基于PGC原理的光纤水听器系统的制作方法

本发明涉及光纤测量技术领域，具体的说是一种结构合理、工作可靠、测量准确的基于PGC原理的光纤水听器系统。

背景技术：
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光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤做信息载体，适宜远距离大范围监测。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验的先进探测手段。

目前光纤水听器系统多采用不同复用方式组合的方案实现长距离，大规模阵列传感，常用的复用方式包括波分复用、空分复用等，采用不同复用方式可以大大增加水听器系统的传感通道数目，但由于实现波分复用、空分复用所使用的波分复用器WDM，耦合器等器件生产的差异性，不同复用通道间光功率有较大差异，影响信号解调的信噪比及动态范围。

实现长距离，大规模阵列传感，还需要功率放大器对输入传感阵列的探测光信号进行放大，同时需要前置放大器对传感阵列返回的携带有声音信息的干涉光信号进行二次放大。但由于目前通用的EDFA放大器要求信号的饱和输入功率阈值偏低(一般低于-10dBm)，不能满足水声系统光放大器靠近发射端，输入功率较高的要求且噪声系数偏大(一般为5)，同时由于传感光纤中固有的非线性效应，大大限值了EDFA作为前置放大器的使用范围。由于使用了波分复用、空分复用等方式，传感阵列中包含的时分传感阵列数目逐渐增加，由于时分传感阵列通道间的隔离度不够，造成不同阵列间的信号串扰增加，严重限制了水听器在探测应用中的解调效果。

技术实现要素：
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本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种结构合理、工作可靠、测量准确的基于PGC原理的光纤水听器系统。

本发明可以通过以下措施达到：

一种基于PGC原理的光纤水听器系统，其特征在于设有光源调制单元、多波长单频激光发射单元、第一功率均衡单元、波分复用器、脉冲调制器、第一放大器、传感阵列、第二放大器、解波分复用器、第二功率均衡单元、光电转换单元、信号解调及显示单元，其中光源调制单元对多波长单频激光发射单元输出的多波长单频连续光信号进行调制，调制后的信号进入第一功率均衡单元，第一功率均衡单元输出的信号进入波分复用器的输入端口，波分复用器的输出端口与脉冲调制器的输入端相连，脉冲调制器的输出信号经过第一放大器的放大处理后送入传感阵列，传感阵列的输出信号经第二放大器处理后送入解波分复用器的输入端，解波分复用器的输出端与第二功率均衡单元的对应波长输入端口相连接，第二功率均衡单元的输出端与光电转换单元相连接，光电转换单元与信号解调与显示单元相连接。

本发明所述传感阵列包含多组分波器、时分传感阵列与合波器，每组时分传感阵列与一个波长的单频光源相对应，分波器的COM端口为输入端口，透射端口连接每一组时分传感阵列的输入端，反射端口连接下一个分波器的COM端口，时分传感阵列的输出端口连接对应波长合波器的透射端口，合波器的COM端口连接前一个合波器的反射端口。

本发明所述光源调制单元能够同时输出最多16路的正弦调制信号，该调制电压信号的调节范围为-4V～+4V,频率调制范围为0～100KHz。

本发明所述的多波长激光发射单元输出按照ITU-T G.692标准规定的以C34通道为中心，线宽小于10KHz的多波长光信号，输出波长通道数小于16。

本发明中第一功率均衡单元与第二功率均衡单元为同一类功能单元，包含与多波长激光发射单元相同的通道数，每个通道连接一支光学可调衰减器，该光学可调衰减器可以是机械式光学手动可调衰减器，也可以是微机电式(MEMS)光学可调衰减器，对任一种可调衰减器，其衰减范围应满足0.7dB～40dB。

本发明波分复用器、解波分复用器为同类器件，所述的波分复用器、解波分复用器工作波长与多波长激光发射单元输出的波长数目相同且一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm,插入损耗小于4dB,且各通道间隔离度不低于30dB。

本发明所述脉冲调制器的工作波长为1550±30nm,工作频率低于120MHz，消光比大于50dB,光脉冲上升时间小于50ns。

本发明第一放大器为EDFA放大器，输入波长范围为1529nm～1563nm,输入光功率小于-5～5dBm,输出功率0～13dBm可调，输入隔离度为大于40dB，噪声指数小于4.5dB。

本发明所述的传感阵列7包含与多波长激光发射单元2波长数目相同的分波器、合波器及时分传感阵列，每一组分波器与合波器为同类器件且透射波长与多波长激光发射单元波长一一对应，中心波长精度小于±0.2nm,通道隔离度大于30dB，时分传感阵列为多个串联形式的光纤干涉仪，可以是迈克尔逊式或马赫-泽德尔式等，在每一组时分传感阵列输入端均设有一支光纤隔离器。

本发明中第二放大器为光纤拉曼放大器，其工作波长范围为1520～1560nm，输入光功率范围为-40～-10dBm,等效噪声系数小于-3dB,典型增益小于16dB,输入端、输出端隔离度均大于30dB。

本发明中光电转换单元通道数目与多波长激光发射单元输出波长数目相同，其内部集成了相应数目的场效应管PIN探测器及模拟/数字转换芯片，探测器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB带宽小于50MHz，模拟/数字转换芯片采样率不低于100Msps,精度不低于12bit。

本发明中信号解调与显示单元包括能执行解调算法的计算机及其显示软件部分，其特征是既能显示对应某一特定波长的时分传感阵列的整体信号，又能显示时分传感阵列中特定传感阵元的信号。

本发明工作时，光源调制单元通过输出与多波长激光发射单元波长数目对应的一定幅值及频率正弦电压信号，同时对多波长激光发射单元进行幅度和频率调制，多波长激光发射单元发出的包含多个波长且受到调制的探测光通过波分复用器耦合进同一根光纤并进入脉冲调制器，探测光被调制成为具有一定宽度的脉冲光，脉冲光信号进入第一放大器进行功率放大，弥补光信号调制、传输过程中的功率损耗，第一放大器具有较高的饱和输入功率，同时需控制第一放大器的输出功率，避免传感阵列中出现非线性效应。经过放大的脉冲光信号进入传感阵列后，不同波长的探测光信号经过对应波长的分波器进入相应的时分传感阵列，时分传感阵列中的水听器阵元探测到环境声音信号后经过与分波器对应的合波器返回“干端”进行解调与显示。携带有声音信号的探测光信号在传输过程中受到第二光纤放大器的分布式放大，能够在不降低信号信噪比的情况下提高光信号进入解波分复用器的功率。光信号经过解波分复用器后将不同波长的光分离，通过第二功率均衡单元调节进入光电转换单元,经过光电转换后的信号进入信号解调与显示单元，解调出”湿端“传感阵列获取的声音信号并显示信号的频谱信息。

本发明的有益效果在于：1、本方案采用了两套功率均衡单元，即第一、第二功率均衡单元，不仅能够调节不同波长的激光输入信号保持功率基本相同，同时也能动态调节从传感阵列返回的各个波长的信号功率保持基本一致，最大限度的提高输入信号的功率一致性。2、本发明不仅使用了功率放大与前置放大器组合的方式分别对探测光和干涉信号进行放大，有效保证了返回信号光的功率。同时，前置放大器采用了拉曼放大器的分布式放大方案，起到同等放大倍数的同时，噪声可降低1.5dB，相对传统的EDFA放大方案，有效降低了系统的噪声水平。3、本发明在”湿端“传感阵列中的时分传感阵列的入射端设计了隔离度大于60dB的光纤隔离器，能够防止不同时分传感阵列的信号由于系统隔离度不够造成的通道间串扰，降低了通道间串扰对信号分析的不利影响。

附图说明：

附图1是本发明的结构框图。

附图2是本发明中传感阵列的结构框图。

附图标记：光源调制单元1、多波长单频激光发射单元2、第一功率均衡单元3、波分复用器4、脉冲调制器5、第一放大器6、传感阵列7、第二放大器8、解波分复用器9、第二功率均衡单元10、光电转换单元11、信号解调及显示单元12、分波器13、时分传感阵列14、合波器15。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明光源调制单元1通过输出频率和幅值可变的正弦电压信号，对多波长激光发射单元2输出的多波长单频连续光信号进行载波调制，受到调制的多波长信号进入第一功率均衡单元3，经过功率均衡处理的多波长信号连接波分复用器4的输入端口，波分复用器4的输出端口与脉冲调制器5的输入端口相连，脉冲调制器5的输出端口经过第一放大器6的放大作用进入传感阵列7，传感阵列7包含多组分波器13，时分传感阵列14与合波器15，每组时分传感阵列与一个波长的单频光源相对应，分波器13的COM端口为输入端口，透射端口连接每一个时分传感阵列的输入端，反射端口连接下一个分波器的COM端口。时分传感阵列14的输出端口连接对应波长合波器15的透射端口，合波器15的COM端口连接前一个合波器的反射端口。传感阵列7的输出端通过第二放大器8与解波分复用器9的输入端口相连接。解波分复用器9的输出端口与第二功率均衡单元10的对应波长输入端口连接，经过功率均衡处理后的光信号通过光电转换单元11及信号解调与显示单元12，完成对声音信号的解调与显示；所述的光源调制单元1能够同时输出最多16路的正弦调制信号，该调制电压信号的调节范围为-4V～+4V,频率调制范围为0～100KHz；所述的多波长激光发射单元2可以输出按照ITU-T G.692标准规定的以C34通道为中心，线宽小于10KHz的多波长光信号，输出波长通道数小于16；所述的第一功率均衡单元3与第二功率均衡单元10为同一类功能单元，包含与多波长激光发射单元2相同的通道数，每个通道连接一支光学可调衰减器，该光学可调衰减器可以是机械式光学手动可调衰减器，也可以是微机电式(MEMS)光学可调衰减器，对任一种可调衰减器，其衰减范围应满足0.7dB～40dB；所述的波分复用器4、解波分复用器9为同类器件，所述的波分复用器4、解波分复用器9工作波长与多波长激光发射单元2输出的波长数目相同且一一对应，且中心波长精度小于正负0.1nm,插入损耗小于4dB,且各通道间隔离度不低于30dB；所述的脉冲调制器5的工作波长为1550±30nm,工作频率低于120MHz，消光比大于50dB,光脉冲上升时间小于50ns；所述的第一放大器6为EDFA放大器，输入波长范围为1529nm～1563nm,输入光功率小于-5～5dBm,输出功率0～13dBm可调，噪声指数小于4.5dB；所述的传感阵列7包含与多波长激光发射单元2波长数目相同的分波器13、合波器15及时分传感阵列14。每一组分波器13与合波器15为同类器件且透射波长与多波长激光发射单元2波长一一对应，中心波长精度小于±0.2nm,通道隔离度大于30dB。所述的时分传感阵列14为多个串联形式的光纤干涉仪，可以是迈克尔逊式或马赫-泽德尔式等，其特征在于在每一条时分传感阵列14输入端均设有一支隔离度大于60dB的光纤隔离器；所述的第二放大器8为光纤拉曼放大器，其工作波长范围为1520～1560nm，输入光功率范围为-40～-10dBm,等效噪声系数小于-3dB,典型增益小于16dB，输入端、输出端隔离度均大于30dB；所述的光电转换单元通道数目与多波长激光发射单元2输出波长数目相同，其内部集成了相应数目的场效应管PIN探测器及模拟/数字转换芯片，探测器跨阻抗不小于100KV/W，-3dB带宽小于50MHz，模拟/数字转换芯片采样率不低于100Msps，精度不低于12bit；所述的信号解调与显示单元12包括能执行解调算法的计算机及其显示软件部分，其特征是既能显示对应某一特定波长的时分传感阵列14的整体信号，又能显示时分传感阵列14中特定传感阵元的信号。

本发明的有益效果在于：1、本方案采用了两套功率均衡单元，即第一、第二功率均衡单元，不仅能够调节不同波长的激光输入信号保持功率基本相同，同时也能动态调节从传感阵列返回的各个波长的信号功率保持基本一致，最大限度的提高输入信号的功率一致性。2、本发明不仅使用了功率放大与前置放大器组合的方式分别对探测光和干涉信号进行放大，有效保证了返回信号光的功率。同时，前置放大器采用了拉曼放大器的分布式放大方案，起到同等放大倍数的同时，噪声可降低1.5dB，相对传统的EDFA放大方案，有效降低了系统的噪声水平。3、本发明在”湿端“传感阵列中的时分传感阵列的入射端设计了隔离度大于60dB的光纤隔离器，能够防止不同时分传感阵列的信号由于系统隔离度不够造成的通道间串扰，降低了通道间串扰对信号分析的不利影响。