一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及解調方法
【專利摘要】一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及解調方法，光纖水聽器時分復用陣列包括：窄線寬激光器、第一耦合器、第一聲光調制器、第二聲光調制器、第一光纖延時環、第二耦合器、第一環形器、第二環形器、第一光電探測器、第二光電探測器、參考探頭和水聽器傳感陣列；傳感陣列采用并聯結構，脈沖光通過延時環分時進入陣列的各個探頭，產生傳感光信號；參考探頭用于產生參考光信號；傳感光信號與參考光信號經光電探測器采集后變為模擬電信號，通過信號解調模塊分別對其進行模數轉換，并由反正切的算法，解算出傳感陣列感知的水聲信號。
【專利說明】
一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及解調方法
技術領域
[0001] 本發明涉及光纖水聽器領域，特別是一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及 解調方法。
【背景技術】
[0002] 光纖水聽器是現代聲納發展的一個重要方向，它是通過相位載波的方法將水中的 聲信號轉換為干涉光的相位信號，通過解調算法得到光的相位信息，從而獲得水聲信息。按 照解調方案劃分為有源零差法、3X3耦合器法、PGC法及外差法。信號解調方案的選擇及實 現方法不僅關系到檢測靈敏度、動態范圍等對于光纖水聽器來說十分重要的指標因數，更 決定著陣列所采用的光路結構。
[0003] 有源零差法在光纖水聽器系統的"濕端"增加有源器件，當環境噪聲使傳感器電路 超出其動態范圍時，需要復位，而引入了附加噪聲;3 X 3耦合器法無需載波但其信號在低頻 段，受干擾較嚴重；目前制造的3 X 3耦合器性能對溫度和偏振態非常敏感，存在長期穩定性 問題，不利于陣列的實用化;PGC法分為內調制與外調制，由于外調制在光纖水聽器系統的 "濕端"增加了有源器件，一般采用內調制PGC法即調制激光器的方案，其光學結構簡單，載 波頻率較高，避免低頻干擾。但受光源穩定性的限制，內調制PGC方法不可能將調制頻率做 得很高，這就導致在檢測高頻、大幅度信號時出現頻率混疊問題。
[0004] 外差干涉式光纖水聽器的時分復用陣列一般采用"串聯"結構，即每一個探頭的傳 感部分又是下一個探頭的延時部分，串聯結構使用的光學器件較少，陣列光路結構簡潔，但 是若陣列中的某個探頭損毀會導致整個陣列不能工作;陣列中的每個探頭形式不同不利于 控制探頭的一致性;探頭既是傳感部分又是下一個探頭的延時部分，這樣傳感部分感知的 信號為后面的探頭帶來了串擾，將會影響時分復用陣列的性能。
【發明內容】
[0005] 本發明解決的技術問題是：
[0006] 為了解決光纖水聽器高頻檢測、"濕端"全光化、光纖水聽器探頭一致性及光纖水 聽器時分復用陣列串擾問題，本發明提供一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及解調 算法。
[0007] 本發明的技術解決方案是：
[0008] -種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，包括：窄線寬激光器、第一耦合器、第 一聲光調制器、第二聲光調制器、第一光纖延時環、第二耦合器、第一環形器、第二環形器、 第一光電探測器、第二光電探測器、參考探頭和水聽器傳感陣列；
[0009] 窄線寬激光器出射的連續激光通過第一耦合器分為兩路，兩束激光分別進入第一 聲光調制器和第二聲光調制器，被調制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調制器輸出的脈 沖激光經過第一光纖延時環進行延時后輸入到第二耦合器，第二聲光調制器輸出的脈沖激 光直接輸入到第二親合器，第二親合器將兩束輸入脈沖激光進行親合后再分為兩束，將輸 出的一束脈沖激光經過第一環形器進入水聽器傳感陣列，由光纖水聽器傳感陣列反射回的 傳感光信號經第一環形器到達第一光電探測器，第一光電探測器將輸出的電信號送入信號 解調模塊;第二耦合器輸出的另一束脈沖激光經過第二環形器進入參考探頭，參考探頭產 生的參考光信號經過第二環形器進入第二光電探測器，第二光電探測器將輸出的電信號送 入信號解調模塊，信號解調模塊根據接收到的兩路電信號解調出水聲信號。
[0010] 脈沖激光經過所述的第一光纖延時環的時間大于等于脈沖激光的脈寬。
[0011] 參考探頭包括第三耦合器、第一法拉第旋轉鏡、第二法拉第旋轉鏡和第二光纖延 時環；
[0012] 進入參考探頭的脈沖激光經過第三耦合器后分成兩路，一路脈沖激光經過第一法 拉第旋轉鏡反射后回到第三耦合器中，另一路脈沖激光經過第二光纖延時環后，再通過第 二法拉第旋轉鏡進行反射，之后經過第二光纖延時環進入第三耦合器中，第三耦合器將收 到的兩路反射信號進行耦合，輸出參考光信號到第二環形器。
[0013] 在第三親合器處親合的兩路反射信號的光程差與第一光纖延時環的長度相同。
[0014] 所述水聽器傳感陣列包括多組傳感探頭、多個第三光纖延時環和多個第四耦合 器;每個傳感探頭均包括第五耦合器、第三法拉第旋轉鏡、第四法拉第旋轉鏡和第四光纖延 時環；
[0015] 第一環形器輸出的脈沖激光經過第一個第四耦合器分成兩束，一束進入第一個傳 感探頭，另一束通過第一個第三光纖延時環進入第二個第四耦合器，經過第二個第四耦合 器之后分成兩束，一束進入第二個傳感探頭，另一束通過第二個第三光纖延時環進入第三 個第四耦合器，依此類推，直到所有的傳感探頭均有脈沖激光進入；
[0016] 進入到每一個傳感探頭的脈沖激光經過第五耦合器后分成兩路，一路脈沖激光經 過第三法拉第旋轉鏡反射后回到第五耦合器中，另一路脈沖激光經過第四光纖延時環后， 再通過第四法拉第旋轉鏡進行反射，之后經過第四光纖延時環進入第五耦合器中，第五耦 合器將收到的兩路反射信號進行耦合，輸出傳感光信號，每個傳感探頭輸出的傳感光信號 分時送入第一環形器中。
[0017]進入到每個傳感探頭的脈沖激光的光強相同。
[0018] 在第五耦合器處耦合的兩路反射信號的光程差、第三光纖延時環的長度以及第一 光纖延時環的長度相同。
[0019] 所述參考探頭的外部設有隔音、隔振的封裝。
[0020] 所述傳感探頭的外部設有增敏的封裝，用于拾取水聲信號。
[0021] -種基于外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列實現的解調方法，步驟如下：
[0022] (1)窄線寬激光器出射的頻率為fQ的連續激光通過第一耦合器分為兩路，兩束激 光分別進入第一聲光調制器和第二聲光調制器，被調制成頻率為fo+fjP頻率為fo+f 2的脈 沖激光；
[0023] (2)第一聲光調制器輸出的頻率為fo+h脈沖激光經過第一光纖延時環進行延時后 輸入到第二耦合器，第二聲光調制器輸出的頻率為fo+f2脈沖激光直接輸入到第二耦合器， 第二耦合器將兩束輸入脈沖激光進行耦合后再分為兩束；
[0024] (3)第二耦合器輸出的一束脈沖激光經過第一環形器進入水聽器傳感陣列的各個 傳感探頭中，由各個傳感探頭反射回的傳感光信號分時到達第一環形器，經第一環形器之 后送入第一光電探測器，第一光電探測器將輸出的電信號送入信號解調模塊；
[0025] 第一光電探測器輸出的電信號為:Y^Cn+DnCOsPTrA/mpwm+tpn。]，_
[0026] 其中，Ysn為第n個傳感探頭所對應的第一光電探測器輸出的電信號，A € = ^2為 外差拍頻信號的頻率差，Cn為第n個傳感探頭的直流分量，Dn為第n個傳感探頭的交流項幅 值，t為時間;犯。表示第n個水聽器的初相位;q> sn(0表示第n個水聽器探頭檢測到的外界水聲 信號；
[0027] (4)第二耦合器輸出的另一束脈沖激光經過第二環形器進入參考探頭，參考探頭 產生的參考光信號經過第二環形器進入第二光電探測器，第二光電探測器將輸出的電信號 送入信號解調模塊；
[0028] 第二光電探測器輸出的電信號為：Yr=A+Bcos[27rA//+9r]
[0029] 其中，A為參考信號的直流分量，B為參考信號的交流項幅值，取表示參考探頭干涉 信號的初相位；
[0030] (5)信號解調模塊根據接收到的兩路電信號解調出水聲信號：
[0031] (5.1)對步驟(4)中的第二光電探測器輸出的電信號Yr進行A/D變換，轉換成數字 信號，經帶通濾波器濾除直流分量，得到參考信號：
[0032] yr=Bcos[2^A/^+(pi：]5
[0033]對上式進行移相90°，得到其正交參考信號：
[0034] ysr=Bsin[2?rA/z：+(pr];
[0035] (5.2)對第一光電探測器輸出的電信號Ysn進行A/D變換，轉換成數字信號，經帶通 濾波器濾除直流分量，得到傳感信號：
[0036] y sn=Dncos [2 /TA/H(psn( i)+q>n0]：
[0037] (5.3)將ysn與(5.1)中的兩式分別相乘，并進行低通濾波得到：
[0038] y,i,*yr=BHi lD:,cos[tpsn(i)+(pno-(pr]；
[0039] ysnr^y, =-B^ D^sinttp.ndj-KPiKi-cp,-]；
[0040] (5.4)將(5.3)中兩式相除，得到正切信號：
[0041 ] ytan=-taft[q>Sn(t)+q)n0-(pi]
[0042] (5.5)將(5.4)中ytang反正切，得到相位信號：
[0043] q)s"(t) = -arclan(ywi1)-(pn。十 fr:
[0044] (5.6)對相位信號(pdt)進行高通濾波，濾除水聽器傳感陣列第n個傳感探頭的初相 位糾。和參考探頭信號的初相位％，得到第n個探頭拾取水聲信號qv(t)。
[0045] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0046] (1)外差干涉式光纖水聽器通過控制聲光調制器的移頻頻率可以設置較高的載波 頻率，遠離低頻區域的干擾，具有較大的動態范圍可以檢測高頻聲信號；
[0047] (2)通過控制第一光纖延時環、第三光纖延時環和第四光纖延時環的長度，使得產 生載波信號的兩個不同頻率的脈沖光所經過的光程相同，兩束光為等臂干涉，可以降低激 光器相位噪聲的影響。
[0048] (3)時分復用陣列中的每一個傳感探頭都是由無源光學器件組成，即由第三耦合 器、第三法拉第旋轉鏡、第四法拉第旋轉鏡和第四光纖延時環組成，實現水聽器濕端全光 化。每一個探頭采用同樣的設計及增敏封裝，可以控制探頭的一致性。
[0049] (4)通過控制第三光纖延時環的長度，脈沖光分時進入傳感探頭，第三光纖延時環 不敏感聲信號，不會帶入串擾;且每個探頭的敏感部分在各自探頭內拾取水聲信號后直接 輸入到第二光電探測器，并未向下一級傳感探頭傳輸，此設計降低了探頭間串擾。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發明中外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列光路結構圖；
[0051] 圖2為本發明中信號處理流程圖。
【具體實施方式】
[0052]本發明提供了一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及解調算法，如圖1所示， 光纖水聽器時分復用陣列包括:窄線寬激光器1、第一親合器2、第一聲光調制器3、第二聲光 調制器4、第一光纖延時環5、第二耦合器6、第一環形器7、第二環形器8、第一光電探測器9、 第二光電探測器10、參考探頭11和水聽器傳感陣列12;傳感陣列12采用并聯結構，脈沖光通 過第三光纖延時環分時進入陣列的各個傳感探頭17,產生傳感光信號；參考探頭11用于產 生參考光信號;傳感光信號與參考光信號經光電探測器采集后變為模擬電信號，通過信號 解調模塊分22別對其進行模數轉換，并由反正切的算法，解算出傳感陣列感知的水聲信號。 [0053]窄線寬激光器1出射的連續激光通過第一耦合器2分為兩路，兩束激光分別進入第 一聲光調制器3和第二聲光調制器4,被調制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調制器3輸出 的脈沖激光經過第一光纖延時環5進行延時后輸入到第二耦合器6,第二聲光調制器4輸出 的脈沖激光直接輸入到第二親合器6,第二親合器6將兩束輸入脈沖激光進行親合后，脈沖 激光經過所述的第一光纖延時環5的時間大于等于脈沖激光的脈寬。這樣在第二耦合器6處 兩個脈沖光不發生干涉，形成具有固定時序的脈沖序列。
[0054] 第二耦合器6將輸出的一束脈沖光序列經過第一環形器7進入水聽器傳感陣列12， 由光纖水聽器傳感陣列反射回的傳感光信號經第一環形器7到達第一光電探測器9,第一光 電探測器9將輸出的電信號送入信號解調模塊22;第二親合器6輸出的另一束脈沖光序列經 過第二環形器8進入參考探頭11，參考探頭產生與傳感信號同頻的參考光信號用于水聲信 號的解調。參考探頭11產生的參考光信號經過第二環形器8進入第二光電探測器10,第二光 電探測器10將輸出的電信號送入信號解調模塊22,信號解調模塊22根據接收到的兩路電信 號解調出水聲信號。
[0055]參考探頭11包括第三耦合器13、第一法拉第旋轉鏡14、第二法拉第旋轉鏡15和第 二光纖延時環16;
[0056]進入參考探頭11的脈沖激光經過第三耦合器13后分成兩路，一路脈沖激光經過第 一法拉第旋轉鏡14反射后回到第三耦合器13中，另一路脈沖激光經過第二光纖延時環16 后，再通過第二法拉第旋轉鏡15進行反射，之后經過第二光纖延時環16進入第三耦合器13 中，第三耦合器13將收到的兩路反射信號進行耦合，輸出參考光信號到第二環形器8。在參 考探頭內使用法拉第旋轉鏡抑制傳感光信號的偏振衰落。
[0057]在第三親合器13處親合的兩路反射信號的光程差與第一光纖延時環5的長度相 同。這樣由第一聲光調制器3輸出的脈沖光經過第一法拉第旋轉鏡14反射后與第二聲光調 制器4輸出的脈沖光經過第二法拉第旋轉鏡15反射后所經歷的光程的長度相同，兩個不同 頻率的脈沖光，在第三耦合器13處發生拍頻，作為參考光信號。參考探頭11外部設有隔音、 隔振封裝，隔絕外部聲音和振動對參考光信號相位信息的影響。
[0058] 所述水聽器傳感陣列12包括多組傳感探頭17、多個第三光纖延時環18和多個第四 耦合器19;每個傳感探頭17均包括第五耦合器20、第三法拉第旋轉鏡21、第四法拉第旋轉鏡 22和第四光纖延時環23;由上述部分組成的水聽器傳感陣列12具有在濕端無源、全光化特 點。
[0059] 第一環形器7輸出的脈沖激光經過第一個第四耦合器19分成兩束，一束進入第一 個傳感探頭17,另一束通過第一個第三光纖延時環18進入第二個第四耦合器19,經過第二 個第四耦合器19之后分成兩束，一束進入第二個傳感探頭17,另一束通過第二個第三光纖 延時環18進入第三個第四耦合器19,依此類推，直到所有的傳感探頭17均有脈沖激光進入； 脈沖激光通過第三光纖延時環18分時依次進入傳感探頭17;第四耦合器19的分光比例與傳 感探頭的個數有關，使得進入每個傳感探頭的光功率相同；
[0060] 進入到每一個傳感探頭17的脈沖激光經過第五耦合器20后分成兩路，一路脈沖激 光經過第三法拉第旋轉鏡21反射后回到第五耦合器20中，另一路脈沖激光經過第四光纖延 時環23后，再通過第四法拉第旋轉鏡22進行反射，之后經過第四光纖延時環23進入第五耦 合器20中，第五耦合器20將收到的兩路反射信號進行耦合，輸出傳感光信號，每個傳感探頭 17輸出的傳感光信號分時送入第一環形器7中。
[0061] 傳感探頭中的法拉第旋轉鏡用于抑制偏振衰落，在第五耦合器處耦合的兩路反射 信號的光程差與第一光纖延時環5的長度相同，這樣由第一聲光調制器3輸出的脈沖光經過 第一法拉第旋轉鏡21反射后與第二聲光調制器4輸出的脈沖光經過第二法拉第旋轉鏡22反 射后所經歷的光程的長度相同，兩個不同頻率的脈沖光，在第三耦合器20處發生拍頻，作為 傳感光信號。兩個脈沖光的拍頻是等臂干涉，可以降低激光器的相位噪聲;每個傳感探頭17 產生傳感光信號之間的時間間隔與第三光纖延時環18的長度有關;第三光纖延時環18的長 度與第一光纖延時環的長度相同，這樣保證每個傳感探頭的傳感信號不會相互干擾，且每 個傳感探頭的敏感部分在各自探頭內拾取水聲信號后直接輸入到第二光電探測器，并未向 下一級傳感探頭傳輸，降低了探頭間串擾。所述傳感探頭17的外部設有增敏封裝，用于拾取 水聲信號。
[0062] 如圖2所示，基于上述水聽器陣列，本發明還提出一種基于外差干涉式光纖水聽器 時分復用陣列實現的解調方法，步驟如下：
[0063] 1、窄線寬激光器1出射的頻率為fQ的連續激光通過第一耦合器2分為兩路，兩束激 光分別進入第一聲光調制器3和第二聲光調制器4,被調制成頻率為fo+fjP頻率為fo+f 2的 脈沖激光；
[0064] 2、第一聲光調制器3輸出的頻率為^+心脈沖激光經過第一光纖延時環5進行延時 后輸入到第二耦合器6,第二聲光調制器4輸出的頻率為fo+f2脈沖激光直接輸入到第二耦合 器6，第二耦合器6將兩束輸入脈沖激光進行耦合后再分為兩束；
[0065] 3第二耦合器6輸出的一束脈沖激光經過第一環形器7進入水聽器傳感陣列12的各 個傳感探頭17中，由各個傳感探頭17反射回的傳感光信號分時到達第一環形器7,經第一環 形器7之后送入第一光電探測器9,第一光電探測器9將輸出的電信號送入信號解調模塊22;
[0066] 第一光電探測器9輸出的電信號為：⑴,
[0067] 其中，Ysn為第n個傳感探頭17所對應的第一光電探測器9輸出的電信號，A € =心-f2為外差拍頻信號的頻率差，由聲光調制器的移頻頻率決定，通過設置移頻頻率的置達到 較高的載波頻率，可以檢測高頻的聲信號，C n為第n個傳感探頭的直流分量，Dn為第n個傳感 探頭的交流項幅值，t為時間；。表示第n個水聽器的初相位，與第n個水聽器所處的環境有 關，是一個低頻的慢變量;q> snW表示第n個水聽器探頭檢測到的外界水聲信號；
[0068] 4、第二耦合器6輸出的另一束脈沖激光經過第二環形器8進入參考探頭11，參考探 頭11產生的參考光信號經過第二環形器8進入第二光電探測器10,第二光電探測器10將輸 出的電信號送入信號解調模塊22;
[0069] 第二光電探測器10輸出的電信號為：Yr=A+Bt:〇S[2;r/VH (Pr]
[0070] 其中，A為參考信號的直流分量，B為參考信號的交流項幅值，叫表示參考探頭11干 涉信號的初相位；
[0071] 5、信號解調模塊22根據接收到的兩路電信號解調出水聲信號：
[0072] 5.1、對步驟4中的第二光電探測器10輸出的電信號Yr進行A/D變換，轉換成數字信 號，經帶通濾波器濾除直流分量，得到參考信號：
[0073] yl--B:q〇s：[27r4#+(Pr]；
[0074]對上式進行移相90°，得到其正交參考信號：
[0075] ySr=Bsirt[2jr4#+cpr];
[0076] 5.2、對第一光電探測器9輸出的電信號Ysn進行A/D變換，轉換成數字信號，經帶通 濾波器濾除直流分量，得到傳感信號：
[0077] ysn=D"cos[27rzVM-⑴十(pnn:l;
[0078] 5.3、將ysn與5.1中的兩式分別相乘，并進行低通濾波得到：
[0079] yM,H，yr=B：i5D, 1cos[cp,!,(i)+(pllli-(pr]；
[0080] ySi,,.:!syr 二-B^DjinOpJO+qw%];
[00811 5.4、將5.3中兩式相除，得到正切信號：
[0082] .y.ta〇= 4an[(ps"(1.)~Kpllu-(pr]
[0083] 5 ? 5、將5 ? 4中7伽經反正切，得到相位信號：
[0084] (^(t) = -arctanCytan^cpno+cpr
[0085] 5.6、由于水聽器傳感陣列12第n個傳感探頭17的初相位他。和參考探頭11信號的 初相位％，為低頻慢變量，通過對相位信號(p sn?進行高通濾波，得到第n個探頭拾取水聲信 號 tpsri(t):。
[0086] 以8陣元為例描述外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列及解調算法的實現：
[0087] 第一聲光調制器的移頻頻率為200MHz，第二聲光調制器的移頻頻率為199.94MHz; 載波頻率為60kHz，脈沖頻率為360kHz，脈沖寬度為120ns;第一光纖延時環5的長度為30米， 脈沖光經過第一延時光纖的時間為145ns大于脈沖的寬度，第一聲光調制器出射的脈沖光 與第二聲光調制器出射的脈沖光在第二親合器6處不發生干涉，形成有145ns間隔的一對脈 沖光。
[0088]針對8陣元時分復用陣列，由8個第四耦合器、7個第三光纖延時環和8個傳感探頭 組成，探頭間為并聯結構；其中，第三光纖延時環的長度為30米，這樣既能保證脈沖光分時 進入各個傳感探頭，又使得探頭間的傳感光信號不相互干擾;第四耦合器的分光比分別為 1 /8、1 /7、1 /6、1 /5、1 /4、1 /3、1 /2和1 /1，這樣保證進入每個傳感探頭的光功率相同。
[0089]在每個傳感探頭內光信號由第五耦合器到第三法拉第旋轉鏡的距離與光信號由 第五耦合器經第四光纖延時環到第四法拉第旋轉鏡的距離差為15米，這樣設計可以保證由 第一聲光調制器輸出的脈沖光經過第三法拉第旋轉鏡反射后與第二聲光調制器輸出的脈 沖光經過第四法拉第旋轉鏡反射后所經歷的光程的長度相同，兩個不同頻率的脈沖光，在 第五耦合器處發生拍頻，作為傳感光信號。
[0090] 針對參考探頭光信號由第三耦合器到第一法拉第旋轉鏡的距離與光信號由第三 耦合器經第二光纖延時環到第四法拉第旋轉鏡的距離差為15米，這樣設計可以保證由第一 聲光調制器輸出的脈沖光經過第一法拉第旋轉鏡反射后與第二聲光調制器輸出的脈沖光 經過第二法拉第旋轉鏡反射后所經歷的光程的長度相同，兩個不同頻率的脈沖光，在第三 耦合器處發生拍頻，作為參考光信號。
[0091] 實施例：
[0092] 傳感光信號與參考光信號經第一光電探測器與第二光電探測器后進入數字解調 模塊，數字解調模塊由高速數字處理器組成，以FPGA與DSP為例，FPGA進行傳感信號與參考 信號的預處理，即信號的選取、帶通濾波、相乘和低通濾波;信號選取通過60kHz的脈沖信號 觸發實現。通過帶通濾波器獲得頻率為60kHz參考信號y r及每一路的傳感信號ysn，使用通帶 為50kHz~70kHz的500階FIR濾波器;正交參考信號y sr通過對參考信號進行希爾伯特變換得 到;傳感信號分別與參考信號和正交參考信號相乘，低通濾波為了去除信號相乘之后的高 頻量，得到y sn*yr和ysnr*yr，使用阻帶為10kHz，通帶為5kHz的200階FIR低通濾波器;在DSP內 部進行y sn*yr和ysnr*yr兩路信號的相除、反正切運算和高通濾波。相除和反正切運算通過 DSP自帶的反正切函數實現，函數的計算精度是雙精度浮點；高通濾波是為了濾除⑴中 低頻慢變量料。和私，使用阻帶為0.1Hz，通帶為10Hz的1500階FIR高通濾波器。通過上述高速 數字系統處理傳感信號與參考信號后得到水聲信號q> sn(t)。
【主權項】
1. 一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于包括:窄線寬激光器（1 )、第 一耦合器(2)、第一聲光調制器(3)、第二聲光調制器(4)、第一光纖延時環(5)、第二耦合器 (6)、第一環形器(7)、第二環形器(8)、第一光電探測器(9)、第二光電探測器（10)、參考探頭 (11)和水聽器傳感陣列（12); 窄線寬激光器（1)出射的連續激光通過第一耦合器(2)分為兩路，兩束激光分別進入第 一聲光調制器(3)和第二聲光調制器(4)，被調制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調制器 (3)輸出的脈沖激光經過第一光纖延時環(5)進行延時后輸入到第二親合器(6)，第二聲光 調制器(4)輸出的脈沖激光直接輸入到第二耦合器(6)，第二耦合器(6)將兩束輸入脈沖激 光進行耦合后再分為兩束，將輸出的一束脈沖激光經過第一環形器(7)進入水聽器傳感陣 列（12)，由光纖水聽器傳感陣列反射回的傳感光信號經第一環形器(7)到達第一光電探測 器(9)，第一光電探測器(9)將輸出的電信號送入信號解調模塊(22);第二親合器(6)輸出的 另一束脈沖激光經過第二環形器(8)進入參考探頭（11)，參考探頭（11)產生的參考光信號 經過第二環形器(8)進入第二光電探測器（10)，第二光電探測器（10)將輸出的電信號送入 信號解調模塊(22)，信號解調模塊(22)根據接收到的兩路電信號解調出水聲信號。2. 根據權利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:脈沖 激光經過所述的第一光纖延時環(5)的時間大于等于脈沖激光的脈寬。3. 根據權利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:參考 探頭（11)包括第三耦合器（13 )、第一法拉第旋轉鏡（14 )、第二法拉第旋轉鏡（15)和第二光 纖延時環（16); 進入參考探頭（11)的脈沖激光經過第三耦合器（13)后分成兩路，一路脈沖激光經過第 一法拉第旋轉鏡（14)反射后回到第三耦合器（13)中，另一路脈沖激光經過第二光纖延時環 (16)后，再通過第二法拉第旋轉鏡（15)進行反射，之后經過第二光纖延時環（16)進入第三 耦合器（13)中，第三耦合器（13)將收到的兩路反射信號進行耦合，輸出參考光信號到第二 環形器(8)。4. 根據權利要求3所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:在第 三親合器(13)處親合的兩路反射信號的光程差與第一光纖延時環(5)的長度相同。5. 根據權利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:所述 水聽器傳感陣列（12)包括多組傳感探頭（17)、多個第三光纖延時環（18)和多個第四耦合器 (19);每個傳感探頭（17)均包括第五耦合器(20 )、第三法拉第旋轉鏡(21 )、第四法拉第旋轉 鏡(22)和第四光纖延時環(23); 第一環形器(7)輸出的脈沖激光經過第一個第四耦合器（19)分成兩束，一束進入第一 個傳感探頭（17)，另一束通過第一個第三光纖延時環（18)進入第二個第四耦合器（19)，經 過第二個第四耦合器（19)之后分成兩束，一束進入第二個傳感探頭（17)，另一束通過第二 個第三光纖延時環（18)進入第三個第四耦合器（19)，依此類推，直到所有的傳感探頭（17) 均有脈沖激光進入； 進入到每一個傳感探頭（17)的脈沖激光經過第五耦合器(20)后分成兩路，一路脈沖激 光經過第三法拉第旋轉鏡(21)反射后回到第五耦合器(20)中，另一路脈沖激光經過第四光 纖延時環（23)后，再通過第四法拉第旋轉鏡(22)進行反射，之后經過第四光纖延時環(23) 進入第五耦合器(20)中，第五耦合器(20)將收到的兩路反射信號進行耦合，輸出傳感光信 號，每個傳感探頭(17)輸出的傳感光信號分時送入第一環形器(7)中。6. 根據權利要求5所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:進入 到每個傳感探頭(17)的脈沖激光的光強相同。7. 根據權利要求5所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:在第 五親合器(20)處親合的兩路反射信號的光程差、第三光纖延時環（18)的長度以及第一光纖 延時環(5)的長度相同。8. 根據權利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:所述 參考探頭(11)的外部設有隔音、隔振的封裝。9. 根據權利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列，其特征在于:所述 傳感探頭(17)的外部設有增敏的封裝，用于拾取水聲信號。10. -種基于權利要求1所述的外差干涉式光纖水聽器時分復用陣列實現的解調方法， 其特征在于步驟如下： (1) 窄線寬激光器(1)出射的頻率為f〇的連續激光通過第一耦合器(2)分為兩路，兩束激 光分別進入第一聲光調制器(3)和第二聲光調制器(4)，被調制成頻率為fo+fjP頻率為f〇+ f 2的脈沖激光； (2) 第一聲光調制器(3)輸出的頻率為^+心脈沖激光經過第一光纖延時環(5)進行延時 后輸入到第二耦合器(6)，第二聲光調制器(4)輸出的頻率為f Q+f2脈沖激光直接輸入到第二 親合器(6)，第二親合器(6)將兩束輸入脈沖激光進行親合后再分為兩束； (3) 第二耦合器(6)輸出的一束脈沖激光經過第一環形器(7)進入水聽器傳感陣列（12) 的各個傳感探頭（17)中，由各個傳感探頭（17)反射回的傳感光信號分時到達第一環形器 (7)，經第一環形器(7)之后送入第一光電探測器(9)，第一光電探測器(9)將輸出的電信號 送入信號解調模塊(22); 第一光電探測器(9)輸出的電信號為：⑴+qv]， 其中，Ysn為第n個傳感探頭（17)所對應的第一光電探測器(9)輸出的電信號，A 為外差拍頻信號的頻率差，Cn為第n個傳感探頭的直流分量，Dn為第n個傳感探頭的交流項幅 值，t為時間，。表示第n個水聽器的初相位;f sn(t)表示第n個水聽器探頭檢測到的外界水聲 信號； (4) 第二耦合器(6)輸出的另一束脈沖激光經過第二環形器(8)進入參考探頭（11)，參 考探頭（11)產生的參考光信號經過第二環形器(8)進入第二光電探測器（10)，第二光電探 測器(10)將輸出的電信號送入信號解調模塊(22); 第二光電探測器(10)輸出的電信號為:YfA+BcosPM/mpr] 其中，A為參考信號的直流分量，B為參考信號的交流項幅值，表示參考探頭（11)干涉 信號的初相位； (5) 信號解調模塊(22)根據接收到的兩路電信號解調出水聲信號： (5.1)對步驟(4)中的第二光電探測器(10)輸出的電信號Yr進行A/D變換，轉換成數字信 號，經帶通濾波器濾除直流分量，得到參考信號： yr=Bcos[27rA//+(pr]； 對上式進行移相90°，得到其正交參考信號： ysr=Bsin[27F4#+^Pr];： (5.2) 對第一光電探測器(9)輸出的電信號Ysn進行A/D變換，轉換成數字信號，經帶通濾 波器濾除直流分量，得到傳感信號： vsll=Dncos [27rA//+cp,n(l )+(,〇""]； (5.3) 將ysn與(5.1)中的兩式分別相乘，并進行低通濾波得到： y^y-fl^DnCOsI^,⑴十 >\nr^yr =-B^D"sin[tp,11(l)-H(pm!-(pr]： (5.4) 將(5.3)中兩式相除，得到正切信號： ytaf 4an [(pvn ⑴+(|)m,-(pJ (5.5) 將(5.4)中y tang反正切，得到相位信號： q>sn(t) = -arctan(ytan)-q)nD+q)r (5.6) 對相位信號qv(t)進行高通濾波，濾除水聽器傳感陣列（12)第n個傳感探頭（17)的 初相位％。和參考探頭(11)信號的初相位％，得到第 n個探頭拾取水聲信號(psn(t)。
【文檔編號】G01H9/00GK106052843SQ201610649947
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月9日 公開號201610649947.4, CN 106052843 A, CN 106052843A, CN 201610649947, CN-A-106052843, CN106052843 A, CN106052843A, CN201610649947, CN201610649947.4
【發明人】張磊, 郝良彬, 張海巖, 李振, 鄭百超, 王海亮, 侯振興, 于文鵬
【申請人】北京航天控制儀器研究所