專利名稱：光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信號調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，更具體地說它是一種光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)。它主要用于基于非平衡光纖干涉儀的光纖激光水聽器信號解調(diào)。

背景技術(shù)：
光纖激光水聽器是最近發(fā)展起來的水聲傳感技術(shù)，由于其細(xì)小、靈敏度高和抗電磁干擾的優(yōu)勢，正受到廣泛的關(guān)注。光纖激光水聽器的傳感元件為光纖激光器，受水中聲壓作用時，激光器的出射波長產(chǎn)生正比于外界聲壓大小的移動，只要檢測出波長的位移量就可以得出外界聲壓變化的大小，因此波長解調(diào)技術(shù)直接限制了整個系統(tǒng)的檢測精度，合理的設(shè)計(jì)波長移動解調(diào)方案至關(guān)重要。
干涉測量是目前最靈敏的波長檢測技術(shù)，采用非平衡光纖干涉儀，將光纖激光器出射波長的位移轉(zhuǎn)換為干涉相位的變化，由光電探測器得到攜帶相位變化信息的干涉強(qiáng)度輸出，由于干涉儀的輸出為余弦信號，因此，如何從非線性的余弦輸出中解調(diào)出正比于聲壓振幅的相位信息，需要設(shè)計(jì)解調(diào)算法和相應(yīng)的干涉儀結(jié)構(gòu)。
目前發(fā)展出的基于3×3耦合器的對稱解調(diào)方案不需要載波調(diào)制和濾波處理，解調(diào)電路相對簡單且動態(tài)范圍不受濾波器和調(diào)制頻率的限制。見沈梁等干涉型光纖水聽器調(diào)制解調(diào)方案研究，2001，半導(dǎo)體光電，Vol.22(2)。激光從輸入端1通過單模光纖2傳輸至光纖2×2耦合器17的a端，b端空置，激光經(jīng)2×2耦合器c端和d端通過光纖傳輸至3×3耦合器3的a端和c端產(chǎn)生干涉，其中b端空置，干涉后的激光通過3×3耦合器分成三路輸出，直接由光電探測器8接收，三個光電探測器的輸出信號經(jīng)信號傳輸線9傳輸至解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)10得出聲壓的大小(如圖3所示)。
然而，由于光纖的微彎、扭曲和環(huán)境溫度的變化可能導(dǎo)致參與干涉的兩束光的偏振態(tài)的變化，使得輸出信號呈隨機(jī)消隱狀態(tài)，尤其當(dāng)干涉儀兩臂中光波的偏振態(tài)正交時，干涉儀的輸出可見度為零，外界參量的信息將完全丟失。且3×3耦合器的分光比不能保持嚴(yán)格的對稱，非對稱的三路信號將使外界環(huán)境變化對解調(diào)輸出信號產(chǎn)生非線性的影響。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，基于Michelson(邁克爾遜)非平衡光纖干涉儀，高分辨率、高穩(wěn)定性地解調(diào)出聲壓信號，并消除普通單模光纖干涉儀中偏振態(tài)隨機(jī)變化對干涉解調(diào)信號的影響。
本發(fā)明的目的是通過如下措施來達(dá)到的光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于光纖激光水聽器輸出的激光從輸入端通過單模光纖傳輸至光纖3×3耦合器的b端，激光通過3×3耦合器分成三路輸出，其中e端空置，激光由d端和f端分成兩路，其中一路激光經(jīng)單模光纖繞成的延遲線后由第一路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡反射后沿原路徑返回至3×3耦合器的d端，另一路激光經(jīng)纏繞于壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈引入高頻調(diào)制后由第二路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡反射后沿原路徑返回至3×3耦合器的f端，兩路激光干涉后的激光信號由3×3耦合器的a端和c端輸出，a端和c端的激光信號由光電探測器接收，兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號，經(jīng)信號傳輸線傳輸至解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)得出聲壓的大小。
在上述技術(shù)方案中，所述解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)使用光電探測器的兩路輸入信號解調(diào)出作用于光纖激光水聽器的聲壓大小，V1(t)信號經(jīng)第一路直流消除處理得V′1(t)，V2(t)經(jīng)第二路直流消除處理得V′2(t)，V′2(t)的幅度調(diào)整至與V′1(t)的幅度相等，然后兩路信號相加得電壓U+(t)、相減得電壓U-(t)，U+(t)經(jīng)微分處理器微分后與U-(t)相乘，U-(t)經(jīng)微分處理器微分后與U+(t)相乘，交叉微分相乘的兩路信號相減后得出與聲壓大小的微分成正比的電壓N，U+(t)經(jīng)過增益調(diào)整處理后和U-(t)分別通過平方乘法器，相加得到與激光功率和相干可見度有關(guān)的AGC電壓，N和AGC電壓相除得出不受激光功率影響的信號，經(jīng)積分處理器積分后得到和聲壓成正比的電壓輸出。
本發(fā)明采用的光纖干涉儀為基于3×3耦合器的Michelson干涉儀，并在干涉儀中引入高頻調(diào)制，干涉儀的兩路輸出可見度穩(wěn)定，沒有偏振引起的信號衰減。本系統(tǒng)采用的解調(diào)算法在3×3耦合器分光比不完全對稱的情況下，不用復(fù)雜的系數(shù)調(diào)整過程即能得到穩(wěn)定的輸出，具有較好的實(shí)用價值。



圖1是光纖激光水聽器信號解調(diào)裝置非平衡光纖Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是光纖激光水聽器信號解調(diào)裝置干涉解調(diào)運(yùn)算處理方案框圖。
圖3是光纖激光水聽器基于3×3耦合器的對稱解調(diào)方案非平衡光纖Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1.激光輸入端，2.單模光纖，3.3×3耦合器，4.纏繞于壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈，5.壓電陶瓷圓柱驅(qū)動電路，6.第一路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，7.第二路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡，8.光電探測器，9.信號傳輸線，10.解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)，11.第一路直流消除處理，12.第二路直流消除處理，13.微分處理器，14.增益調(diào)整處理，15.平方乘法器，16.積分處理器，17.2×2耦合器。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚和容易理解。
參閱附圖可知本發(fā)明光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，光纖激光水聽器輸出的激光從輸入端1通過單模光纖2傳輸至光纖3×3耦合器3的b端，激光通過3×3耦合器分成三路輸出，其中e端空置，激光由d端和f端分成兩路，其中一路激光經(jīng)單模光纖2繞成的延遲線后由第一路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡6反射后沿原路徑返回至3×3耦合器3的d端，另一路激光經(jīng)纏繞于壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈4引入高頻調(diào)制后由第二路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡7反射后沿原路徑返回至3×3耦合器3的f端，兩路激光干涉后的激光信號由3×3耦合器的a端和c端輸出，a端和c端的激光信號由光電探測器8接收，兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號，經(jīng)信號傳輸線9傳輸至解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)10得出聲壓的大小(如圖1所示)。
解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)10使用光電探測器(8)的兩路輸入信號解調(diào)出作用于光纖激光水聽器的聲壓大小，V1(t)信號經(jīng)第一路直流消除處理(11)得V′1(t)，V2(t)經(jīng)第二路直流消除處理(12)得V′2(t)，V′2(t)的幅度調(diào)整至與V′1(t)的幅度相等，然后兩路信號相加得電壓U+(t)、相減得電壓U-(t)，U+(t)經(jīng)微分處理器(13)微分后與U-(t)相乘，U-(t)經(jīng)微分處理器(13)微分后與U+(t)相乘，交叉微分相乘的兩路信號相減后得出與聲壓大小的微分成正比的電壓N，U+(t)經(jīng)過增益調(diào)整處理(14)后和U-(t)分別通過平方乘法器(15)，相加得到與激光功率和相干可見度有關(guān)的AGC電壓，N和AGC電壓相除得出不受激光功率影響的信號，經(jīng)積分處理器(16)積分后得到和聲壓成正比的電壓輸出(如圖2所示)。
假設(shè)傳輸至3×3耦合器(3)b端的激光復(fù)電場矢量為Ein，根據(jù)耦合模理論，3×3光纖耦合器的三個輸出端的電場(EO，1，EO，2和EO，3)為 式中Ei，1，Ei，2和Ei，3是3×3耦合器(3)的三個輸入端的激光復(fù)電場矢量，其中Ei，1，Ei，3為零矢量，Ei，2＝Ein，f＝[exp(i2kcL)+2exp(-ikcL)]/3，c＝[exp(i2kcL)-2exp(-ikcL)]/3，kc和L分別是3×3耦合器的耦合系數(shù)和耦合長度。假定耦合器是無反射的和互易性的，考慮到附加損耗，則3×3耦合器的瓊斯矩陣為 式中tN是3×3耦合器的傳輸系數(shù)，Nmn(m，n＝a～f)代表激光從m端口輸入，從n端口輸出時的瓊斯矩陣。
激光單程通過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡時，其偏振主軸旋轉(zhuǎn)45°，當(dāng)激光束被反射回來時，反射光束再次被旋轉(zhuǎn)45°，從而與入射光束正交，注意到激光的偏振演變在返回時在x方向改變了符號，則激光沿光纖經(jīng)Faraday旋轉(zhuǎn)鏡和Michelson反射鏡又返回光纖的傳輸矩陣為 式中tT是光功率衰減因子。
光纖中的雙折射可以用一個廣義的橢圓延遲片模擬，當(dāng)激光束通過光纖時，前向傳輸?shù)沫偹咕仃嚳梢员硎緸? 式中*表示共軛，αs為光纖的損耗，參數(shù)as和bs與光纖的雙折射特性有關(guān)。如果激光束返回，則后向傳輸?shù)沫偹咕仃嚍? 干涉儀的工作可以用各部分矩陣的乘積描述，干涉儀一臂的光纖傳輸矩陣分別由

和

表示，另一臂光纖的傳輸矩陣分別由

和

表示。假設(shè)激光在兩臂光纖中單向傳輸?shù)南辔蛔兓癁棣誷/2、φL/2，損耗為αs、αL，則3×3耦合器三路輸出激光的復(fù)電場矢量為 從上面等式可以看出三路干涉信號的偏振態(tài)總是與輸入光束相同。因此本發(fā)明的干涉儀沒有偏振引起的信號衰減。
對于分光比為1∶1∶1的理想3×3耦合器，cos(3kcL)＝-1/2，可以導(dǎo)出三路干涉輸出信號的強(qiáng)度

式中表示輸入激光光強(qiáng)。從上式可以看出任意兩路輸出干涉強(qiáng)度之間的相位差為120°。
從上面對本發(fā)明的評述可以看出光纖Michelson干涉儀3×3耦合器任意兩路輸出干涉強(qiáng)度之間的相位差為120°，而且光纖Michelson干涉儀的三路輸出可見度穩(wěn)定，沒有偏振引起的信號衰減。后續(xù)的解調(diào)運(yùn)算就是利用相位相差120°的兩路信號解調(diào)出與正比于聲壓振幅的相位信息，解調(diào)方案如圖2所示。
分光比不完全對稱的3×3耦合器的輸出之間的相位差將偏離120°，且直流幅度和交流幅度也不一致，干涉后的兩路激光信號經(jīng)光電探測器檢測后的電壓信號V1(t)、V2(t)簡記為 V1(t)＝A1(t)+B1(t)cos[Ф(t)+Ccos(ω0t)] V2(t)＝A2(t)+B2(t)cos[Ф(t)+Ccos(ω0t)-120°-δ] 式中


為外界環(huán)境引起的干涉儀相位低頻漂移，


為波長移動引起的相位變化，相位變化正比于外界水聲壓力的大小，d為干涉儀非平衡路徑的長度，Ccos(ω0t)為繞在壓電陶瓷圓柱上的單模光纖產(chǎn)生的相位調(diào)制，C為調(diào)制幅度，ω0為遠(yuǎn)離水聲信號頻率的高頻調(diào)制頻率，A1(t)、A2(t)為探測器輸出的直流項(xiàng)，和激光強(qiáng)度、光路損耗以及耦合器分光比有關(guān)。B1(t)、B2(t)為交流項(xiàng)的幅度，由于法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡的應(yīng)用，此兩項(xiàng)與偏振態(tài)的變化無關(guān)，只與激光強(qiáng)度、光路損耗、耦合器分光比以及激光相干長度有關(guān)，δ為兩路輸出之間相位差偏離120°的小角度，可假定為常量。A1(t)、A2(t)、B1(t)和B2(t)受激光強(qiáng)度的影響為緩變的時變量。
由于不位于同一條直線的兩個等模矢量相加之和與相減之差正交，可將V1(t)、V2(t)兩項(xiàng)消去直流分量后相加、相減，使用微分交叉相乘得出與

成比例的信號。解調(diào)的具體算法如圖2所示。
為了得到V1(t)、V2(t)的直流項(xiàng)和交流項(xiàng)幅度，令調(diào)制幅度C≥πrad，則無論Ф(t)的值如何，V1、V2的交流項(xiàng)在一個調(diào)制周期內(nèi)都能達(dá)到最大值和最小值，可以得到 A1(t′)＝(V1max+V1min)/2 B1(t′)＝V1max-V1min 同理可得A2(t′)和B2(t′)，在信號處理過程中，根據(jù)采樣頻率和調(diào)制周期的大小，得到一個調(diào)制周期的采樣點(diǎn)數(shù)N，每個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)使用前N點(diǎn)的最大值和最小值進(jìn)行計(jì)算，不足N點(diǎn)的初始階段使用默認(rèn)值，A1(t)、A2(t)、B1(t)和B2(t)為緩變量，由于A1(t)、A2(t)、B1(t)和B2(t)為緩變的時變量。采用高頻調(diào)制，可以假設(shè)前一個周期的直流、交流幅度與后一個周期的直流、交流幅度相等。V1(t)消去直流項(xiàng)、V2消去直流項(xiàng)并乘以增益系數(shù)后簡記為 V′1(t)＝B1(t)cos[Ф(t)+C cos(ω0t)] V′2(t)＝B1(t)cos[Ф(t)+Ccos(ω0t)-120°-δ] 令ψ(t)＝Ф(t)+Ccos(ω0t)兩項(xiàng)相加、相減得 U+(t)＝B1(t){(1+cos(120°+δ))·cos(ψ(t))+sin(120°+δ)·sin(ψ(t))} U-(t)＝B1(t){(1-cos(120°+δ))·cos(ψ(t))-sin(120°+δ)·sin(ψ(t))} 交叉微分相乘并相減得
為了消除B12(t)項(xiàng)幅值變化的影響，可利用正交的U+(t)和U-(t)，平方相加得出B12(t)的值。
U+(t)通過增益調(diào)整處理(14)乘以系數(shù)使得其振幅與U-(t)相等，U+(t)和U-(t)的振幅同樣可通過一個調(diào)制周期內(nèi)的最大值和最小值獲得。U+(t)的增益系數(shù)為
考慮到δ為小角度，增益系數(shù)也可以直接設(shè)為
調(diào)整振幅后的U+(t)與U-(t)平方相加得
N除以此項(xiàng)得
積分得輸出

經(jīng)過帶通濾波器，濾除低頻漂移

和高頻調(diào)制信號Ccos(ω0t)，得到與聲壓成正比的相位信息
本系統(tǒng)采用的解調(diào)算法在3×3耦合器分光比不完全對稱的情況下，不用復(fù)雜的系數(shù)調(diào)整過程即能得到穩(wěn)定的輸出，引入的高頻調(diào)制信號可通過低通濾波濾除，不會影響傳感系統(tǒng)的動態(tài)范圍，但會限制系統(tǒng)的頻帶寬度，在選定信號處理頻帶寬度的水聲傳感實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)選擇調(diào)制頻率，本解調(diào)算法能消除3×3耦合器分光比不完全對稱帶來的諸多影響，獲得整個頻帶內(nèi)信號的穩(wěn)定輸出，具有實(shí)用價值。
權(quán)利要求
1、光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于光纖激光水聽器輸出的激光從輸入端(1)通過單模光纖(2)傳輸至光纖3×3耦合器(3)的b端，激光通過3×3耦合器分成三路輸出，其中e端空置，激光由d端和f端分成兩路，其中一路激光經(jīng)單模光纖(2)繞成的延遲線后由第一路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(6)反射后沿原路徑返回至3×3耦合器(3)的d端，另一路激光經(jīng)纏繞于壓電陶瓷圓柱的單模光纖圈(4)引入高頻調(diào)制后由第二路法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(7)反射后沿原路徑返回至3×3耦合器(3)的f端，兩路激光干涉后的激光信號由3×3耦合器的a端和c端輸出，a端和c端的激光信號由光電探測器(8)接收，兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號，經(jīng)信號傳輸線(9)傳輸至解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)(10)得出聲壓的大小。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，其特征是解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)(10)使用光電探測器(8)的兩路輸入信號解調(diào)出作用于光纖激光水聽器的聲壓大小，V1(t)信號經(jīng)第一路直流消除處理(11)得V′1(t)，V2(t)經(jīng)第二路直流消除處理(12)得V′2(t)，V′2(t)的幅度調(diào)整至與V′1(t)的幅度相等，然后兩路信號相加得電壓U+(t)、相減得電壓U-(t)，U+(t)經(jīng)微分處理器(13)微分后與U-(t)相乘，U-(t)經(jīng)微分處理器(13)微分后與U+(t)相乘，交叉微分相乘的兩路信號相減后得出與聲壓大小的微分成正比的電壓N，U+(t)經(jīng)過增益調(diào)整處理(14)后和U-(t)分別通過平方乘法器(15)，相加得到與激光功率和相干可見度有關(guān)的AGC電壓，N和AGC電壓相除得出不受激光功率影響的信號，經(jīng)積分處理器(16)積分后得到和聲壓成正比的電壓輸出。
全文摘要
光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，光纖激光水聽器輸出的激光從輸入端(1)通過單模光纖(2)傳輸至光纖3×3耦合器(3)的b端，激光通過3×3耦合器分成三路輸出，其中e端空置，激光由d端和f端分成兩路，兩路激光干涉后的激光信號由3×3耦合器的a端和c端輸出，a端和c端的激光信號由光電探測器(8)接收，兩個光電探測器輸出的二路V1(t)、V2(t)信號，經(jīng)信號傳輸線(9)傳輸至解調(diào)運(yùn)算處理系統(tǒng)(10)得出聲壓的大小。本發(fā)明光纖激光水聽器信號解調(diào)系統(tǒng)，基于Michelson(邁克爾遜)非平衡光纖干涉儀，高分辨率、高穩(wěn)定性地解調(diào)出聲壓信號，并消除普通單模光纖干涉儀中偏振態(tài)隨機(jī)變化對干涉解調(diào)信號的影響。
文檔編號G02F2/00GK101608946SQ20091006283
公開日2009年12月23日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者黃俊斌, 顧宏?duì)N, 李日忠, 波 譚 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)