一种便携式光转电集成光纤水听器及其测试系统的制作方法

1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种便携式光转电集成光纤水听器及其测试系统，用于标定测试。


背景技术：

2.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。光纤水听器具有灵敏度高，频响特性好等特点。而光纤水听器系统测试应用较为复杂，在没有专业的光学工程师情况下，搭建正确可用的光纤水听器测试设备较为困难。


技术实现要素：

3.为了使非光学科研人员也能正常使用光纤水听器进行相关领域的测试研究，本发明提出一种便携式光转电集成光纤水听器及其测试系统，集成了可调制窄线宽光源，光纤水听器，光电探测器于一体，然后进行透声性、防水性密封封装，从而形成便携可靠的，输出信号为电信号的便携式光转电集成光纤水听器，这样即可在没有光学工程师协助下，依然能够让科研人员正常进行标定、测试等用途。
4.本发明的目的之一通过以下技术方案实现：提供一种便携式光转电集成光纤水听器，包括可调制窄线宽光源、光纤水听器、光电探测器、传输线缆、母头电源接口和两个bnc接口，可调制窄线宽光源、光纤水听器和光电探测器密封封装，传输线缆包括第一信号传输缆、第二信号传输缆和电源线缆，可调制窄线宽光源的光纤输出端和光纤水听器的光纤输入端连接，光纤水听器的光纤输出端和光电探测器的光纤输入端连接，光电探测器的输出端连接到第一信号传输缆的一端，第一信号传输缆的另一端和其中之一bnc接口进行连接，可调制窄线宽光源的调制接口和第二信号传输缆的一端连接，第二信号传输缆的另一端和其中之二bnc接口连接，可调制窄线宽光源以及光电探测器的电源供电管脚与电源线缆的一端连接，电源线缆的另一端与母头电源接口连接。
5.作为进一步的改进，所述光纤水听器为基于迈克逊干涉原理研制的高灵敏度芯轴型光纤水听器，包括内筒、外筒、参考臂光纤、传感臂光纤、弹性体、光纤和空气腔，所述内筒和外筒同轴设置，且内筒置于外筒内部，所述外筒上设置有支撑刚体，支撑刚体用于外部封装支撑受力，所述参考臂光纤绕设于内筒上，所述传感臂光纤绕设外筒上，所述弹性体套设在内筒内，所述光纤绕设于弹性体上，所述弹性体的内层是空气，所述空气腔开设于所述外筒上。
6.作为进一步的改进，所述便携式光转电集成光纤水听器还包括设置于传输线缆与光电探测器之间的功放，光电探测器的输出端与功放的输入端连接，功放的输出端与第一信号传输缆的一端连接。
7.作为进一步的改进，光纤水听器采用透声橡胶进行封装；光电探测器和可调制窄线宽光源整体采用不锈钢进行封装。
8.作为进一步的改进，所述便携式光转电集成光纤水听器还包括密封装置，光纤水听器采用透声橡胶封装后置于密封装置内，光电探测器和可调制窄线宽光源整体采用不锈钢封装后置于密封装置内。
9.作为进一步的改进，所述功放与光电探测器和可调制窄线宽光源整体采用不锈钢进行封装。
10.作为进一步的改进，所述可调制窄线宽光源选用10dbm，线宽为3khz的蝶形光源；和/或功放型号为ad8021；和/或光电探测器带宽为32mhz@3db，电压响应度为130kv/w，长度*直径的尺寸大小为13*7.8mm。
11.作为进一步的改进，所述便携式光转电集成光纤水听器通过以下步骤制作：
12.步骤1：将可调制窄线宽光源的光纤输出端和光纤水听器的光纤输入端进行连接；
13.步骤2：将光纤水听器的光纤输出端和光电探测器光纤输入端进行连接；
14.步骤3：将功放和光电探测器信号输出端进行连接；
15.步骤4：将光电探测器的输出端与功放的输入端连接，将功放的输出端连接到第一信号传输缆的一端，第一信号传输缆的另一端和其中之一bnc接口进行连接；
16.步骤5：将可调制窄线宽光源的调制接口和第二信号传输缆的的一端进行连接，第二信号传输缆的另一端和其中之二bnc接口进行连接；
17.步骤6：将可调制窄线宽光源、功放、光电探测器的电源供电管脚通过传输线缆中的电源线缆进行连接，传输线缆中的电源线缆的另一端与母头电源接口进行连接；
18.步骤7：将可调制窄线宽光源、光纤水听器、光电探测器、功放进行透声性、防水性密封封装。
19.本发明的目的之二通过以下技术方案实现：提供一种便携式光转电集成光纤水听器测试系统，包括计算机、采集卡以及其上任一项所述的便携式光转电集成光纤水听器，光纤水听器通过母头电源接口与外部电源连接，两个bnc接头连接到采集卡上，采集卡和计算机连接。
20.作为进一步的改进，所述计算机通过pgc算法直接调频，间接调相，实现便携式光转电集成光纤水听器的标定测试，具体过程如下：
21.首先，在pgc算法中通过相干解调法或带通滤波法提取出一对正交项，即分离出一对奇次频和偶次频；
22.其次，在上述一对正交项中通过微分交叉相乘或反正切法线性地提取出待测相位来，实现便携式光转电集成光纤水听器的标定测试。
23.本发明提供的便携式光转电集成光纤水听器包括可调制窄线宽光源、光纤水听器、光电探测器、传输线缆、母头电源接口和两个bnc接口，可调制窄线宽光源、光纤水听器和光电探测器密封封装，传输线缆包括第一信号传输缆、第二信号传输缆和电源线缆，可调制窄线宽光源的光纤输出端和光纤水听器的光纤输入端连接，光纤水听器的光纤输出端和光电探测器的光纤输入端连接，光电探测器的输出端连接到第一信号传输缆的一端，第一信号传输缆的另一端和其中之一bnc接口进行连接，可调制窄线宽光源的调制接口和第二信号传输缆的一端连接，第二信号传输缆的另一端和其中之二bnc接口连接，可调制窄线宽光源以及光电探测器的电源供电管脚与电源线缆的一端连接，电源线缆的另一端与母头电源接口连接。相比现有技术，集成可调制窄线宽光源，光纤水听器，光电探测器于一体，然后
将集成的器件进行透声性、防水性密封封装，从而形成便携可靠，输出信号为电信号的便携式光转电集成光纤水听器，具有结构简单，携带可靠，标定测试简单、准确的优点。
附图说明
24.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
25.图1是一种便携式光转电集成光纤水听器的结构简图。
26.图2是高灵敏度芯轴型光纤水听器的剖面图。
27.图3是光电探测器的结构示意图。
28.图4是便携式光转电集成光纤水听器的封装样式图。
29.图5是便携式光转电集成光纤水听器的制作流程图。
30.图6是便携式光转电集成光纤水听器测试系统。
31.图7是便携式光转电集成光纤水听器测试软件示意图。
32.图8是便携式光转电集成光纤水听器测试软件算法示意图。
33.图9是便携式光转电集成光纤水听器相位灵敏度示意图。
34.图10是50khz载波频率下信号频率与最大检测信号幅度的关系。
35.图11是便携式光转电集成光纤水听器相位噪声示意图。
36.图12是便携式光转电集成光纤水听器采集解调信号示意图。
37.附图标记说明：
38.1、可调制窄线宽光源；2、光纤水听器；3、光电探测器；4、密封装置；5、功放；6、bnc接口；7、母头电源接口；8、传输线缆；9、透声橡胶；10、不锈钢；21、内筒；22、外筒；23、参考臂光纤；24、传感臂光纤；25、空气腔；26、支撑刚体。
具体实施方式
39.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.如图1所示，本发明实施例提供的便携式光转电集成光纤水听器由可调制窄线宽光源、光纤水听器2、光电探测器3、密封装置4、功放5、两个bnc(bayonetnut connector，刺刀螺母连接器)接口6和一个母头电源接口7、传输线缆8组成，功放5设置于传输线缆8与光电探测器3之间，光纤水听器2传感器输出信号形式为电信号。本实施例中可调制窄线宽光源优选选用10dbm，线宽为3khz的蝶形光源，母头电源接口7为一个dc5.5*2.1mm的母头电源接口，传输线缆8选用长度100米，直径d3为9mm的规格。具体地，本实施例中，可调制窄线宽光源、光纤水听器2、功放5和光电探测器3密封封装于密封装置4内，传输线缆8包括第一信号传输缆、第二信号传输缆和电源线缆，可调制窄线宽光源的光纤输出端和光纤水听器2的光纤输入端连接，光纤水听器2的光纤输出端和光电探测器3的光纤输入端连接，光电探测器3的输出端与功放5的输入端连接，功放5的输出端与第一信号传输缆的一端连接，第一信号传输缆的另一端和其中之一bnc接口6进行连接，可调制窄线宽光源的调制接口和第二信
号传输缆的一端连接，第二信号传输缆的另一端和其中之二bnc接口6连接，可调制窄线宽光源以及光电探测器3的电源供电管脚与电源线缆的一端连接，电源线缆的另一端与母头电源接口7连接。通过上述设置，集成可调制窄线宽光源，光纤水听器2，光电探测器3于一体，然后将集成的器件进行透声性、防水性密封封装，从而形成便携可靠，输出信号为电信号的便携式光转电集成光纤水听器，这样即使在没有光学工程师协助下，依然能够让科研人员正常进行标定、测试等用途，具有标定测试简单、准确的优点。需要说明的是，本发明中传输线缆8也可选用长度为30米规格，直径d3为9mm的规格，此时，便携式光转电集成光纤水听器中不需要功放5，光纤水听器2的光纤输出端和光电探测器3的光纤输入端连接，光电探测器3的输出端连接到第一信号传输缆的一端。
41.如图2所示，本发明中光纤水听器2为基于迈克逊干涉原理研制的高灵敏度光纤水听器2采用双层腔设计，包括内筒21、外筒22、参考臂光纤23、传感臂光纤24、弹性体、光纤和空气腔25，内筒21和外筒22同轴设置，且内筒21置于外筒22内部，外筒22上设置有支撑刚体26，支撑刚体26用于外部封装支撑受力，参考臂光纤23绕设于内筒21上，传感臂光纤24绕设外筒22上，弹性体套设在内筒21内，光纤绕设于弹性体上，弹性体的内层是空气，空气腔25开设于所述外筒22上，空气腔25的引入是增大探头的灵敏度以及平衡静水压，优选地，内筒21和外筒22的衔接部分采用胶水固定。该光纤水听器2的声压灵敏度可高达
‑
145db。声压灵敏度是评价光纤水听器2的关键指标，也是光纤水听器2结构设计的重要参数。本发明中光纤水听器2结构优选为纵向中心轴对称，垂直方向中心是受力点，使光纤水听器2结构左右对称。
42.同时，作为进一步优选的实施方式，本发明中可调制窄线宽光源，光纤水听器2，光电探测器3可进行透声性、防水性密封封装，光纤水听器2优选采用透声橡胶9封装后置于密封装置4内，光纤水听器2封装后的直径d1为36mm，长度为l1为100mm；光电探测器3和可调制窄线宽光源整体优选采用不锈钢10封装后置于密封装置4内，光电探测器3和可调制窄线宽光源整体封装后的直径d2为36mm，长度l2为80mm；则便携式光转电集成光纤水听器内所有器件总的封装尺寸为直径*长度为36*180mm，具体参见图4，但上述器件封装尺寸并不局限于此。需要说明的是，本发明中功放5也可进行透声性、防水性密封封装，当便携式光转电集成光纤水听器中包括功放5时，光电探测器3、功放5和可调制窄线宽光源整体采用不锈钢10封装后置于密封装置4内。
43.此外，值得提及的是，本发明中功放5型号为ad8021，光电探测器3带宽为32mhz@3db，电压响应度为130kv/w，尺寸大小长度a*直径b为13*7.8mm，其结构具体参见图3。
44.作为进一步优选的实施方式，参见图5，上述便携式光转电集成光纤水听器通过以下步骤制作：
45.步骤1：将可调制窄线宽光源的光纤输出端和光纤水听器2的光纤输入端进行连接；
46.步骤2：将光纤水听器2的光纤输出端和光电探测器3光纤输入端进行连接；
47.步骤3：将功放5和光电探测器3信号输出端进行连接；
48.步骤4：将光电探测器3的输出端与功放5的输入端连接，将功放5的输出端连接到第一信号传输缆的一端，第一信号传输缆的另一端和其中之一bnc接口6进行连接；
49.步骤5：将可调制窄线宽光源的调制接口和第二信号传输缆的的一端进行连接，第
二信号传输缆的另一端和其中之二bnc接口6进行连接；
50.步骤6：将可调制窄线宽光源、功放5、光电探测器3的电源供电管脚通过传输线缆8中的电源线缆进行连接，传输线缆8中的电源线缆的另一端与母头电源接口7进行连接；
51.步骤7：将可调制窄线宽光源、光纤水听器2、光电探测器3、功放5进行透声性、防水性密封封装，其中光纤水听器2部分采用透声橡胶9进行封装，封装后直径36mm，长度100mm；光电探测器3、功放5和可调制窄线宽光源采用不锈钢10封装，以便进行散热，封装后直径36mm，长度80mm，则便携式光转电集成光纤水听器内器件总的封装尺寸的直径*长度为36*180mm。
52.将本发明便携式光转电集成光纤水听器按上述步骤连接封装制作完成后，进行相关性能测试，测试系统搭建如附图6所示，包括计算机、采集卡以及其上所述的便携式光转电集成光纤水听器，光纤水听器2通过母头电源接口7与外部电源连接，两个bnc接头连接到采集卡上，采集卡和计算机连接。具体地，将本发明的便携式光转电集成光纤水听器通过dc5.5*2.1mm的母头电源接口7接通到5v电源，两个bnc接头连接到ni
‑
6251采集卡，ni
‑
6251采集卡和计算机连接即可。然后即可通过在计算机上编写相关程序，得到相关测试结果，可见附图7。
53.同时，本实施例提供的一种便携式光转电集成光纤水听器测试软件算法如图8所示。本实施例采用相位产生载波(phase generated carrier，pgc)算法实现，通过直接调频，间接调相(即直接调制激光器频率，干涉仪将频率调制转化为相位调制)，实现便携式光转电集成光纤水听器的标定测试。
54.具体地，施加了pgc相位载波调制，其干涉条纹可表示为：
55.i
pgc
＝ηi0[1+k
·
cos(ccos(ω0t)+φ(t))]
[0056]
＝a+b
·
cos(ccos(ω0t)+φ(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
φ(t)＝φ
s
(t)+φ0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
其中，i0为输入光功率，η为光路损耗，k为干涉条纹的可见度，a、b分别为干涉条纹的直流项、交流项，c为pgc相位调制幅度，设定为2.63rad，ω0为pgc调制频率，φ(t)为干涉仪相位信号，包含初始相位工作点φ0和待测水声相位信号φ
s
(t)。
[0059]
对(1)式进行bessel(贝塞尔)展开：
[0060][0061]
式中，k表示阶数，j0(c)表示0阶bessel函数，j
2k
(c)表示偶数阶bessel函数，j
2k+1
(c)表示奇数阶bessel函数。
[0062]
从式(3)中可以看出，载波的奇次频和偶次频分别携带了包含待测相位的一对正交项。pgc算法首先需要提取出一对正交项，即分离出一对奇次频和偶次频，如图8中的(a)部分。正交项的提取方法有带通滤波法和相干解调法：带通滤波法利用两个带通滤波器分别锁定一路奇次频和一路偶次频进行滤波，然后进行幅度检测；而相干解调法通过与同步
载波进行混频，实现下变频，然后进行低通滤波。相比带通滤波器，低通滤波器更容易获得较为理想的滤波性能，此外，幅度检测会引入额外噪声，相干解调具有更高的信噪比。
[0063]
优选地，本发明实施例采用相干解调法，如图8中(a)部分所示，将式(3)与载波信号cos(ω0t)和载波二倍频信号cos(2ω0t)分别相乘，再进行低通滤波，截止频率为pgc载波频率的一半。在本便携式光转电集成光纤水听器测试系统中，二倍频载波通过一倍频载波运算得到。两路低通滤波后，得到的正交项为：
[0064]
l1(t)＝
‑
bj1(c)sinφ(t)
[0065]
l2(t)＝
‑
bj2(c)cosφ(t)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0066]
式中，l1(t)、l2(t)表示一对正交项，j1(c)表示1阶bessel函数，j2(c)表示2阶bessel函数。
[0067]
pgc算法的下一步便是如何从这一对正交项中线性地提取出待测相位来。具体包括两种方法：
[0068]
1)微分交叉相乘(differential
‑
cross
‑
multiplexing，dcm)
[0069]
如图8中(b)部分所示，通过对(4)式进行微分，得到：
[0070][0071][0072]
式中，d1(t)、d2(t)表示一对正交项微分项。
[0073]
计算d1(t)
×
l2(t)
‑
d2(t)
×
l1(t)得到：
[0074][0075]
然后对式(6)进行积分，得到：
[0076]
b2j1(c)j2(c)φ(t)
ꢀꢀ
(7)
[0077]
由于初始相位工作点漂移φ0为缓慢变化，频率极低，因此对式(7)进行高通滤波(带通滤波)，滤去信号频带外的噪声和干扰，得到：
[0078]
φ
pgc
‑
dcm
(t)＝b2j1(c)j2(c).φ
s
(t)
ꢀꢀ
(8)
[0079]
式中，φ
pgc
‑
dcm
(t)表示未标定量化的相位解调结果。
[0080]
进而通过标定系数，可得到相位解调结果：
[0081][0082]
由于干涉条纹的交流项b为和光强、干涉条纹可见度有关的参量，不易直接测量，在系统中通常在进行pgc算法之前将其归一化为一个常数，则b2j1(c)j2(c)合并为一个常数，对系统进行标定即可得到。
[0083]
2)反正切(arctangent，arctan)
[0084]
如图8中(c)部分所示，将式(4)中的正交项l1(t)和l2(t)相除，得到：
[0085]
[0086]
调节pgc相位调制幅度c值至2.63rad，有：j1(c)＝j2(c)，因此有：
[0087][0088]
再进行带通滤波后，进而得到相位解调结果φ
s
(t)。
[0089]
采集信号解调结果示例图见附图12。
[0090]
本发明光纤水听器2性能测试如附图9、10、11所示。图9是便携式光转电集成光纤水听器相位灵敏度示意图，从中可知纵坐标声压灵敏度随横坐标频率的值的变化影响较小，在频率为40hz时声压灵敏度为
‑
144.4db，在频率为160hz时声压灵敏度为
‑
145.7db。图10是50khz载波频率下信号频率与最大检测信号幅度的关系，从中可知纵坐标最大检测信号幅度随横坐标信号频率的值逐渐增加而减小，在信号频率约为100hz时最大检测信号幅度最高，为280rad左右。图11是便携式光转电集成光纤水听器相位噪声示意图，从中可知纵坐标相位噪声随横坐标声信号频率的值逐渐增加而减小，在频率为1000hz时相位噪声为
‑
104dbrad/√hz左右。
[0091]
本发明集成了可调制窄线宽光源1，光纤水听器2，光电探测器3于一体，然后进行透声性、防水性密封封装，从而形成便携可靠，输出信号为电信号的便携式光转电集成光纤水听器，结构简单、搭建方便，一方面在没有光学工程师协助下，依然能够让科研人员正常进行标定、测试等用途；另一方面，又可以获得光纤水听器的灵敏度高，频响特性好、简单容易使用等特性，提高了标定测试的准确性。
[0092]
上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0093]
总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。