一种大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统的制作方法

本发明属于传感器领域，涉及一种大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统。

背景技术：

目前，针对空中目标落入海上的测量方法主要有水柱雷达、航测、空气声学测量、水声测量等，其中水声测量方式与其他测量方式相比，环境适应性强，可以在夜间、恶劣天气(大雾、强降水等)、恶劣海况以及各种海域下执行测量任务。针对空中目标落入海上的测量需求，采用基于光纤水听器系统的声呐浮标水声测量方案，在海上目标区域范围内，以目标位置为圆心，在指定半径的某一圆周上均匀布放多套光纤水听器声呐浮标，形成长基线阵列。与传统压电式水听器阵列相比，光纤水听器阵列具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥测和构成大规模阵列等特点。

当空中目标落入海上的击水能量较大时，一般水听器容易出现限幅现象，导致无法进行定位。因此用于测量落点定位的光纤水听器系统需要具有较高的动态范围上限。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，通过提高外差频率来增加光纤水听器系统的动态范围上限，满足大动态范围的测量需求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，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、声光调制器驱动、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、传感探头以及信号解调模块；

窄线宽激光器输出的连续光经过第一耦合器分为两束光，两束光分别进入第一声光调制器与第二声光调制器，两束光被第一声光调制器与第二声光调制器调制成频率不同的两束脉冲光；第一声光调制器输出的脉冲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光直接输入到第二耦合器；第二耦合器将两束输入脉冲光进行耦合后再分为两束，第二耦合器输出其中一束脉冲光经过第一环形器后进入参考探头，参考探头将脉冲光反射后作为参考光信号输出，参考光信号经过第一环形器后进入第一光电探测器，第一光电探测器对参考光信号进行光电转换，第一光电探测器输出电信号给信号解调模块；第二耦合器输出的另一束脉冲光经过第二环形器后进入到传感探头，传感探头将脉冲光反射后作为传感光信号输出，传感光信号经过第二环形器后进入第二光电探测器，第二光电探测器对传感光信号进行光电转换，第二光电探测器输出电信号给信号解调模块，信号解调模块根据接收到的两路电信号解调出水声信号。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，脉冲光经过所述第一光纤延时环的延时时间大于等于脉冲光的脉宽。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，参考探头包括第三耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜与第二光纤延时环；

进入参考探头的脉冲光经过第三耦合器后分成两路，一路脉冲光经过第一法拉第旋转镜反射后输出到第三耦合器；另一路脉冲光经过第二光纤延时环进行延时，延时后的脉冲光通过第二法拉第旋转镜进行反射，反射后的脉冲光经过第二光纤延时环延时后输出到第三耦合器；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一环形器。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，第三耦合器处耦合的两路反射信号的光程差与脉冲光经过第一光纤延时环的光程相同。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，传感探头包括第四耦合器、第三法拉第旋转镜、第四法拉第旋转镜与第三光纤延时环；

进入传感探头的脉冲光经过第四耦合器后分成两路，一路脉冲光经过第三法拉第旋转镜反射后回到第四耦合器中，另一路脉冲光经过第三光纤延时环进行延时，延时后的脉冲光通过第四法拉第旋转镜进行反射，反射后的脉冲光经过第三光纤延时环延时后输出到第四耦合器中，第四耦合器将收到的两路反射信号进行耦合，输出传感光信号到第二环形器。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，第四耦合器处耦合的两路反射信号的光程差与脉冲光经过第一光纤延时环的光程相同。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，所述参考探头的外部设有隔音、隔振的封装。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，所述传感探头的外部设有增敏的封装，用于拾取水声信号。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，所述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统的动态范围为D，D取第一动态范围上限D1max和第二动态范围上限D2max的最小值；

其中

式中，Δf为外差信号脉冲序列的拍频，fs为声信号的频率，fsam为外差干涉式光纤水听器系统的有效采样率。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，所述外差信号脉冲序列的拍频Δf为：

Δf＝f1-f2

其中，f1为第一声光调制器输入端的连续光，与，第一声光调制器输出端的脉冲光之间的频率差；f2为第二声光调制器输入端的连续光，与，第二声光调制器输出端的脉冲光之间的频率差。

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，所述第一声光调制器和第二声光调制器输出的脉冲光的脉冲宽度均为τ，τ的取值范围为：

其中，Δf为外差信号脉冲序列的拍频，；

所述所述第一声光调制器和第二声光调制器输出的脉冲光的周期均为t，t的取值范围为：

t≥3T

式中

其中，fsam为外差干涉式光纤水听器系统的有效采样率，T为脉冲序列的脉冲间隔，2L为第一光纤延时环的光纤长度，n是光纤折射率，c是光速；所述T的取值范围为：

T≥τ

上述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统，所述大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统还包括隔离器，窄线宽激光器输出的连续光经过隔离器后输入到第一耦合器。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过控制第一声光调制器和第二声光调制器的移频频率可以提高外差载波频率，从而提高光纤水听器系统的动态范围上限，保证解调大幅度信号时不出现饱和的现象，从而能更好的应用在目标定位测量系统中；

(2)本发明通过第一声光调制器和第二声光调制器的移频得到高频率的载波信号，远离低频区域的干扰，提高光纤水听器系统的信噪比；

(3)本发明通过控制第一光纤延时环、第二光纤延时环、第三光纤延时环的长度，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；

(4)本发明在外差频率较高时，设置合理的脉冲宽度，可以在一个拍频脉冲内获得一个周期以上的载波信号，因此载波信号可以直接拾取，不需要再进行带通滤波，载波信号与参考信号交叉相乘后的低通滤波的阶数比较低，这两方面都大大降低了数字系统的资源，提高了解调的效率。

附图说明

图1为本发明的光路结构图；

图2为本发明的传感探头脉冲序列图；

图3为本发明的解调流程框图。

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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

图1为本发明的光路结构图，大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统包括：窄线宽激光器1、隔离器2、第一耦合器3、第一声光调制器4、第二声光调制器5、第一光纤延时环6、声光调制器驱动7、第二耦合器8、第一环形器9、第二环形器10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、参考探头13、传感探头14以及信号解调模块15；

窄线宽激光器1输出的连续光经过隔离器2后再经过第一耦合器3分为两束光，两束光分别进入第一声光调制器4与第二声光调制器5，两束光被第一声光调制器4与第二声光调制器5调制成频率不同的两束脉冲光；第一声光调制器4输出的脉冲光经过第一光纤延时环6进行延时，脉冲光经过所述第一光纤延时环6的延时时间大于等于脉冲光的脉宽，延时后的脉冲光进入到第二耦合器8，第二声光调制器5输出的脉冲光直接输入到第二耦合器8；第二耦合器8将两束输入脉冲光进行耦合后再分为两束，第二耦合器8输出其中一束脉冲光经过第一环形器9后进入参考探头13，参考探头13将脉冲光反射后作为参考光信号输出，参考光信号经过第一环形器9后进入第一光电探测器11，第一光电探测器11对参考光信号进行光电转换，第一光电探测器11输出电信号给信号解调模块15；第二耦合器8输出的另一束脉冲光经过第二环形器10后进入到传感探头14，传感探头14将脉冲光反射后作为传感光信号输出，传感光信号经过第二环形器10后进入第二光电探测器12，第二光电探测器12对传感光信号进行光电转换，第二光电探测器12输出电信号给信号解调模块15，信号解调模块15根据接收到的两路电信号解调出水声信号。

参考探头13包括第三耦合器131、第一法拉第旋转镜132、第二法拉第旋转镜133与第二光纤延时环134；进入参考探头13的脉冲光经过第三耦合器131后分成两路，一路脉冲光经过第一法拉第旋转镜132反射后输出到第三耦合器131；另一路脉冲光经过第二光纤延时环134进行延时，延时后的脉冲光通过第二法拉第旋转镜133进行反射，反射后的脉冲光经过第二光纤延时环134延时后输出到第三耦合器131；第三耦合器131将收到的两路反射信号进行耦合，第三耦合器131处耦合的两路反射信号的光程差与脉冲光经过第一光纤延时环6的光程相同，输出参考光信号到第一环形器9。参考探头13内使用法拉第旋转镜来抑制偏振衰落现象，消除偏振态变化对参考探头13性能造成的影响。参考探头13的外部设有隔音、隔振的封装。

传感探头14包括第四耦合器141、第三法拉第旋转镜142、第四法拉第旋转镜143与第三光纤延时环144；进入传感探头14的脉冲光经过第四耦合器141后分成两路，一路脉冲光经过第三法拉第旋转镜142反射后回到第四耦合器141中，另一路脉冲光经过第三光纤延时环144进行延时，延时后的脉冲光通过第四法拉第旋转镜143进行反射，反射后的脉冲光经过第三光纤延时环144延时后输出到第四耦合器141中，第四耦合器141将收到的两路反射信号进行耦合，第四耦合器141处耦合的两路反射信号的光程差与脉冲光经过第一光纤延时环6的光程相同，输出传感光信号到第二环形器10。传感探头14内使用法拉第旋转镜来抑制偏振衰落现象，消除偏振态变化对传感探头14性能造成的影响。传感探头14的外部设有增敏的封装，用于拾取水声信号。

外差干涉式光纤水听器系统大动态范围的实现，具体步骤如下：

步骤一、窄线宽激光器1输出频率为f0的连续光经过隔离器2后再经过第一耦合器3分两束光，两束光分别进入第一声光调制器4与第二声光调制器5；第一声光调制器4将连续光调制成周期为t、脉冲宽度为τ、频率为f0+f1的脉冲光，频率为f0+f1的脉冲光经过光纤长度为2L的第一光纤延时环6后进入第二耦合器8；第二声光调制器5将连续光调制成周期为t、脉冲宽度为τ、频率为f0+f2的脉冲光，频率为f0+f2的脉冲光直接进入第二耦合器8；频率为f0+f1的脉冲光与频率为f0+f2的脉冲光的时间间隔为T＝2L*n/c；n是光纤折射率，c是光速。

步骤二、第二耦合器8对步骤一中频率为f0+f1和频率为f0+f2两束脉冲光进行耦合后再分为两束，其中一束经过第二环形器10后进入到传感探头14中，传感探头14的光学结构为非等臂迈克尔逊干涉仪，臂长差为L，反射镜为法拉第旋转反射镜；另一束经过第二环形器9后进入到参考探头13中，考探头13的光学结构为非等臂迈克尔逊干涉仪，臂长差为L，反射镜为法拉第旋转反射镜。

步骤三、进入参考探头13的脉冲光经过第三耦合器131后分成两路，一路脉冲光经过第一法拉第旋转镜132反射后回到第三耦合器131中，另一路脉冲光经过光纤长度为L第二光纤延时环134进行延时，延时后的脉冲光通过第二法拉第旋转镜133进行反射，反射后的脉冲光经过第二光纤延时环134延时后输出到第三耦合器131中，第一法拉第旋转反射镜132反射脉冲光中频率为f0+f1的部分，与，第二法拉第旋转反射镜133反射的频率为f0+f2的部分在第三耦合器131中发生干涉后，形成一组含有拍频为Δf＝f1-f2的外差信号的脉冲序列，脉冲序列的周期为t，脉冲序列的脉冲间隔为T；上述脉冲序列经过第一环形器9后进入第一光电探测器11，第一光电探测器11对脉冲序列进行光电转换，光电转换后的电信号进入信号解调模块15。

步骤四、进入传感探头14的脉冲光经过第四耦合器141后分成两路，一路脉冲光经过第三法拉第旋转镜142反射后回到第四耦合器141中，另一路脉冲光经过光纤长度为L第三光纤延时环144进行延时，延时后的脉冲光通过第四法拉第旋转镜143进行反射，反射后的脉冲光经过第三光纤延时环144延时后输出到第四耦合器141中，第三法拉第旋转反射镜142反射脉冲光中频率为f0+f1的部分，与，第四法拉第旋转反射镜143反射的频率为f0+f2的部分在第四耦合器141中发生干涉后，形成一组含有拍频为Δf＝f1-f2的外差信号的脉冲序列，脉冲序列的周期为t，脉冲序列的脉冲间隔为T；上述脉冲序列经过第二环形器10后进入第二光电探测器12，第二光电探测器12对脉冲序列进行光电转换，光电转换后的电信号进入信号解调模块15。

步骤五、步骤三中参考探头13返回的周期性脉冲序列和步骤四中传感探头14返回的周期性脉冲序列，如图2所示，每个周期内由三个脉冲组成，中间的脉冲为拍频脉冲，其中传感探头14返回的拍频脉冲载有外界的信号。在提高外差频率后，设置脉冲宽度τ，可以在一个拍频脉冲内获得一个周期以上的载波信号。利用反正切的算法对此载波信号直接进行解调，得到外界信号。在周期性脉冲序列中，脉冲序列的周期为t，脉冲序列的脉冲间隔为T和脉冲宽度τ需要满足下列关系：

第二光纤延时环134和第三光纤延时环144的光纤长度均为L，由上式可以看出第二光纤延时环134和第三光纤延时环144光纤的长度决定了外差干涉式光纤水听器系统的最大有效采样率fsam。

步骤六、确定步骤五中各参数的取值范围。在提高外差频率的情况下，为了解调外界信号，外差频率Δf，外差干涉式光纤水听器系统的有效采样率fsam和采集卡采样率facq要满足下列关系：

Δf＝Nfsam，N＝2,3…

当N为整数时，可以使得每个拍频脉冲中的载波信号的形式相同，保证对每个脉冲可以采用相同的数据处理方法，提高处理效率。

此外每个拍频脉冲宽度内至少要有1.25个周期以上的载波信号，由于采用了光学参考探头13，参考探头13的信号与传感探头14的信号相同，只是载波信号中不含有外界信号。参考探头13提供反正切算法中的参考信号，需要对参考信号通过移点法进行正交处理，作为正交参考信号，如图3所示，如果脉冲内的载波信号少于1.25个周期，将导致采样点不足而无法进行移相。因此脉冲宽度τ和外差频率Δf要满足下列关系：

根据奈奎斯特采样定律，要对拍频脉冲内的载波信号进行数字化处理，需要数字化的采样率至少是外差频率的4倍，保证有足够的采样点数。因此外差频率Δf和信号解调模块15中数字化采样率facq要满足下列关系：

步骤七、确定外差干涉式光纤水听器系统的动态范围D。外差干涉式光纤水听器系统的信号φ(t)可以表示为:

其中A为干涉信号的幅度，Δf为外差的频率，φs(t)是外界声信号的形式，D′表示信号的幅度，fs为声信号的频率，φ0为声信号的初始相位，t为时间。

外差频率Δf决定的动态范围的上限可根据卡森准则来推导，有效谐波带宽E和信号瞬时频率的峰值dfp以及声信号的频率fs有关，可以表示为：

E＝2(dfp+fs)

那么

E＝2(D′·fs+fs)

有效谐波的宽度E最大不能超过外差的频率即E<2Δf，由此式可知由外差频率决定的第一动态范围上限D1max可以表示为：

外差干涉式光纤水听器系统的动态范围的上限由外差频率、外差干涉式光纤水听器系统的采样率和解调算法决定。常用的解调算法有微分交叉相乘和反正切，其中反正切算法的动态范围的上限要高于微分交叉相乘。反正切算法的第二动态范围上限D2max可以表示为：

外差干涉式光纤水听器系统的动态范围D，D取第一动态范围上限D1max和第二动态范围上限D2max的最小值。

传统的外差干涉式光纤水听器系统，在光路结构一定的情况下，外差干涉式光纤水听器系统的有效采样率fsam是一个确定值，fsam还决定了外差的频率Δf，两者间的关系要满足奈奎斯特定理，即fsam>4Δf。基于奈奎斯特定理，在系统有效采样频率为定值的情况下，采用提高光纤水听器外差频率上限的方法，能够提高光纤水听器动态范围的效果有限，不能满足测量大幅度信号的需求。为了满足空中目标落入海上的测量需求，在系统采样频率为一定值的情况下，利用提高光纤水听器外差频率来提高系统动态范围上限的方法，使用外差频率大于系统的有效采样频率，二者不再满足奈奎斯特定理，系统上限由系统的有效采样频率决定，外差干涉式光纤水听器系统的动态范围D仍取第一动态范围上限D1max和第二动态范围上限D2max的最小值。而在传统的外差干涉式光纤水听器系统中，D1max小于D2max，因此传统的外差干涉式光纤水听器系统的动态范围的取值为D1max，而本发明不再满足奈奎斯特定理后的动态范围D取值为D2max，所以动态范围远高于传统的外差干涉式光纤水听器系统。

本实施例中，第一光纤延时环6的长度为30m，传感探头14与参考探头13中的迈克尔逊干涉仪的两臂臂长差为15m，这样设计可以保证两声光调制器调制的不同频率脉冲所经过的光程相同，在第三耦合器131与第四耦合器141处分别发生干涉，分别作为参考信号与传感信号。第一声光调制器4的移频频率为95MHz，第二声光调制器5的移频频率为85MHz，脉冲光的频率间隔为1.25MHz，脉冲宽度136ns，在第三耦合器131与第四耦合器141处形成的传感光信号与参考光信号的频率为10MHz。如图3所示，传感光信号与参考光信号经过A/D转换后进行数字解调，采用FPGA进行传感信号与参考信号的预处理，即载波的提取、参考信号90°相移、参考信号与传感信号相乘、低通滤波，然后采用反正切算法进行水声信号的解调，再经过高通滤波得出最后的水声信号。

以上述参数与器件组成的外差干涉式光纤水听器系统，其能解调到的系统的动态范围上限为625rad，是载波频率为200KHz系统动态范围上限的3.1倍，动态范围上限有了较大的提高，满足落点定位测量的需求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。