專利名稱：一種光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光纖水聽(tīng)器領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
水聽(tīng)器是用于接收水下聲波的聲學(xué)測(cè)量?jī)x器，在國(guó)土安全監(jiān)測(cè)、海洋石油和天然氣勘探、地震波探測(cè)、水聲物理研究以及海洋漁業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的用途。與傳統(tǒng)的壓電陶瓷水聽(tīng)器相比，光纖水聽(tīng)器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、聲壓靈敏度高、可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量、方便構(gòu)成大規(guī)模陣列、能夠?qū)崿F(xiàn)水聲信號(hào)傳感和數(shù)據(jù)傳輸一體化等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)得到快速發(fā)展的一種新型水聽(tīng)器。在拖曳應(yīng)用場(chǎng)合，為了有效地抑制直線拖曳和船機(jī)動(dòng)時(shí)由于拖纜抖動(dòng)、湍流及拖曳力變化等引起的廣義流噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)的正常探測(cè)，要求光纖水聽(tīng)器探頭在保持高的聲壓靈敏度的前提下具有高的抗加速度能力和更小的體積。光纖光柵水聽(tīng)器在探頭小型化和大規(guī)模組陣方面更具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。光纖光柵直接刻寫(xiě)在光纖上，探頭容易小型化。光纖光柵是天然的波長(zhǎng)選擇元件，在構(gòu)成大規(guī)模陣列時(shí)不需要大量光纖耦合器、延遲器、分波合波器等互連元件，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于提高陣列可靠性和降低陣列成本，因此光纖光柵水聽(tīng)器適合應(yīng)用于拖曳聲納陣中?，F(xiàn)有的技術(shù)中，一種光纖光柵水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)是利用FBG作為傳感元件。在這種結(jié)構(gòu)中無(wú)論是直接檢測(cè)光柵反射波長(zhǎng)的變化還是用雙光柵匹配解調(diào)檢測(cè)光柵中心波長(zhǎng)的變化， 水聽(tīng)器的聲壓靈敏度都太低不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。另一種光纖光柵水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)是利用分布反饋式(DFB)或分布布拉格反射式(DBR)光纖激光器作傳感元件，如圖1所示為有源 DFB光纖光柵水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的光纖光柵水聽(tīng)器盡管體積小、聲壓靈敏度高，但是性能不穩(wěn)定，尤其對(duì)振動(dòng)、沖擊等環(huán)境干擾的抵抗能力差，也不能適用實(shí)際應(yīng)用的需要。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置，在保持光纖光柵水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、聲壓靈敏度高的同時(shí)，提高其抗振動(dòng)、沖擊等環(huán)境干擾的能力。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是—種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述光纖光柵水聽(tīng)器由一段纏繞在聲增敏材料上的單模光纖線圈4和光纖線圈4兩端光刻寫(xiě)形成的一對(duì)具有共同光譜覆蓋范圍的第一光柵1和第二光柵2組成，激光從刻寫(xiě)有第一光柵1的光纖一端輸入，一部分光被第一光柵 1反射，另一部分光被第一光柵1透射，透射光經(jīng)過(guò)光纖線圈4后被第二光柵2反射，第一光柵1的反射作參考信號(hào)，第二光柵2的反射作傳感信號(hào)，兩個(gè)光柵之間的光纖線圈4為基本傳感元件，第一光柵1的反射率低于第二光柵2的反射率。光纖線圈4纏繞在彈性體上，彈性體固定在支撐心軸(6)上，彈性體與支撐心軸之間有空氣腔(5)，用于使彈性體在聲壓作用時(shí)更容易產(chǎn)生形變，以提高水聽(tīng)器的聲壓靈敏度。一優(yōu)選例中，所述的光纖光柵是光纖布拉格光柵。另一優(yōu)選例中，所述的光纖光柵是長(zhǎng)周期光纖光柵。按照權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述的光纖光柵水聽(tīng)器是單個(gè)基于無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器。按照權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述的光纖光柵水聽(tīng)器是基于無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器陣列。所述的無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器陣列包括多個(gè)由無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器串接而成的線陣，一個(gè)線陣中的光纖光柵水聽(tīng)器的數(shù)目與所述激光源的數(shù)目相同，一個(gè)光纖光柵水聽(tīng)器對(duì)應(yīng)一個(gè)激光源的波長(zhǎng)，不同線陣間通過(guò)耦合器和延遲器連接在一起。所述的相位解調(diào)裝置主要包括激光器、光幅度調(diào)制器、光分路器或光環(huán)形器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、補(bǔ)償干涉儀和相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器；其中，所述激光器提供激光源，激光波長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)光柵中心波長(zhǎng)或?qū)?yīng)光柵反射譜覆蓋的波長(zhǎng)；所述光幅度調(diào)制器在驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的作用下將激光源輸出的連續(xù)激光調(diào)制成脈沖光；調(diào)制后的脈沖光通過(guò)光分路器或光環(huán)形器入射到光纖光柵水聽(tīng)器，外部環(huán)境的水聲信號(hào)調(diào)制在所述光纖光柵水聽(tīng)器上；所述補(bǔ)償干涉儀將光纖光柵水聽(tīng)器反射的兩個(gè)脈沖在時(shí)間上對(duì)齊實(shí)現(xiàn)兩脈沖干涉；所述相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器對(duì)干涉激光脈沖進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字采樣以及數(shù)字相位解調(diào)，恢復(fù)出外部環(huán)境的水聲信號(hào)。所述相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器主要由高速光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡和相位解調(diào)器組成；高速光電轉(zhuǎn)換器將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)、數(shù)據(jù)采集卡將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)、相位解調(diào)器經(jīng)信號(hào)處理恢復(fù)出外部環(huán)境的水聲信號(hào)。本實(shí)用新型可帶來(lái)以下有益效果1、水聽(tīng)器的體積小。采用光纖光柵作為水聽(tīng)器的主要光纖元件，可以很大程度上減小水聽(tīng)器的體積，封裝后的水聽(tīng)器直徑可以在IOmm以下。2、水聽(tīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。光纖光柵直接刻寫(xiě)在光纖上，從外觀上看，水聽(tīng)器僅由一段纏繞在彈性體上的光纖線圈構(gòu)成，由于沒(méi)有光纖耦合器等其它光纖元件，水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)中不需要安置額外的安置其它光纖元件的安置倉(cāng)，水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單。3、水聽(tīng)器的聲壓靈敏度高。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)便于采用空氣背襯的增敏封裝結(jié)構(gòu)以及便于增加光纖長(zhǎng)度，由此，水聽(tīng)器的聲壓靈敏度可以大大提高。4、水聽(tīng)器抗振動(dòng)、沖擊等環(huán)境干擾的能力強(qiáng)。水聽(tīng)器中的光纖以一定的張力纏繞在聲增敏材料上，光纖光柵可以固定在剛性支撐上，這種結(jié)構(gòu)便于安裝，采用特定的安裝方式即可以隔離外界環(huán)境的振動(dòng)沖擊，提高水聽(tīng)器的抗環(huán)境干擾能力。

圖1為有源DFB光纖光柵水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置工作原理圖；圖4為PGC相位解調(diào)流程圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，圖中1為第一個(gè)光柵；2為第二個(gè)光柵；3為傳輸光纜；4為光纖線圈。 一段纏繞在聲增敏材料上的單模光纖線圈4和光纖線圈4兩端光刻寫(xiě)形成的一對(duì)具有相同中心波長(zhǎng)的第一光柵1和第二光柵2組成一個(gè)光纖光柵水聽(tīng)器。光纖光柵起波長(zhǎng)選擇和反射的作用。兩個(gè)光纖光柵均采用寬帶反射光柵，例如長(zhǎng)周期光柵或布拉格光柵，以實(shí)現(xiàn)到波長(zhǎng)匹配和降低環(huán)境溫度、應(yīng)變等變化對(duì)光柵反射信號(hào)的影響。兩個(gè)光纖光柵的反射率可以都是低反射率光柵，也可以是一個(gè)低反射率光柵和一個(gè)高反射率光柵。第一個(gè)第一光柵1 的反射率相對(duì)第二個(gè)第二光柵2的反射率要低，激光從刻寫(xiě)有第一光柵1的光纖一端輸入， 一部分光被第一光柵1反射，另一部分光被第一光柵1透射，透射光經(jīng)過(guò)光纖線圈后被第二光柵2反射，第一光柵1的反射作參考信號(hào)，第二光柵2的反射作傳感信號(hào)，兩個(gè)光柵之間的光纖線圈為傳感元件。單模光纖線圈4以一定張力纏繞在帶空氣腔的彈性體心軸形結(jié)構(gòu)或其它聲增敏材料或結(jié)構(gòu)上。例如纏繞在彈性體上，則彈性體固定在支撐心軸6上，彈性體與支撐心軸之間有空氣腔5，使彈性體在聲壓作用時(shí)更容易產(chǎn)生形變，以提高水聽(tīng)器的聲壓靈敏度。單模光纖的長(zhǎng)度根據(jù)相位檢測(cè)方法和水聽(tīng)器聲壓靈敏度的需要確定，增加單模光纖的長(zhǎng)度也可以提高水聽(tīng)器的聲壓靈敏度。光纖光柵可采用光纖布拉格光柵，也可采用長(zhǎng)周期光纖光柵?；跓o(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置工作原理圖參見(jiàn)圖3，光纖光柵水聽(tīng)器相位解調(diào)裝置包括激光器、光幅度調(diào)制器、光分路器/光環(huán)行器、補(bǔ)償干涉儀、 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、以及由高速光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡和相位解調(diào)器組成的相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器。其中，激光器發(fā)出連續(xù)單色激光，激光波長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)光柵中心波長(zhǎng)或?qū)?yīng)光柵反射譜覆蓋的波長(zhǎng)；光幅度調(diào)制器將激光源輸出的連續(xù)激光調(diào)制成脈沖光。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生光幅度調(diào)制器所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，脈沖光的脈寬小于界定光纖光柵水聽(tīng)器的兩個(gè)光柵之間光纖傳播時(shí)間的2倍，使兩個(gè)光柵的反射在時(shí)間上分開(kāi)，不發(fā)生干涉。 在另一個(gè)實(shí)施例中，脈沖光的脈寬大于界定光纖光柵水聽(tīng)器的兩個(gè)光柵之間光纖傳播時(shí)間的2倍，使兩個(gè)光柵的反射直接發(fā)生干涉。調(diào)制后的脈沖光通過(guò)光分路器/光環(huán)行器傳送到光纖光柵水聽(tīng)器中，外部環(huán)境的水聲信號(hào)調(diào)制在所述光纖光柵水聽(tīng)器上。補(bǔ)償干涉儀將光纖光柵水聽(tīng)器反射的兩個(gè)脈沖在時(shí)間上對(duì)齊實(shí)現(xiàn)兩脈沖干涉。高速光電轉(zhuǎn)換器將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)、數(shù)據(jù)采集卡將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)、相位解調(diào)器經(jīng)信號(hào)處理恢復(fù)出外部環(huán)境的水聲信號(hào)。上述技術(shù)方案中，光纖光柵水聽(tīng)器可以是單個(gè)無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器，也可以是無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器陣列。無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器陣列包括多個(gè)由無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器串接而成的線陣，一個(gè)線陣中的光纖光柵水聽(tīng)器的數(shù)目與所述激光源的數(shù)目相同，一個(gè)光纖光柵水聽(tīng)器對(duì)應(yīng)一個(gè)激光源的波長(zhǎng)，不同線陣間通過(guò)耦合器和延遲器連接在一起。上述技術(shù)方案中，所述的激光源根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同選用單個(gè)激光源或多個(gè)激光源，在多個(gè)激光源情況下各個(gè)激光源所發(fā)出激光波長(zhǎng)互不相同。上述技術(shù)方案中，所述的補(bǔ)償干涉儀同時(shí)產(chǎn)生相位調(diào)制的載波信號(hào)。[0030]相位解調(diào)采用相位產(chǎn)生載波(PGC)方法，參見(jiàn)圖4，光電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)可表示為I = A+Bcos[Ccosco0t+(i)⑴](1)式中A為直流項(xiàng)，B為與輸入光強(qiáng)、FBG反射率及干涉條紋可見(jiàn)度有關(guān)的參數(shù)，C為相位調(diào)制幅度，Qci為相位調(diào)制載波的角頻率，Φα)為與水聲壓力有關(guān)的待檢測(cè)信號(hào)。圖4為利用PGC相位解調(diào)法進(jìn)行數(shù)字相位解調(diào)的流程。干涉儀輸出信號(hào)在乘法器分別與C0SCOcit和COdcocit混頻，經(jīng)低通濾器(LPF)濾除Oci及諧波，得到信號(hào)BJ1(C) sin [ Φ (t)]和-BJ2 (C) cos [Φ (t)]。其中，J1(C)J2(C)分別為第一類(lèi) 1 階、2 階 Bessel 函數(shù)。設(shè)置相位調(diào)制幅度，使得J1 (C) =J2(C),在運(yùn)算過(guò)程中消除與輸入光功率幅度B有關(guān)的信息，得到外部環(huán)境的水聲信號(hào)Φ (t)。
權(quán)利要求1.一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述光纖光柵水聽(tīng)器由一段纏繞在聲增敏材料上的單模光纖線圈(4)和光纖線圈(4)兩端光刻寫(xiě)形成的一對(duì)具有共同光譜覆蓋范圍的第一光柵(1)和第二光柵( 組成，激光從刻寫(xiě)有第一光柵(1)的光纖一端輸入，一部分光被第一光柵(1)反射，另一部分光被第一光柵(1)透射，透射光經(jīng)過(guò)光纖線圈(4)后被第二光柵(2)反射，第一光柵(1)的反射作參考信號(hào)，第二光柵O)的反射作傳感信號(hào)，兩個(gè)光柵之間的光纖線圈(4)作傳感元件，第一光柵(1)的反射率低于第二光柵O)的反射率。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于光纖線圈(4)纏繞在彈性體上，彈性體固定在支撐心軸(6)上，彈性體與支撐心軸之間有空氣腔(5)，用于使彈性體在聲壓作用時(shí)更容易產(chǎn)生形變，以提高水聽(tīng)器的聲壓靈敏度。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述的光纖光柵是光纖布拉格光柵。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述的光纖光柵是長(zhǎng)周期光纖光柵。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述的光纖光柵水聽(tīng)器是單個(gè)基于無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器，其特征在于所述的光纖光柵水聽(tīng)器是基于無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器陣列；所述的無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器陣列包括多個(gè)由多個(gè)無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器串接而成的線陣，一個(gè)線陣中的光纖光柵水聽(tīng)器的數(shù)目與所述激光源的數(shù)目相同，一個(gè)光纖光柵水聽(tīng)器對(duì)應(yīng)一個(gè)激光源的波長(zhǎng)，不同線陣間通過(guò)耦合器和延遲器連接在一起。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器的相位解調(diào)裝置，其特征在于所述的相位解調(diào)裝置主要包括激光器、光幅度調(diào)制器、光分路器或光環(huán)形器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、補(bǔ)償干涉儀和相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器；其中，所述激光器為激光源，激光波長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)光柵中心波長(zhǎng)或?qū)?yīng)光柵反射譜覆蓋的波長(zhǎng)；所述光幅度調(diào)制器在驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器的作用下將激光源輸出的連續(xù)激光調(diào)制成脈沖光；調(diào)制后的脈沖光通過(guò)光分路器或光環(huán)形器進(jìn)入光纖光柵水聽(tīng)器，外部環(huán)境的水聲信號(hào)調(diào)制在所述光纖光柵水聽(tīng)器上；所述補(bǔ)償干涉儀將光纖光柵水聽(tīng)器反射的兩個(gè)脈沖在時(shí)間上對(duì)齊實(shí)現(xiàn)兩脈沖干涉；所述相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器對(duì)干涉激光脈沖進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、數(shù)字采樣以及數(shù)字相位解調(diào)，恢復(fù)出外部環(huán)境的水聲信號(hào)。
8.按照權(quán)利要求5所述的一種光纖光柵水聽(tīng)器的相位解調(diào)裝置，其特征在于所述相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器主要由高速光電轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集卡和相位解調(diào)器組成；高速光電轉(zhuǎn)換器將干涉光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)、數(shù)據(jù)采集卡將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)、 相位解調(diào)器經(jīng)信號(hào)處理恢復(fù)出外部環(huán)境的水聲信號(hào)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光纖水聽(tīng)器領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置。所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種基于無(wú)源光柵對(duì)的光纖光柵水聽(tīng)器及其相位解調(diào)裝置，在保持光纖光柵水聽(tīng)器體積小、聲壓靈敏度高的同時(shí)，提高其抗振動(dòng)、沖擊等環(huán)境干擾的能力。其特征在于所述光纖光柵水聽(tīng)器由一段纏繞在聲增敏材料上的單模光纖線圈(4)和光纖線圈(4)兩端光刻寫(xiě)形成的一對(duì)具有共同光譜覆蓋范圍的第一光柵(1)和第二光柵(2)組成。所述的相位解調(diào)裝置主要包括激光器、光幅度調(diào)制器、光分路器或光環(huán)形器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器、補(bǔ)償干涉儀和相位產(chǎn)生載波調(diào)制解調(diào)器。本實(shí)用新型具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聲壓靈敏度高、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK202075031SQ20112008112
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者周少玲, 蔡冰濤, 陳光輝 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所