听器的初相位；表示第n个水听器探头检测到的外界水声信号；

(4)第二耦合器输出的另一束脉冲激光经过第二环形器进入参考探头，参考探头产生的参考光信号经过第二环形器进入第二光电探测器，第二光电探测器将输出的电信号送入信号解调模块；

第二光电探测器输出的电信号为：

其中，A为参考信号的直流分量，B为参考信号的交流项幅值，表示参考探头干涉信号的初相位；

(5)信号解调模块根据接收到的两路电信号解调出水声信号：

(5.1)对步骤(4)中的第二光电探测器输出的电信号Y_r进行A/D变换，转换成数字信号，经带通滤波器滤除直流分量，得到参考信号：

对上式进行移相90°，得到其正交参考信号：

(5.2)对第一光电探测器输出的电信号Y_sn进行A/D变换，转换成数字信号，经带通滤波器滤除直流分量，得到传感信号：

(5.3)将y_sn与(5.1)中的两式分别相乘，并进行低通滤波得到：

(5.4)将(5.3)中两式相除，得到正切信号：

(5.5)将(5.4)中y_tan经反正切，得到相位信号：

(5.6)对相位信号进行高通滤波，滤除水听器传感阵列第n个传感探头的初相位和参考探头信号的初相位得到第n个探头拾取水声信号

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)外差干涉式光纤水听器通过控制声光调制器的移频频率可以设置较高的载波频率，远离低频区域的干扰，具有较大的动态范围可以检测高频声信号；

(2)通过控制第一光纤延时环、第三光纤延时环和第四光纤延时环的长度，使得产生载波信号的两个不同频率的脉冲光所经过的光程相同，两束光为等臂干涉，可以降低激光器相位噪声的影响。

(3)时分复用阵列中的每一个传感探头都是由无源光学器件组成，即由第三耦合器、第三法拉第旋转镜、第四法拉第旋转镜和第四光纤延时环组成，实现水听器湿端全光化。每一个探头采用同样的设计及增敏封装，可以控制探头的一致性。

(4)通过控制第三光纤延时环的长度，脉冲光分时进入传感探头，第三光纤延时环不敏感声信号，不会带入串扰；且每个探头的敏感部分在各自探头内拾取水声信号后直接输入到第二光电探测器，并未向下一级传感探头传输，此设计降低了探头间串扰。

附图说明

图1为本发明中外差干涉式光纤水听器时分复用阵列光路结构图；

图2为本发明中信号处理流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调算法，如图1所示，光纤水听器时分复用阵列包括：窄线宽激光器1、第一耦合器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、第一光纤延时环5、第二耦合器6、第一环形器7、第二环形器8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、参考探头11和水听器传感阵列12；传感阵列12采用并联结构，脉冲光通过第三光纤延时环分时进入阵列的各个传感探头17，产生传感光信号；参考探头11用于产生参考光信号；传感光信号与参考光信号经光电探测器采集后变为模拟电信号，通过信号解调模块分22别对其进行模数转换，并由反正切的算法，解算出传感阵列感知的水声信号。

窄线宽激光器1出射的连续激光通过第一耦合器2分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器3和第二声光调制器4，被调制成频率不同的脉冲激光；第一声光调制器3输出的脉冲激光经过第一光纤延时环5进行延时后输入到第二耦合器6，第二声光调制器4输出的脉冲激光直接输入到第二耦合器6，第二耦合器6将两束输入脉冲激光进行耦合后，脉冲激光经过所述的第一光纤延时环5的时间大于等于脉冲激光的脉宽。这样在第二耦合器6处两个脉冲光不发生干涉，形成具有固定时序的脉冲序列。

第二耦合器6将输出的一束脉冲光序列经过第一环形器7进入水听器传感阵列12，由光纤水听器传感阵列反射回的传感光信号经第一环形器7到达第一光电探测器9，第一光电探测器9将输出的电信号送入信号解调模块22；第二耦合器6输出的另一束脉冲光序列经过第二环形器8进入参考探头11，参考探头产生与传感信号同频的参考光信号用于水声信号的解调。参考探头11产生的参考光信号经过第二环形器8进入第二光电探测器10，第二光电探测器10将输出的电信号送入信号解调模块22，信号解调模块22根据接收到的两路电信号解调出水声信号。

参考探头11包括第三耦合器13、第一法拉第旋转镜14、第二法拉第旋转镜15和第二光纤延时环16；

进入参考探头11的脉冲激光经过第三耦合器13后分成两路，一路脉冲激光经过第一法拉第旋转镜14反射后回到第三耦合器13中，另一路脉冲激光经过第二光纤延时环16后，再通过第二法拉第旋转镜15进行反射，之后经过第二光纤延时环16进入第三耦合器13中，第三耦合器13将收到的两路反射信号进行耦合，输出参考光信号到第二环形器8。在参考探头内使用法拉第旋转镜抑制传感光信号的偏振衰落。

在第三耦合器13处耦合的两路反射信号的光程差与第一光纤延时环5的长度相同。这样由第一声光调制器3输出的脉冲光经过第一法拉第旋转镜14反射后与第二声光调制器4输出的脉冲光经过第二法拉第旋转镜15反射后所经历的光程的长度相同，两个不同频率的脉冲光，在第三耦合器13处发生拍频，作为参考光信号。参考探头11外部设有隔音、隔振封装，隔绝外部声音和振动对参考光信号相位信息的影响。

所述水听器传感阵列12包括多组传感探头17、多个第三光纤延时环18和多个第四耦合器19；每个传感探头17均包括第五耦合器20、第三法拉第旋转镜21、第四法拉第旋转镜22和第四光纤延时环23；由上述部分组成的水听器传感阵列12具有在湿端无源、全光化特点。

第一环形器7输出的脉冲激光经过第一个第四耦合器19分成两束，一束进入第一个传感探头17，另一束通过第一个第三光纤延时环18进入第二个第四耦合器19，经过第二个第四耦合器19之后分成两束，一束进入第二个传感探头17，另一束通过第二个第三光纤延时环18进入第三个第四耦合器19，依此类推，直到所有的传感探头17均有脉冲激光进入；脉冲激光通过第三光纤延时环18分时依次进入传感探头17；第四耦合器19的分光比例与传感探头的个数有关，使得进入每个传感探头的光功率相同；

进入到每一个传感探头17的脉冲激光经过第五耦合器20后分成两路，一路脉冲激光经过第三法拉第旋转镜21反射后回到第五耦合器20中，另一路脉冲激光经过第四光纤延时环23后，再通过第四法拉第旋转镜22进行反射，之后经过第四光纤延时环23进入第五耦合器20中，第五耦合器20将收到的两路反射信号进行耦合，输出传感光信号，每个传感探头17输出的传感光信号分时送入第一环形器7中。

传感探头中的法拉第旋转镜用于抑制偏振衰落，在第五耦合器处耦合的两路反射信号的光程差与第一光纤延时环5的长度相同，这样由第一声光调制器3输出的脉冲光经过第一法拉第旋转镜21反射后与第二声光调制器4输出的脉冲光经过第二法拉第旋转镜22反射后所经历的光程的长度相同，两个不同频率的脉冲光，在第三耦合器20处发生拍频，作为传感光信号。两个脉冲光的拍频是等臂干涉，可以降低激光器的相位噪声；每个传感探头17产生传感光信号之间的时间间隔与第三光纤延时环18的长度有关；第三光纤延时环18的长度与第一光纤延时环的长度相同，这样保证每个传感探头的传感信号不会相互干扰，且每个传感探头的敏感部分在各自探头内拾取水声信号后直接输入到第二光电探测器，并未向下一级传感探头传输，降低了探头间串扰。所述传感探头17的外部设有增敏封装，用于拾取水声信号。

如图2所示，基于上述水听器阵列，本发明还提出一种基于外差干涉式光纤水听器时分复用阵列实现的解调方法，步骤如下：

1、窄线宽激光器1出射的频率为f₀的连续激光通过第一耦合器2分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器3和第二声光调制器4，被调制成频率为f₀+f₁和频率为f₀+f₂的脉冲激光；

2、第一声光调制器3输出的频率为f₀+f₁脉冲激光经过第一光纤延时环5进行延时后输入到第二耦合器6，第二声光调制器4输出的频率为f₀+f₂脉冲激光直接输入到第二耦合器6，第二耦合器6将两束输入脉冲激光进行耦合后再分为两束；

3第二耦合器6输出的一束脉冲激光经过第一环形器7进入水听器传感阵列12的各个传感探头17中，由各个传感探头17反射回的传感光信号分时到达第一环形器7，经第一环形器7之后送入第一光电探测器9，第一光电探测器9将输出的电信号送入信号解调模块22；

第一光电探测器9输出的电信号为：

其中，Y_sn为第n个传感探头17所对应的第一光电探测器9输出的电信号，Δf＝f₁-f₂为外差拍频信号的频率差，由声光调制器的移频频率决定，通过设置移频频率的置达到较高的载波频率，可以检测高频的声信号，C_n为第n个传感探头的直流分量，D_n为第n个传感探头的交流项幅值，t为时间；表示第n个水听器的初相位，与第n个水听器所处的环境有关，是一个低频的慢变量；表示第n个水听器探头检测到的外界水声信号；

4、第二耦合器6输出的另一束脉冲激光经过第二环形器8进入参考探头11，参考探头11产生的参考光信号经过第二环形器8进入第二光电探测器10，第二光电探测器10将输出的电信号送入信号解调模块22；

第二光电探测器10输出的电信号为：

其中，A为参考信号的直流分量，B为参考信号的交流项幅值，表示参考探头11干涉信号的初相位；

5、信号解调模块22根据接收到的两路电信号解调出水声信号：

5.1、对步骤4中的第二光电探测器10输出的电信号Y_r进行A/D变换，转换成数字信号，经带通滤波器滤除直流分量，得到参考信号：

对上式进行移相90°，得到其正交参考信号：

5.2、对第一光电探测器9输出的电信号Y_sn进行A/D变换，转换成数字信号，经带通滤波器滤除直流分量，得到传感信号：

5.3、将y_sn与5.1中的两式分别相乘，并进行低通滤波得到：

5.4、将5.3中两式相除，得到正切信号：

5.5、将5.4中y_tan经反正切，得到相位信号：

5.6、由于水听器传感阵列12第n个传感探头17的初相位和参考探头11信号的初相位为低频慢变量，通过对相位信号进行高通滤波，得到第n个探头拾取水声信号

以8阵元为例描述外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调算法的实现：

第一声光调制器的移频频率为200MHz，第二声光调制器的移频频率为199.94MHz；载波频率为60kHz，脉冲频率为360kHz，脉冲宽度为120ns；第一光纤延时环5的长度为30米，脉冲光经过第一延时光纤的时间为145ns大于脉冲的宽度，第一声光调制器出射的脉冲光与第二声光调制器出射的脉冲光在第二耦合器6处不发生干涉，形成有145ns间隔的一对脉冲光。

针对8阵元时分复用阵列，由8个第四耦合器、7个第三光纤延时环和8个传感探头组成，探头间为并联结构；其中，第三光纤延时环的长度为30米，这样既能保证脉冲光分时进入各个传感探头，又使得探头间的传感光信号不相互干扰；第四耦合器的分光比分别为1/8、1/7、1/6、1/5、1/4、1/3、1/2和1/1，这样保证进入每个传感探头的光功率相同。

在每个传感探头内光信号由第五耦合器到第三法拉第旋转镜的距离与光信号由第五耦合器经第四光纤延时环到第四法拉第旋转镜的距离差为15米，这样设计可以保证由第一声光调制器输出的脉冲光经过第三法拉第旋转镜反射后与第二声光调制器输出的脉冲光经过第四法拉第旋转镜反射后所经历的光程的长度相同，两个不同频率的脉冲光，在第五耦合器处发生拍频，作为传感光信号。

针对参考探头光信号由第三耦合器到第一法拉第旋转镜的距离与光信号由第三耦合器经第二光纤延时环到第四法拉第旋转镜的距离差为15米，这样设计可以保证由第一声光调制器输出的脉冲光经过第一法拉第旋转镜反射后与第二声光调制器输出的脉冲光经过第二法拉第旋转镜反射后所经历的光程的长度相同，两个不同频率的脉冲光，在第三耦合器处发生拍频，作为参考光信号。

实施例：

传感光信号与参考光信号经第一光电探测器与第二光电探测器后进入数字解调模块，数字解调模块由高速数字处理器组成，以FPGA与DSP为例，FPGA进行传感信号与参考信号的预处理，即信号的选取、带通滤波、相乘和低通滤波；信号选取通过60kHz的脉冲信号触发实现。通过带通滤波器获得频率为60kHz参考信号y_r及每一路的传感信号y_sn，使用通带为50kHz～70kHz的500阶FIR滤波器；正交参考信号y_sr通过对参考信号进行希尔伯特变换得到；传感信号分别与参考信号和正交参考信号相乘，低通滤波为了去除信号相乘之后的高频量，得到y_sn*y_r和y_snr*y_r，使用阻带为10kHz，通带为5kHz的200阶FIR低通滤波器；在DSP内部进行y_sn*y_r和y_snr*y_r两路信号的相除、反正切运算和高通滤波。相除和反正切运算通过DSP自带的反正切函数实现，函数的计算精度是双精度浮点；高通滤波是为了滤除中低频慢变量和使用阻带为0.1Hz，通带为10Hz的1500阶FIR高通滤波器。通过上述高速数字系统处理传感信号与参考信号后得到水声信号