一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，其采用光纤光栅作为水听器的组成器件，并且采用了带有法拉第旋转镜的反射式相位调制器，使结构变得更加简单，降低了成本；同时本发明专利技术采用π/2相位调制法，可以直接通过采点分离出两路正交信号，而不需要通过一般的与参考信号混频滤波处理，简化了算法复杂度，降低了相位噪声，使系统的适用性更强。

A phase modulation and demodulation device based on Fiber Bragg grating hydrophone array

The invention discloses a phase modulation demodulation device of fiber grating hydrophone array based on the fiber grating is used as components of the hydrophone, and a reflection type phase modulator with a Faraday rotation mirror, make the structure more simple, the cost is reduced; and the invention adopts PI /2 phase modulation method, can be directly isolated two orthogonal signals by sampling, rather than through general and reference signal filtering processing, simplify the complexity of the algorithm, reduces the phase noise, the system is more applicable.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置
本专利技术属于水听器信号解调
，具体涉及一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置。
技术介绍
声波是在海洋中唯一能够远距离传播的能量形式，而水听器则是海洋中检测声波信号的基本器件。光纤水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐水下恶劣环境等特点，随着海洋科学的发展，大规模和小型化已成为光纤水听器阵列发展的重要方向。然而随着应用的深入，传统的光纤水听器阵列体现出了它的局限性，主要体现在传统的水听器阵列结构复杂、可检测的动态范围小、解调算法比较复杂等，所以寻求一种简单易行、可靠性高的系统结构已成为大规模小型化光纤水听器阵列发展必须解决的问题。传统的光纤水听器阵列系统采用波分复用、时分复用及时分和波分混合复用方案实现了基元数的成倍增长，再通过解调算法得到外界扰动信号所带来的相位信息。一般的解调方案有3×3耦合器法、PGC(相位产生载波技术)法和外差法等，不同的解调方案会得到不同的灵敏度和动态范围等对于光纤水听器阵列来说非常重要的指标参数，但这些解调方案都会在解调终端与参考信号进行混频来得到两路正交信号，再通过DCM(方向余弦矩阵)算法或反正切算法得到所求的相位信息。无疑这些方法解调结构较复杂，解调算法也比较臃肿，影响了光纤水听器阵列系统的性能。公开号为CN106052843A的专利提出了一种外差干涉式光纤水听器时分复用阵列及解调方法，包括窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光纤延时环、第二耦合器、第一环形器、第二环形器、第一光电探测器、第二光电探测器、参考探头和水听器传感阵列；传感阵列采用并联结构，脉冲光通过延时环分时进入阵列的各个探头，产生传感光信号，参考探头用于产生参考光信号，传感光信号与参考光信号经光电探测器采集后变为模拟电信号，通过信号解调模块分别对其进行模数转换，并由反正切算法，解调出传感阵列感知的水声信号。然而，该专利技术方案结构比较复杂，引入了参考信号，并且解调算法中还需进行混频滤波处理，提高了相位噪声，增加了解调算法的复杂度。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，该装置系统利用匹配干涉仪中的相位调制器引入π/2相位方波信号，从而利用该方波信号的正交性，对干涉信号进行采样得到两路正交信号继而求出所需的传感信息。一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，包括：激光器、光脉冲调制器、环形器、光纤光栅水听器阵列、感应线圈、迈克尔逊匹配干涉仪、光电探测器以及模数转换器；其中：所述激光器用于发射连续的相干光，该连续的相干光经所述光脉冲调制器强度调制后得到一连串的第一周期光脉冲；所述光纤光栅水听器阵列由多个光纤布拉格光栅依次排列组成，相邻两个光纤布拉格光栅组合构成一个法布里-珀罗腔，所述感应线圈对应嵌设于每个法布里-珀罗腔中，外部传感信号通过感应线圈作用于法布里-珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化，由此所述第一周期光脉冲经过环形器进入光纤光栅水听器阵列后返回一连串带有相位信息的第二周期光脉冲；反射回的第二周期光脉冲经过所述环形器进入迈克尔逊匹配干涉仪中，所述迈克尔逊匹配干涉仪由光耦合器、光纤、带有法拉第旋转镜D1的反射式相位调制器以及法拉第旋转镜D2组成，其中光耦合器与光纤以及反射式相位调制器所连接的光路作为干涉仪的长臂，光耦合器与法拉第旋转镜D2所连接的光路作为干涉仪的短臂；所述光耦合器用于将第二周期光脉冲平均分配至干涉仪的两臂，所述光纤用于对进入长臂的光脉冲信号进行延时，所述反射式相位调制器用于将π/2相位的方波信号调制到延时后的光脉冲信号中并经法拉第旋转镜D1进行反射，分别经法拉第旋转镜D1和D2反射回的两路光脉冲信号在所述光耦合器中进行干涉形成第三周期干涉光；所述光电探测器用于将第三周期干涉光转换成电信号，所述模数转换器用于采集该电信号并进行取点处理后得到两路正交信号，进而通过DCM算法或反正切算法得到最终的解调信息。进一步地，所述激光器采用窄线宽大功率半导体激光器，其输出光为相干光，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。进一步地，所述光脉冲调制器采用宽带声光调制器或宽带电吸收调制器。进一步地，所述激光器与光纤布拉格光栅之间以及光纤布拉格光栅相互之间波长匹配且失配量在50pm以内，以保持良好的光强和干涉条纹可见度。进一步地，所述光纤光栅水听器阵列中各光纤布拉格光栅的反射率由近及远依次增大，以使得后一个光栅返回的光强与前一个光栅返回的光强相当。进一步地，所述法拉第旋转镜D1与波导直接相连且嵌设于反射式相位调制器的末端。所述环形器采用宽带光环形器，所述光耦合器采用3dB耦合器，所述光电探测器采用宽带光电探测器，所述光纤采用普通单模光纤，所述模数转换器采用24位高速采集卡。本专利技术采用光纤光栅作为水听器的组成器件，并且采用了带有法拉第旋转镜的反射式相位调制器，使结构变得更加简单，降低了成本；同时本专利技术采用π/2相位调制法，可以直接通过采点分离出两路正交信号，而不需要通过一般的与参考信号混频滤波处理，简化了算法复杂度，降低了相位噪声，使系统的适用性更强。附图说明图1为本专利技术相位调制解调装置的结构示意图。图2为本专利技术装置系统中各信号的波形示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本专利技术基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置包括：激光器1、光脉冲调制器2、环形器3、信号控制器4、光纤布拉格光栅51～53、感应线圈61～62、光耦合器7、光纤8、带有法拉第旋转镜的反射式相位调制器9、法拉第旋转镜10、光电探测器11以及模数转换器12；其中：激光器1发射连续光经光脉冲调制器2强度调制后得到一连串的第一周期脉冲光，经过环形器3输入到由光纤布拉格光栅51～53组成的水听器阵列中；由于光纤布拉格光栅51～53具有反射与透射的特性，一部分光反射回来，另一部分光透射到下一光纤光栅5中，阵列中的光纤布拉格光栅两两组合构成法布里-珀罗腔，外界传感信号通过感应线圈61～62作用于法布里-珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化；由此水听器阵列返回一连串带有相位信息的第二周期脉冲光并通过环形器3输入到由光耦合器7、光纤8、反射式相位调制器9和法拉第旋转镜10构成的迈克尔逊匹配干涉仪中，经过不同的延时且一路调制上π/2方波信号后返回两路光信号经过干涉得到第三周期脉冲干涉光；第三周期脉冲干涉光通过光电探测器11转换为电信号并由模数转换器12采集数据进行取点处理得到两路正交信号，最后通过DCM算法或反正切算法得到最终的解调信息。本实施方式中，激光器1采用窄线宽大功率半导体激光器，其输出光为相干光，具有很低的相对强度噪声与良好的抗环境干扰能力。光脉冲调制器2采用宽带声光调制器或宽带电吸收调制器，用于对连续的激光信号进行强度调制产生第一周期脉冲光信号。环形器3采用宽带光环形器，用于将第一周期光脉冲信号输入到水听器阵列中，同时将从水听器阵列返回的第二周期光脉冲信号输入到干涉仪中。激光器1与光纤布拉格光栅51～53以及光纤布拉格光栅51～53相互之间波长匹配，失配量要控制在50pm以内，以保持良好的光强和干涉条纹可见度。光纤布拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，其特征在于：包括激光器、光脉冲调制器、环形器、光纤光栅水听器阵列、感应线圈、迈克尔逊匹配干涉仪、光电探测器以及模数转换器；其中：所述激光器用于发射连续的相干光，该连续的相干光经所述光脉冲调制器强度调制后得到一连串的第一周期光脉冲；所述光纤光栅水听器阵列由多个光纤布拉格光栅依次排列组成，相邻两个光纤布拉格光栅组合构成一个法布里‑珀罗腔，所述感应线圈对应嵌设于每个法布里‑珀罗腔中，外部传感信号通过感应线圈作用于法布里‑珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化，由此所述第一周期光脉冲经过环形器进入光纤光栅水听器阵列后返回一连串带有相位信息的第二周期光脉冲；反射回的第二周期光脉冲经过所述环形器进入迈克尔逊匹配干涉仪中，所述迈克尔逊匹配干涉仪由光耦合器、光纤、带有法拉第旋转镜D1的反射式相位调制器以及法拉第旋转镜D2组成，其中光耦合器与光纤以及反射式相位调制器所连接的光路作为干涉仪的长臂，光耦合器与法拉第旋转镜D2所连接的光路作为干涉仪的短臂；所述光耦合器用于将第二周期光脉冲平均分配至干涉仪的两臂，所述光纤用于对进入长臂的光脉冲信号进行延时，所述反射式相位调制器用于将π/2相位的方波信号调制到延时后的光脉冲信号中并经法拉第旋转镜D1进行反射，分别经法拉第旋转镜D1和D2反射回的两路光脉冲信号在所述光耦合器中进行干涉形成第三周期干涉光；所述光电探测器用于将第三周期干涉光转换成电信号，所述模数转换器用于采集该电信号并进行取点处理后得到两路正交信号，进而通过DCM算法或反正切算法得到最终的解调信息。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅水听器阵列的相位调制解调装置，其特征在于：包括激光器、光脉冲调制器、环形器、光纤光栅水听器阵列、感应线圈、迈克尔逊匹配干涉仪、光电探测器以及模数转换器；其中：所述激光器用于发射连续的相干光，该连续的相干光经所述光脉冲调制器强度调制后得到一连串的第一周期光脉冲；所述光纤光栅水听器阵列由多个光纤布拉格光栅依次排列组成，相邻两个光纤布拉格光栅组合构成一个法布里-珀罗腔，所述感应线圈对应嵌设于每个法布里-珀罗腔中，外部传感信号通过感应线圈作用于法布里-珀罗腔，通过腔长的变化引起光相位的变化，由此所述第一周期光脉冲经过环形器进入光纤光栅水听器阵列后返回一连串带有相位信息的第二周期光脉冲；反射回的第二周期光脉冲经过所述环形器进入迈克尔逊匹配干涉仪中，所述迈克尔逊匹配干涉仪由光耦合器、光纤、带有法拉第旋转镜D1的反射式相位调制器以及法拉第旋转镜D2组成，其中光耦合器与光纤以及反射式相位调制器所连接的光路作为干涉仪的长臂，光耦合器与法拉第旋转镜D2所连接的光路作为干涉仪的短臂；所述光耦合器用于将第二周期光脉冲平均分配至干涉仪的两臂，所述光纤用于对进入长臂的光脉冲信号进行延时，所述反射式相位调制器用于将π/2相位的方波信号调制到延时后的光脉冲信号中并经法拉第旋转镜D1进行反射，分别经法拉第旋转镜D1和D2反射回的两路光脉冲信号在所述光耦合器中...

【专利技术属性】
技术研发人员：程志威，金晓峰，章献民，池灏，郑史烈，余显斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33