专利名称：相干激光遥感探测水下声信号的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光遥感，特别是一种相干激光遥感探测水下声信 号的装置，实现远距离、非接触地探测水下声信号，可以用作水下仪器 对水上平台的无线、无中继设备的远距离通信的接收端。
背景技术：
由于水气的特性阻抗不同，大部分水下声波在界面处被反射，穿透 到水面上的声波损耗非常大，为了探测水下声信号，必须将接收换能器 浸入水中，再将探测到的声信号以电缆或无线电方式传送给水上平台， 这种存在湿端中继的探测方式限制了水上平台探测水下声信号的机动 性。为了克服这一难题，当前采用一种激光遥感探测水下声信号的方^ 非相干激光遥感探测水下声信号方法"'21。请参见文献l.桑国明，田作 喜，何锦林，崔桂华，激光窃听技术在水声信号检测中的应用研究，舰 船电子工程，1999年第6期和2.伊厚会，孙金祚，利用激光探测水下声 场的理论研究，烟台大学学报，Vol.16No.4Oct.2003。该方法的原理如图1所示，激光器Ol将激光以固定角度入射水表面03，水下发声器04发出的声信号导致的水表面波动会对激光反射光进行方位调制。对于固定位置的激光接收探测器02而言，反射光的方位变化就会形成探测器面上激光的强度调制，从而将声波的调制信息传递到激光接收探测器02上，这样，利用激光的强度调制信息可以探测水下声信号。该方法是测量激光受水表面的幅度调制，光源采用普通激光器即可，实现难度较低。但是，该方法存在以下缺点(1) 探测灵敏度与激光入射角的余弦值COS(酌成正比，当激光入射角很小时，探测灵敏度大大降低。而对于远距离探测水下声信号，难以 实现大角度测量，因此，该方法无法实现远距离的探测。(2) 发射和接收机的角度必须严格匹配，光路调节难度大。 发明内容本实用新型的目的就是要弥补上述现有的非相干激光遥感探测水下声信号方法的不足，提供一种相干激光遥感探测水下声信号的装置，以实现远距离探测水下声信号，而且该装置应具有探测灵敏度高、测量距离远、光路灵活、结构可靠、调节容易的优点。 本实用新型的技术解决方案如下--种相干激光遥感探测水下声信号的装置，包括激光器、光分束器、 光移频器、光环形器、望远镜、光合束器、光电探测器、电外差解调器、 外差信号驱动放大器，其位置关系是激光器发射的激光经过光分束器 分为探测光和参考光，探测光进入光移频器；电外差解调器输出外差电 信号，经过外差信号驱动放大器放大后驱动光移频器，使通过光移频器 的探测光产生和外差信号相同频率的频移；移频后的探测光进入光环形 器的第--端口，从第二端口输出，再经过望远镜发射到待测水面；水面 的反射光再由该望远镜接收，从光环形器的第二端口进入光环形器，从 第三端口输出，反射光与参考光在光合束器中合束，由光电探测器探测 相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器解调出水下7^信 号的波形。所述的激光器为单频光纤激光器。所述的光移频器为声光移频器。所述的光分束器和光合束器均为光纤结构。所述的光电探测器为PIN光电二极管。所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由单模光纤构成， 望远镜的孔径和焦距比值大于单模光纤数值孔径的2倍。激光器发射的激光经过光分束器分为探测光和参考光，因为探测光 发射和接收都要经过望远镜的耦合损失和目标的反射损失，会有较人的 衰减，因此，分出的探测光应大于参考光。探测光进入光移频器，电外差解调器输出外差电信号，经过外差信 号驱动放大器放大后驱动光移频器，使得通过光移频器的探测光产生和 外差信号相同频率的频移，外差信号的频率大小应参考所测量水下声信 号引起的水面振动速度，确保振动速度引起的光频移小于外差信号的频 率。移频后的探测光进入光环形器的第一端口，从第二端口输出，再经 过望远镜发射到水面；水下仪器发出的声波使水表面形成受迫振动，振 动频率和幅度分别和水下声波的频率和强度--致，水面振动导致探测光 在水面的反射光产生多普勒频移，频移量A/c和水面振动速度K有如下 关系式中S是运动方向和观察方向的夹角，A是激光波长。探测光的水面反射光由同一个望远镜接收，进入光环形器的第二端 口，从第三端口输出，望远镜的孔径和焦距比值最好大于单模光纤数值 孔径的2倍，以确保单模光纤发射的光都能通过望远镜。反射光与参考光在光合束器合束，由光电探测器探测相干光信号， 并将其转化为电信号，该电信号是以外差信号频率为基频的调频信号， 调制频率的大小是水面振动引起的多普勒频移量，经过电外差解调器解 调出调制频率，即可获得水下声信号的波形。本实用新型的技术效果如下1、 本实用新型装置的激光发射和接收为零夹角，即使远距离测量， 也不会出现因夹角变小导致的探测灵敏度下降。2、 本实用新型装置收发共用一个望远镜，测量光路调节简单。3、 本实用新型装置采用全光纤结构，内部光路灵活，结构可靠。
图1为现有非相干激光遥感探测水下声信号方法工作原理示意图， 其中01为激光器，02为激光接收探测器，03为水表面，04为水下发声器。图2是本实用新型相干激光遥感探测水下声信号的装置实施例的 结构示意图，其中l为光纤激光器，2为光分束器，3为声光移频器，4 为光纤环形器，5为望远镜，6为光合束器，7为光电探测器，8为电 外差解调器，9为外差信号驱动放大器，IO为光纤环形器第一端口， 11 为光纤环形器第二端口， 12为光纤环形器第三端口， 13为水表面，14 为水下发声器。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限 制本实用新型的保护范围。先请参阅图2，图2是本实用新型相干激光遥感探测水下声信号的 装置实施例的结构示意图。由图可见，本实用新型相干激光遥感探测水 下声信号的装置的构成包括激光器l、光分束器2、光移频器3、光环 形器4、望远镜5、光合束器6、光电探测器7、电外差解调器8、外差 信号驱动放大器9。其位置关系是激光器1发射的激光经过光分束器2分为探测光和参考光，探测光进入光移频器3;电外差解调器8输出 外差电信号，经过外差信号驱动放大器9放大后驱动光移频器3，使得 通过光移频器3的探测光产生和外差信号相同频率的频移；移频后的探 测光进入光环形器4的第一端口 10,从第二端口ll输出，再经过望远 镜5发射到水面13;水下发声器14发出的声波，导致水面产生和水下 声波一致的振动，水面的振动速度对水面的反射光形成频率调制调频 的反射光再由该望远镜5接收，进入光环形器4的第二端口 11，从第 三端口12输出，反射光与参考光在光合束器6合束，由光电探测器7 探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器8解调出水 下声信号的波形。本实施例所述的激光器1为单频光纤激光器，激光波长为1550nm， 线宽〈8kHz，功率100mW连续输出。所述的光移频器3为声光移频器，光波长为1550nm，频移量为 55MHz。所述的光分束器2和光合束器6均为光纤结构，光分束器分光比 99: 1 =探测光参考光，光合束器合束比99: 1=探测光参考光。所述的光环形器4和望远镜5的组合，实现了单望远镜5同时收发 光信号，发射和接收光轴零夹角，光环形器4的第二端口 ll的输出光 纤端面位于望远镜5的焦平面处，望远镜5的焦距lOOmm， 口径30mm。所述的光电探测器7为PIN光电二极管，为具有前置放大功能的 InGaAs G9806系列。所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由1550nm的单模光纤构成，光纤接口均为FC/APC。经试用表明，本实用新型相干激光遥感探测水下声信号的装置，消 除了现有非相干激光遥感探测水下声信号方法存在的作用距离近和光 路调节难度大的缺点，实现了远距离探测水下声信号，并且具有灵敏度 高、光路灵活、结构可靠、调节容易的优点。
权利要求1. 一种相干激光遥感探测水下声信号的装置，其特征在于该装置包括激光器(1)、光分束器(2)、光移频器(3)、光环形器(4)、望远镜(5)、光合束器(6)、光电探测器(7)、电外差解调器(8)、外差信号驱动放大器(9)，其位置关系是激光器(1)发射的激光经过光分束器(2)分为探测光和参考光，探测光进入光移频器(3)；电外差解调器(8)输出外差电信号，经过外差信号驱动放大器(9)放大后驱动光移频器(3)，使通过光移频器(3)的探测光产生和外差信号相同频率的频移；移频后的探测光进入光环形器(4)的第一端口(10)，从第二端口(11)输出，再经过望远镜(5)发射到水面，水面的反射光再由该望远镜(5)接收，进入光环形器(4)的第二端口(11)，从其第三端口(12)输出，反射光与参考光在光合束器(6)中合束，由光电探测器(7)探测相干光信号，并将其转化为电信号，经过电外差解调器(8)解调出水下声信号的波形。
2、 根据权利要求1所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述 的激光器(1)为单频光纤激光器。
3、 根据权利要求1所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述 的光移频器(3)为声光移频器。
4、 根据权利要求1所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述 的光分束器(2)和光合束器(6)均为光纤结构。
5、 根据权利要求1所述的探测水下声信号的装置，其特征在于所述 的光电探测器(7)为PIN光电二极管。
6、 根据权利要求1至5任一项所述的探测水下声信号的装置，其特 征在于所述的各光学器件均采用光纤接口，之间的光路均由单模光纤构 成，所述的望远镜(5)的孔径和焦距的比值大于所述的单模光纤数值孔 径的2倍。
专利摘要一种相干激光遥感探测水下声信号的装置，该方法是将单频激光分为探测光和参考光，探测光经过光外差后发射到水面；水下仪器发出的声波使水表面形成受迫振动，振动频率和幅度分别和水下声波的频率和强度一致；探测光在水面的反射光的频率受水表面的受迫振动振动速度调制，反射光和参考光相干，由光电探测器探测，经电外差解调器解调出水表面的振动速度，进而获得水下声波的波形，实现对水下声信号的探测。本实用新型具有灵敏度高、距离测量远、光路灵活、结构可靠、调节容易的优点。
文档编号G01S17/00GK201083836SQ20072007168
公开日2008年7月9日 申请日期2007年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者尚建华, 岩 贺, 陈卫标 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所