一种光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统的制作方法

本发明涉及一种光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统，特别是涉及一种基于高速光开关的光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统，属于传感器领域。

背景技术：

在光纤激光器水听器中，很容易将中心波长不同的光纤激光器水听器通过波分复用技术组成水听器阵列，但想要组成大规模光纤激光水听器阵列，还需采用其他复用技术与波分复用相结合。传统的空分复用与波分复用相结合的手段是采用叠加光路器件与电路硬件的方式，形成大规模阵列，光路调制系统与电路解调系统体积都会特别庞大，并且整个系统的成本与功耗也大大增加，目前从技术发展形势的变化来看，潜艇的噪声越来越小，机动灵活性越来越高，为了适应新时期反潜技术的发展需要，水下反潜实时密切监视、快速反应是未来发展的必然趋势，因此亟需体积小、功耗低的光纤激光水听器阵列系统。

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，提供了一种基于高速光开关的光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统，即光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统，该系统通过采用多个光开关将不同的波分复用光纤激光水听器阵列连接起来可构建出时分复用阵列，通过fpga精确控制同一路光开关的导通时间与不同路光开关之间的切换时间，实现对各阵元信号的查询。迈克尔逊干涉仪输出信号为各波分复用阵列串联起来的时分序列，按照光开关导通时间的切换时间对干涉仪输出信号抽样后再重新组合可获得各阵元的干涉信号，然后用信号解调系统对各阵元的干涉信号分别进行解调输出。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统，包括泵浦源、1*n分束器、波分复用器～、光纤激光水听器阵列～、光隔离器～、光开关～、n*1耦合器、迈克尔逊干涉仪、声光调制器驱动、密集波分复用器、光电探测器、信号解调模块；

泵浦源输出连续光送至1*n分束器的输入端，1*n分束器将连续光分成n路功率相等的连续光，这n路连续光分别进入波分复用器～的公共端，波分复用器～对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器阵列～中，光纤激光水听器阵列～受连续光激励后产生反射光信号；当有外界声信号时，外界声信号对光纤激光水听器阵列～反射的连续光能够进行波长调制，使得光纤激光水听器阵列～输出的反射光信号携带有外界声信号，并再次通过波分复用器～后从其反射端进入光隔离器～中，经过光隔离器～隔离后输出的光信号输入到光开关～中，连续光经过光开关～后变成具有特定频率的脉冲光，n路脉冲光经过n*1耦合器后形成具有特定时间间隔的脉冲序列，脉冲序列经过迈克尔逊干涉仪后发生干涉，得到携带外界声信号的载波信号进入密集波分复用器中，在密集波分复用器的输出端得到分离开的不同波长信息的载波信号，各载波信号送至光电探测器，光电探测器将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块；声光调制器驱动用于为迈克尔逊干涉仪提供电信号。

优选的，迈克尔逊干涉仪包括耦合器、光纤环、第一法拉第旋转反射镜、第二法拉第旋转反射镜、声光调制器；

进入迈克尔逊干涉仪的一串脉冲序列经过耦合器后分成两路，一路脉冲序列经过光纤环进行延时后通过第一法拉第旋转反射镜进行反射，反射后的脉冲序列再次经过光纤环进行延时后输入到耦合器，另一路脉冲序列经过声光调制器移频后通过第二法拉第旋转反射镜进行反射，反射后的脉冲序列再次经过声光调制器移频后输入到耦合器；在耦合器处，由迈克尔逊干涉仪短臂反射回来的光脉冲与上一时刻由干涉仪长臂反射回来的光脉冲恰好重叠，发生干涉，形成具有一定频率的干涉脉冲，形成携带外界声信号的载波包络信号。

优选的，光纤激光水听器阵列～为波分复用形式，每个阵列中含有多个波长的光纤激光水听器探头，探头之间采用熔接方式，通过调整不同波长探头的位置，减小不同探头之间的模式竞争。

优选的，根据不同探头的反射光功率，通过调整探头位置、调节光电探测器的放大倍数、调节光开关～的增益，使进入信号解调模块中的不同探头的载波包络峰值保持一致。

优选的，根据迈克尔逊干涉仪两臂的光程差，调整每一个光开关～相邻两次导通的时间间隔，使由光程差引起的脉冲间隔与每一个光开关～相邻两次导通的时间间隔相同。

优选的，每一路光纤激光水听器波分复用阵列对应一个光开关～，利用光开关～的隔离度避免不同通道间相互串扰。

优选的，采用光纤激光水听器阵列～中的第一个光纤水听器探头或最后一个光纤水听器探头作为参考探头，提供光参考信号，替代由光调制器驱动输出的电参考信号，从而抑制解调的声信号漂移现象。

优选的，光纤激光水听器阵列中～敏感探头外部设有增敏封装，用于拾取水声信号，参考探头外部设有特殊的封装，使其不敏感水声信号。

优选的，声光调制器驱动输入到声光调制器的频率可调，使声光调制器输出的移频频率可调。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)光纤激光水听器组阵，往往采用空分复用与波分复用相结合，传统的空分复用与波分复用相结合的手段是采用叠加光路器件与电路硬件的方式，形成大规模阵列时，光路调制系统与电路解调系统体积都会特别庞大，并且整个系统的成本与功耗也大大增加，本发明采用多个光开关将不同的波分复用光纤激光水听器阵列连接起来构建出时分复用阵列，大大降低了整个阵列系统的成本与体积，为实现水下平台大规模拖曳阵缆提供了可能。

(2)本发明通过精确控制每一个光开关相邻两次导通的时间间隔，精确控制迈克尔逊干涉仪两臂的光程差，保证由光程差引起的脉冲间隔与每一个光开关相邻两次导通的时间间隔相同，从而使迈克尔逊干涉仪当前时刻短臂反射回来的光脉冲与上一时刻由干涉仪长臂反射回来的光脉冲恰好重叠，发生干涉，有效的提高了整个系统的光采样率。

(3)本发明通过选取响应速率足够快的光开关，并精确控制每一个光开关的导通时间与不同光开关之间的切换时间，在由迈克尔逊干涉仪光程差引起的脉冲间隔内插入足够多的脉冲，有效的提高了阵列规模。

(4)本发明采用光纤激光水听器阵列中的第一个光纤水听器探头作为参考探头，替代由光调制器驱动输出的电参考信号，参考探头采用特殊的封装方式使其不敏感声信号，通过这两种方式使参考探头与敏感探头对外界除声信号以外的其他信息敏感程度基本一致，从而抑制解调信号的漂移问题。

(5)本发明通过调节光电探测器的放大倍数及光开关的增益，使进入信号解调模块中的不同探头的载波包络峰值保持一致，便于信号解调模块进行水声信号的解调。

附图说明

图1为本发明的光路结构图；

图2为本发明的8路光开关脉冲信号时序图；

图3为本发明的载波包络信号。

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。

实施例1：

一种光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统，包括泵浦源1、1*n分束器2、波分复用器31～38、光纤激光水听器阵列41～48、光隔离器51～58、光开关61～68、n*1耦合器7、迈克尔逊干涉仪8、声光调制器驱动9、密集波分复用器10、光电探测器11、信号解调模块12。

泵浦源1输出连续光送至1*n分束器2的输入端，1*n分束器2将连续光分成n路功率相等的连续光，这n路连续光分别进入波分复用器31～38的公共端，波分复用器31～38对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器阵列41～48中，光纤激光水听器阵列41～48受连续光激励后产生反射光信号；当有外界声信号时，外界声信号对光纤激光水听器阵列41～48反射的连续光能够进行波长调制，使得光纤激光水听器阵列41～48输出的反射光信号携带有外界声信号，并再次通过波分复用器31～38后从其反射端进入光隔离器51～58中，经过光隔离器51～58隔离后输出的光信号输入到光开关61～68中，连续光经过光开关61～68后变成具有特定频率的脉冲光，n路脉冲光经过n*1耦合器7后形成具有特定时间间隔的脉冲序列，脉冲序列经过迈克尔逊干涉仪8后发生干涉，得到携带外界声信号的载波信号进入密集波分复用器10中，在密集波分复用器10的输出端得到分离开的不同波长信息的载波信号，各载波信号送至光电探测器11，光电探测器11将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块12；声光调制器驱动9用于为迈克尔逊干涉仪8提供电信号。

迈克尔逊干涉仪8包括耦合器81、光纤环82、第一法拉第旋转反射镜83、第二法拉第旋转反射镜85、声光调制器84；进入迈克尔逊干涉仪8的一串脉冲序列经过耦合器81后分成两路，一路脉冲序列经过光纤环82进行延时后通过第一法拉第旋转反射镜83进行反射，反射后的脉冲序列再次经过光纤环82进行延时后输入到耦合器81，另一路脉冲序列经过声光调制器84移频后通过第二法拉第旋转反射镜85进行反射，反射后的脉冲序列再次经过声光调制器84移频后输入到耦合器81；在耦合器81处，由迈克尔逊干涉仪8短臂反射回来的光脉冲与上一时刻由干涉仪长臂反射回来的光脉冲恰好重叠，发生干涉，形成具有一定频率的干涉脉冲，形成携带外界声信号的载波包络信号。声光调制器驱动9输入到声光调制器84的频率可调，使声光调制器84输出的移频频率可调。

光纤激光水听器阵列41～48为波分复用形式，每个阵列中含有多个波长的光纤激光水听器探头，探头之间采用熔接方式，通过调整不同波长探头的位置，减小不同探头之间的模式竞争。根据不同探头的反射光功率，通过调整探头位置、调节光电探测器11的放大倍数、调节光开关61～68的增益，使进入信号解调模块12中的不同探头的载波包络峰值保持一致。

根据迈克尔逊干涉仪8两臂的光程差，调整每一个光开关61～68相邻两次导通的时间间隔，使由光程差引起的脉冲间隔与每一个光开关61～68相邻两次导通的时间间隔相同。从而使迈克尔逊干涉仪8当前时刻短臂反射回来的光脉冲与上一时刻由干涉仪长臂反射回来的光脉冲恰好重叠，发生干涉，同时有效的提高整个系统的光采样率。

每一路光纤激光水听器波分复用阵列对应一个光开关61～68，利用光开关61～68的隔离度避免不同通道间相互串扰。

采用光纤激光水听器阵列41～48中的第一个光纤水听器探头或最后一个光纤水听器探头作为参考探头，提供光参考信号，替代由光调制器驱动9输出的电参考信号，从而抑制解调的声信号漂移现象。光纤激光水听器阵列中41～48敏感探头外部设有增敏封装，用于拾取水声信号，参考探头外部设有特殊的封装，使其不敏感水声信号。

实施例2：

图1为本实施例的光路结构图，基于高速光开关的光纤激光水听器时分波分混合复用阵列系统包括：泵浦源1、1*8分束器2、980/1550nm波分复用器31～38、光纤激光水听器阵列41～48、光隔离器51～58、光开关61～68、8*1耦合器7、迈克尔逊干涉仪8、声光调制器驱动9、密集波分复用器10、光电探测器11及信号解调模块12；本实施例中n取值为8。波分复用器31～38的波长为980/1550nm。

基于高速光开关的光纤激光水听器时分波分混合复用阵列的实现，具体信号传输关系如下：

步骤一、泵浦源1输出980nm的连续光送至1*8分束器的输入端，1*8分束器将连续光分成8路功率将近的连续光，这8路连续光分别进入980/1550nm波分复用器31～38的公共端，波分复用器31～38对连续光透传，从透射端进入光纤激光水听器阵列41～48中，光纤激光水听器阵列41～48受980nm连续光激励后产生频率为f0的反射光信号，频率为f0的反射光信号再次通过980/1550nm波分复用器31～38后从其反射端进入光隔离器51～58中，经过光隔离器51～58隔离后输出的光信号输入到光开关61～68中，光开关61～68将连续光变成具有一定频率的脉冲光，每一个光开关相邻两次的导通间隔及导通时间由外部的fpga精确控制，同一路光开关的脉冲间隔为t，脉宽为τ，8路脉冲光经过8*1耦合器7后形成具有一定时间间隔的脉冲序列，不同光开关之间的切换时间同样由fpga精确控制，不同路光开关之间的脉冲间隔为t，如图2所示。脉冲序列经过迈克尔逊干涉仪8后发生干涉，迈克尔逊干涉仪8输出携带外界声信号的载波信号进入到密集波分复用器10中，在密集波分复用器10的输出端得到分离开的不同波长信息的载波信号，各载波信号送至光电探测器11，光电探测器11将携带外界声信号的载波信号进行光电转换，得到相应的电信号进入信号解调模块12，所述的载波信号频率由声光调制器的移频频率确定，为100khz或200khz，由于光电探测器11接收的是脉冲信号，所以其带宽由(b为探测器带宽，t1为脉冲上升(下降)沿时间)，决定，从而使光电探测器能够采集到脉冲信号的完整信息，保证转换后的电信号不失真；

步骤二、进入迈克尔逊干涉仪8频率为f0的一串脉冲序列经过耦合器81后分成两路，一路脉冲序列经过长度为l的光纤环82进行延时后通过第一法拉第旋转反射镜83进行反射，反射后的脉冲序列再次经过光纤环82进行延时后输入到耦合器81，此时光脉冲序列的频率仍为f0，另一路脉冲序列进入声光调制器84，声光调制器84对频率为f0的光脉冲序列进行移频，声光调制器的移频频率为f1，移频后的光脉冲序列频率变为f0+f1，频率为f0+f1的光信号经第二法拉第旋转反射镜85反射后，再次经过声光调制器84，声光调制器84对频率为f0+f1的光脉冲序列进行第二次移频，移频后的光脉冲序列频率变为f0+2f1，频率为f0+2f1的光脉冲序列同样进入耦合器81，在耦合器81处，由迈克尔逊干涉仪8短臂反射回来的频率为f0+2f1的光脉冲序列与上一时刻由干涉仪长臂反射回来的频率为f0光脉冲序列恰好重叠，发生干涉，形成频率为2f1的干涉脉冲，如图2所示。

步骤三、步骤二中迈克尔逊干涉仪臂长差引起的两脉冲序列时间间隔其中，n为光纤折射率，l为迈克尔逊干涉仪臂长差，c为光速，为了保证当前时刻由干涉仪短臂反射回来的光脉冲与上一时刻由干涉仪长臂反射回来的光脉冲恰好重叠，需使t1＝t。

步骤四、为了在迈克尔逊干涉仪光程差引起的脉冲间隔t1内插入8个脉冲，实现光纤激光水听器的时分波分混合复用，需满足8(τ+t)≤t1。

步骤五、步骤二中迈克尔逊干涉仪8输出的光脉冲序列的形式为：

v＝a+bcos(2π·2f1t+φ(t))

式中包含待水声信号和环境噪声的相位信息，a为经过干涉仪后输出的直流量，b为载波信号的幅值。

通过后续电路处理，将光脉冲信号还原成了频率为2f1的正弦(余弦)载波信号，如图3所示。

在本实施例中，光纤环82的长度取51.72m，t1＝500ns，τ为10ns，t为40ns，声光调制器84的移频频率取100khz，因此，在耦合器81形成的干涉脉冲序列频率为200khz，经过信号解调模块12得到频率为200khz的载波包络信号，如图3所示，声信号频率为1khz。

以上述参数与器件组成的光纤激光水听器系统，其能解调出水声信号，其动态范围与灵敏度并没有降低，但整个系统体积与成本都大大降低，为实现水下平台大规模拖曳阵缆提供了可能性的同时，又保证整个系统有足够高的动态范围与灵敏度。

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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。