CN109374114A - 一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器 - Google Patents
一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，采用微波光子技术、偏振态分离转换技术实现了基于外差检测的干涉型光纤水听器***，用于水声信号探测。其核心在于采用微波光子技术，产生中心波长λ1和λ2，频差为微波调制信号的双调制峰光谱信号作为***输入；采用偏振态分离转换技术，将输入的光载微波信号分离为中心波长分别为λ1和λ2，偏振态垂直的两路信号，分别经过水听器的参考臂和传感臂，其中传感臂感受水声信号，相位信息发生改变；上述两束光合束后发生拍频干涉，解调该微波信号的频率相位即可达到探测水声信号的目的。本发明水听器具有动态范围大、检测精度高等特点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器。
背景技术
声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，水声技术是当前研究和探索海洋的主要手段，水听器则是海洋中检测声波信号的基本器件。基于光纤传感原理的光纤水听器作为一种新型的水声探测器件，从其诞生之日起就展现出传统压电水听器无法比拟的优越性，如灵敏度高、带宽较宽、频响特性好、耐静水压、“湿端”全光、稳定性高、光缆更轻更小、耐高温、抗腐蚀性、传输距离远、可大规模复用等，已逐步取代传统的压电水听器成为水下声信号探测的主要手段。
在技术上，光纤水听器可分为强度型、偏振态型、相位干涉型和光纤光栅型，光纤激光器型等。相位干涉型光纤水听器通过高灵敏度的光纤相干检测技术，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理***从而提取声信息，具有灵敏度高、便于复用等诸多优异的特性，在国内外研究最多，技术最成熟。目前实用化的光纤水听器均采用相位干涉型。
干涉型光纤水听器的结构主要有四种类型：Mach-Zehnder型干涉仪、Michelson型干涉仪、Fabry-Perot型干涉仪、Sagnac型干涉仪。前两种被研究最多，然而其存在一定不足，干涉仪中光源的相位噪声会转换为强度噪声，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。因此，光纤水听器走向实用化仍有许多问题需要研究解决。
发明内容
本发明的目的在于针对干涉型光纤水听器现有的不足：偏振态随机波动，或者对低频信号不敏感等，提出一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，包括偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器二、偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四、偏振干涉仪一、偏振态调节器一、偏振分束/合束器五、水听器参考臂光纤、 45°旋光器一、反射镜一、水听器传感臂探头光纤、45°旋光器二、反射镜二、偏振态调节器二、偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器七、偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九、偏振干涉仪二、光电探测器和信号处理电路；
所述偏振干涉仪一由偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器二、偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四组成，将双调制峰光谱的光载微波信号作为输入信号经偏振分束/合束器一分成两路，一路光直接入射进偏振分束/合束器二，另一路光依次经由偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四入射进偏振分束/合束器二，两路光在偏振分束/合束器二中合成一路，从而将谱峰对应的两个波长λ1和λ2的偏振态调整为一个偏振态保持不变，另外一个偏振态旋转90°的状态；
所述偏振干涉仪二由偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器七、偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九组成；偏振态调节器二的输出信号经偏振分束/合束器六分成两路，一路光直接入射进偏振分束/合束器七，另一路光依次经由偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九入射进偏振分束/合束器七，两路光在偏振分束/合束器七中合成一路，从而将偏振态调节器二输出信号的两个波长λ1和λ2的偏振态调整为一个偏振态保持不变，另外一个偏振态旋转90°的状态；
所述水听器参考臂光纤、45°旋光器一、反射镜一依次布置组成水听器参考臂光路，所述水听器传感臂探头光纤、45°旋光器二、反射镜二依次布置组成水听器信号传感臂光路；
所述偏振分束/合束器二的输出光入射进偏振态调节器一进行第一次偏振态调整；所述偏振态调节器一的输出光入射进偏振分束/合束器五分为波长分别为λ1和λ2的两束，λ1信号进入水听器参考臂光纤，λ2信号进入水听器传感臂探头光纤，分别经过各自的45°旋光器和反射镜反射后在偏振分束/合束器五合束，经过偏振态调节器二进行第二次偏振态调整，使得λ2的偏振态与输入信号相同，然后经过偏振干涉仪二旋转λ1偏振态，使得λ1的偏振态与输入信号相同；
所述偏振干涉仪二的输出信号进入光电探测器；所述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拍频干涉信号转换为电信号提供给信号处理电路，所述信号处理电路对该电信号进行解调即可获取水听信号信息。
进一步地，所述水听器参考臂光纤进行脱敏处理，所述水听器传感臂探头光纤进行增敏处理，对水声信号敏感。
进一步地，输入信号为双调制峰光谱的光载微波信号，谱峰对应波长分别为λ1和λ2，λ1和λ2的频率差为微波调制信号fm。
进一步地，所述偏振干涉仪一中，通过调节经过偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器二光路，以及经过偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四、偏振分束/合束器二光路的光程差，使λ1在偏振分束/合束器二处合束时光延时为波长整数倍，偏振态不变，而λ2在偏振分束/合束器二处合束时光延时为波长的奇数倍，偏振态旋转90°，λ1和λ2波长信号的偏振态为相互垂直状态。
进一步地，所述偏振干涉仪二中，通过调节经过偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器七光路，以及经过偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九、偏振分束/合束器七光路的光程差，使λ2在偏振分束/合束器七处合束时光延时为波长整数倍，偏振态不变，而λ1在偏振分束/合束器七处合束时光延时为波长的奇数倍，偏振态旋转90°。
进一步地，所述水听器参考臂光路和水听器信号传感臂光路采用Michelson型结构，采用45°旋光器和反射镜将输入信号反射，或者采用Mach-Zehnder型结构，不使用反射镜，增加一个偏振合束器将两臂信号合束输出。
本发明的有益效果为：本发明水听器采用微波光子技术和偏振态分离转换技术，实现了基于外差检测的干涉型光纤水听器***，用于水声信号探测。其核心在于采用微波光子技术，产生中心波长λ1和λ2，频差为微波调制信号的双调制峰光谱信号作为***输入；采用偏振态分离转换技术，将输入的光载微波信号分离为中心波长分别为λ1和λ2，偏振态垂直的两路信号，分别经过水听器的参考臂和传感臂，其中传感臂感受水声信号，相位信息发生改变；上述两束光合束后发生拍频干涉，解调该微波信号的频率相位即可达到探测水声信号的目的。本发明水听器具有动态范围大、检测精度高等特点。
附图说明
图1是基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器结构示意框图；
图中，偏振分束/合束器一1、偏振分束/合束器二2、偏振分束/合束器三3、偏振分束/ 合束器四4、偏振干涉仪一5、偏振态调节器一6、偏振分束/合束器五7、水听器参考臂光纤 8、45°旋光器一9、反射镜一10、水听器传感臂探头光纤11、45°旋光器二12、反射镜二13、偏振态调节器二14、偏振分束/合束器六15、偏振分束/合束器七16、偏振分束/合束器八17、偏振分束/合束器九18、偏振干涉仪二19、光电探测器20、信号处理电路21。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面结合附图1说明一种具体的实施方式。
本发明提供的一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，如图1所示，包括偏振分束/合束器一1、偏振分束/合束器二2、偏振分束/合束器三3、偏振分束/合束器四 4、偏振干涉仪一5、偏振态调节器一6、偏振分束/合束器五7、水听器参考臂光纤8、45°旋光器一9、反射镜一10、水听器传感臂探头光纤11、45°旋光器二12、反射镜二13、偏振态调节器二14、偏振分束/合束器六15、偏振分束/合束器七16、偏振分束/合束器八17、偏振分束/合束器九18、偏振干涉仪二19、光电探测器20和信号处理电路21。
所述偏振干涉仪一5由偏振分束/合束器一1、偏振分束/合束器二2、偏振分束/合束器三 3、偏振分束/合束器四4组成，将双调制峰光谱的光载微波信号作为输入信号经偏振分束/合束器一1分成两路，一路光直接入射进偏振分束/合束器二2，另一路光依次经由偏振分束/ 合束器三3、偏振分束/合束器四4入射进偏振分束/合束器二2，两路光在偏振分束/合束器二 2中合成一路，从而将谱峰对应的两个波长λ1和λ2的偏振态调整为一个偏振态保持不变，另外一个偏振态旋转90°的状态。所述偏振干涉仪二19由偏振分束/合束器六15、偏振分束/ 合束器七16、偏振分束/合束器八17、偏振分束/合束器九18组成；偏振态调节器二14的输出信号经偏振分束/合束器六15分成两路，一路光直接入射进偏振分束/合束器七16，另一路光依次经由偏振分束/合束器八17、偏振分束/合束器九18入射进偏振分束/合束器七16，两路光在偏振分束/合束器七16中合成一路，从而将偏振态调节器二14输出信号的两个波长λ1和λ2的偏振态调整为一个偏振态保持不变，另外一个偏振态旋转90°的状态。所述偏振干涉仪一5和偏振干涉仪二19用于实现光载微波信号偏振态的分离。
所述水听器参考臂光纤8、45°旋光器一9、反射镜一10依次布置组成水听器参考臂光路，所述水听器传感臂探头光纤11、45°旋光器二12、反射镜二13依次布置组成水听器信号传感臂光路；所述水听器参考臂光纤8进行脱敏处理，所述水听器传感臂探头光纤11进行增敏处理，对水声信号敏感；所述水听器参考臂光路和水听器信号传感臂光路可以采用Michelson 型结构，即采用45°旋光器和反射镜将输入信号反射，也可以采用Mach-Zehnder型结构，不使用反射镜，增加一个偏振合束器将两臂信号合束输出。
所述偏振分束/合束器二2的输出光入射进偏振态调节器一6进行第一次偏振态调整；所述偏振态调节器一6的输出光入射进偏振分束/合束器五7分为波长分别为λ1和λ2的两束，λ1信号进入水听器参考臂光纤8，λ2信号进入水听器传感臂探头光纤11，分别经过各自的45°旋光器和反射镜反射后在偏振分束/合束器五7合束，经过偏振态调节器二14进行第二次偏振态调整，使得λ2的偏振态与输入信号相同，然后经过偏振干涉仪二19旋转λ1偏振态，使得λ1的偏振态与输入信号相同。
所述偏振干涉仪二19的输出信号进入光电探测器20；所述光电探测器20的输出端与信号处理电路21相连接，光电探测器20将得到的包含声压信息的拍频干涉信号转换为电信号提供给信号处理电路21，所述信号处理电路21对该电信号进行解调即可获取水听信号信息。
水听器输入信号为双调制峰光谱的光载微波信号，谱峰对应波长分别为λ1和λ2，λ1和λ2的频率差为微波调制信号fm，该输入信号可以表示为：
其中，A1和A2分别为λ1和λ2光载波对应的振幅，f1和f2为对应频率，φ1和φ2为对应初始相位及环境扰动引起的相位漂移，同时光载波λ1和λ2之间的频率差决定了微波的频率，光载波之间的相位差决定了微波的相位差，光载波之间幅度的积决定了微波信号的幅度。
偏振干涉仪一5中，通过调节经过偏振分束/合束器一1、偏振分束/合束器二2光路和经过偏振分束/合束器一1、偏振分束/合束器三3、偏振分束/合束器四4、偏振分束/合束器二2 光路的光程差，使λ1在偏振分束/合束器二2处合束时光延时为波长整数倍，偏振态不变，而λ2在偏振分束/合束器二2处合束延时光延时为比波长整数倍多波长，偏振态旋转90°，λ1和λ2波长信号的偏振态为相互垂直状态。
在偏振分束/合束器二2处合束形成的输入λ1和λ2波长的光信号，在偏振态调节器一6经过第一次偏振态调整，后经过偏振分束/合束器五7分为波长分别为λ1和λ2的两束，假设λ1信号进入水听器参考臂，而λ2经过水听器传感臂敏感水声信号，其相位发生改变，其信号可以表示为：
其中，φs(t)为外部待测水声信号引起的相位变化。
上述两路光载波经45°旋光反射后在偏振分束/合束器五7合束输出，经过偏振态调节器二14进行第二次偏振态调整，使得λ2的偏振态与输入信号相同，然后经过偏振干涉仪二19，调节经过偏振分束/合束器六15、偏振分束/合束器七16光路，以及经过偏振分束/合束器六 15、偏振分束/合束器八17、偏振分束/合束器九18、偏振分束/合束器七16光路的光程差，使λ2在偏振分束/合束器七16处合束时光延时为波长整数倍，偏振态不变，而λ1在偏振分束/ 合束器七16处合束时光延时为波长的奇数倍，偏振态旋转90°，使得λ1的偏振态与输入信号相同，完成偏振态转换，保持偏振态不变，克服了偏振态随机衰落的问题；最终输出的干涉光载信号可以表示为：
光电探测器20的输出端与信号处理电路21相连接，光电探测器20将得到的包含声压信息的拍频干涉信号转换为电信号提供给信号处理电路21，该电信号可以表示为：
y＝A+Bcos[2πfmt+φs(t)+(φ1-φ2)]
其中A为直流项的幅度，B为交流项的幅度，A、B与A1和A2的关系由光电探测器20 的转换效率决定。信号处理电路20对该电信号进行后续解调处理即可获取水听信号信息。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，其特征在于，包括偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器二、偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四、偏振干涉仪一、偏振态调节器一、偏振分束/合束器五、水听器参考臂光纤、45°旋光器一、反射镜一、水听器传感臂探头光纤、45°旋光器二、反射镜二、偏振态调节器二、偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器七、偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九、偏振干涉仪二、光电探测器和信号处理电路；
所述偏振干涉仪一由偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器二、偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四组成，将双调制峰光谱的光载微波信号作为输入信号经偏振分束/合束器一分成两路，一路光直接入射进偏振分束/合束器二，另一路光依次经由偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四入射进偏振分束/合束器二，两路光在偏振分束/合束器二中合成一路，从而将谱峰对应的两个波长λ1和λ2的偏振态调整为一个偏振态保持不变，另外一个偏振态旋转90°的状态；
所述偏振干涉仪二由偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器七、偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九组成；偏振态调节器二的输出信号经偏振分束/合束器六分成两路，一路光直接入射进偏振分束/合束器七，另一路光依次经由偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九入射进偏振分束/合束器七，两路光在偏振分束/合束器七中合成一路，从而将偏振态调节器二输出信号的两个波长λ1和λ2的偏振态调整为一个偏振态保持不变，另外一个偏振态旋转90°的状态；
所述水听器参考臂光纤、45°旋光器一、反射镜一依次布置组成水听器参考臂光路，所述水听器传感臂探头光纤、45°旋光器二、反射镜二依次布置组成水听器信号传感臂光路；
所述偏振分束/合束器二的输出光入射进偏振态调节器一进行第一次偏振态调整；所述偏振态调节器一的输出光入射进偏振分束/合束器五分为波长分别为λ1和λ2的两束，λ1信号进入水听器参考臂光纤，λ2信号进入水听器传感臂探头光纤，分别经过各自的45°旋光器和反射镜反射后在偏振分束/合束器五合束，经过偏振态调节器二进行第二次偏振态调整，使得λ2的偏振态与输入信号相同，然后经过偏振干涉仪二旋转λ1偏振态，使得λ1的偏振态与输入信号相同；
所述偏振干涉仪二的输出信号进入光电探测器；所述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拍频干涉信号转换为电信号提供给信号处理电路，所述信号处理电路对该电信号进行解调即可获取水听信号信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，其特征在于，所述水听器参考臂光纤进行脱敏处理，所述水听器传感臂探头光纤进行增敏处理，对水声信号敏感。
3.根据权利要求1所述的一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，其特征在于，输入信号为双调制峰光谱的光载微波信号，谱峰对应波长分别为λ1和λ2，λ1和λ2的频率差为微波调制信号fm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，其特征在于，所述偏振干涉仪一中，通过调节经过偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器二光路，以及经过偏振分束/合束器一、偏振分束/合束器三、偏振分束/合束器四、偏振分束/合束器二光路的光程差，使λ1在偏振分束/合束器二处合束时光延时为波长整数倍，偏振态不变，而λ2在偏振分束/合束器二处合束时光延时为波长的奇数倍，偏振态旋转90°，λ1和λ2波长信号的偏振态为相互垂直状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，其特征在于，所述偏振干涉仪二中，通过调节经过偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器七光路，以及经过偏振分束/合束器六、偏振分束/合束器八、偏振分束/合束器九、偏振分束/合束器七光路的光程差，使λ2在偏振分束/合束器七处合束时光延时为波长整数倍，偏振态不变，而λ1在偏振分束/合束器七处合束时光延时为波长的奇数倍，偏振态旋转90°。
6.根据权利要求1所述的一种基于光载微波偏振态分离转换技术的干涉型光纤水听器，其特征在于，所述水听器参考臂光路和水听器信号传感臂光路采用Michelson型结构，采用45°旋光器和反射镜将输入信号反射，或者采用Mach-Zehnder型结构，不使用反射镜，增加一个偏振合束器将两臂信号合束输出。
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2018
- 2018-11-22 CN CN201811398573.9A patent/CN109374114B/zh active Active
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