专利名称：一种具有准互易光路的光纤水听器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及利用干涉光相位检测声压的一种具有准互易光路的光纤水听器。
背景技术：
声波是目前在海洋中能够远距离传输信息的最有效载体。在海洋中探测载有信号的声波所形成的声场的时空结构，是进行水下探测、识别、通讯及环境监测等的重要手段，它既可用于远距离军事目标探测，海底矿藏开发，鱼群探测，还可以用于海洋动力过程(内波、环流)的遥测和海洋、陆地地震波检测等。因此，先进的水声探测技术对于国民经济、国防建设和科学研究都有着重要意义。
光纤水听器是于七十年代末发展起来的一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声波信号传感器。它利用声波调制光纤中光波的强度、相位、偏振态或其它参量来进行声/光转换，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信号信息，其灵敏度与传统压电水听器相比高三个数量级。光纤水听器集光纤传感器灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构灵巧、易于遥测和构成阵列等优越性于一体，是光纤传感技术研究的重要方向之一，也是新一代水声传感器的主要发展方向之一，它在军事领域的研究与应用受到了各国军方的高度重视。自从1977年美国海军实验室Bucaro等人发表了第一篇关于光纤水听器的论文以来，已经经过了三十年的研究与发展。特别是近年来，随着光纤通信及光电子技术的迅速发展，光纤传感技术日趋成熟，光纤水听器也由实验室研究走向工程应用，成为现代光纤传感技术发展的重要方向，也是水声传感技术的主要发展方向。光纤水听器按原理可分为强度型、干涉型、光栅型等。其中强度型光纤水听器的结构与信号检测相对简单，不存在干涉型光纤水听器中存在的信号相位波动及偏振态随机变化导致的信号衰落等问题，但是检测灵敏度不及干涉型，也不利于组成阵列结构，有较大的局限性，是早期光纤水声传感技术研究的主要内容。随着干涉型光纤水听器研究的兴起，其关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域己经形成产品，光纤水听器的研究热点已经从强度型转为干涉型。干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造，利用声场对光纤中光波的传输相位进行调制，经过光纤干涉仪，将这种相位调制检测并解调出来而实现声传感。能够实现干涉型光纤水听器的光纤干涉仪结构主要有四种，分别是Mach-Zehnder型干涉仪、Michelson型干涉仪、Fabry-Perot型干涉仪、Sagnac型干涉仪等。其中，Fabry-Perot型光纤水听器灵敏度非常高，但它的动态范围小，易受光路损耗变化的影响，特别是信号解调复杂，不适于复用技术，用于水声传感的研究较少。目前，被研究最多的是基于Mach-Zehnder干涉仪和Michelson干涉仪的光纤水听器，也是技术最为成熟的干涉型光纤水听器。但这两种干涉仪存在固有的问题，比如由于两干涉臂很难保证长度一致，在有些应用中还会人为地加大两臂的光程差，这将会使双光路干涉仪中光源的相位噪声转换为强度噪声。此外，两束相干光的光路不同，两束光的偏振态会发生随机波动，很难保持一致，这将导致干涉信号的对比度降低，严重情况下对比度甚至为零。而基于Sagnac型干涉仪的光纤水听器虽然解决了偏振态随机波动的问题，但由于Sagnac型干涉仪为互易光路系统，对于低频信号存在固有的不敏感性，存在一定的局限。

发明内容
针对现有干涉型光纤水听器存在问题偏振态随机波动的问题，或者对低频信号不敏感等，本发明提出一种具有准互易光路的光纤水听器。本发明提出的具有准互易光路的光纤水听器，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、保偏耦合器、声探头、补偿光纤、以及光电探测器。光源的尾纤同分路器的一个输入端光纤熔接，光电探测器的尾纤与分路器的另一个输入端光纤熔接；分路器的输出端光纤同起偏器的输入端光纤熔接；起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接；相位调制器依次连接延迟光纤、法拉第旋光器和保偏耦合器；保偏耦合器的一个输出端光纤与声探头的传感光纤的输入端光纤 熔接，保偏耦合器的另一个输出端光纤与补偿光纤的一端光纤熔接，声探头的传感光纤的输出端光纤与补偿光纤的另一端光纤以90°熔接；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上从而实现相位调制。所述的起偏器和相位调制器，可采用集成光学相位调制器替换，集成光学相位调制器的输入端光纤直接与分路器的输出端光纤熔接，集成光学相位调制器的两个输出端保偏光纤分别与偏振分束/合束器的两个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，集成光学相位调制器还接收信号处理电路提供的电信号以实现相位调制。本发明的优点和积极效果在于本发明提出的具有准互易光路的光纤水听器，可以抑制光路中的偏振态随机波动，解决了传统水听器的偏振衰落问题；并且可以有效测量由于声压造成的相位信号，具有较传统水听器更明显的技术优势。此外，本发明的光纤水听器具有准互易光路，增强了对环境干扰的免疫能力，以光纤作为信息的传感与传输介质，不会被电磁干扰。


图I是本发明的光纤水听器的第一种实施方式的结构示意图；图2是本发明的光纤水听器的第一种实施方式的结构示意图。图中I、光源2、分路器3、起偏器4、相位调制器5、延迟光纤6、法拉第旋光器7、保偏耦合器8、声探头9、补偿光纤10、光电探测器11、集成光学相位调制器 12、偏振分束/合束器13、信号处理电路
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。本发明实施例中给出了实现所提供的具有准互易光路的光纤水听器的两种实施方案。如图I所示，为本发明光纤水听器的第一种实施方案。所述的光纤水听器包括光源I、分路器2、起偏器3、相位调制器4、延迟光纤5、法拉第旋光器6、保偏耦合器7、声探头
8、补偿光纤9、以及光电探测器10。如图I所示，光信号在分路器2的输入端分成两路一路是光源I的尾纤同分路器2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器10的尾纤与分路器2的另一输入端光 纤熔接在一起。分路器2的输出端光纤同起偏器3的输入端光纤熔接,起偏器3的输出端保偏光纤与相位调制器4的输入端保偏光纤以45°熔接，相位调制器4的输出端光纤同延迟光纤5的输入端光纤熔接,延迟光纤5的输出端光纤同法拉第旋光器6的输入端光纤熔接，法拉第旋光器6的输出端光纤与保偏稱合器7的一输入端光纤熔接,保偏稱合器7的一个输出端光纤与声探头8的传感光纤的输入端熔接，保偏耦合器7的另一个输出端光纤与补偿光纤9的输入端熔接，声探头8的传感光纤的输出端与补偿光纤9的输出端以90°熔接。本发明实施例中声探头8的传感光纤是保偏光纤。光电探测器10获取干涉信号，光电探测器10的输出端与信号处理电路13的输入端相连接，光电探测器10将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路13，信号处理电路13检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路13将该输出信号施加到相位调制器4上从而实现相位调制。如图2所示，为本发明光纤水听器的第二种实施方案。所述的光纤水听器包括光源I、分路器2、集成光学相位调制器11、偏振分束/合束器12、延迟光纤5、法拉第旋光器
6、保偏耦合器7、声探头8、补偿光纤9以及光电探测器10。如图2所示，光信号在分路器2的输入端分成两路一路是光源I的尾纤同分路器2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器10的尾纤与分路器2的另一输入端光纤熔接在一起。分路器2的输出端光纤与集成光学相位调制器11熔接，集成光学相位调制器11的两个输出端保偏光纤分别与偏振分束/合束器12的两个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器12的输出端光纤同延迟光纤5的输入端光纤熔接,延迟光纤5的输出端光纤同法拉第旋光器6输入端光纤熔接,法拉第旋光器6输出端光纤与保偏稱合器7的一个输入端光纤熔接，保偏耦合器7的一个输出端光纤与声探头8上传感光纤的输入端熔接，保偏耦合器7的另一个输出端光纤与补偿光纤9的一端熔接，声探头8上传感光纤的输出端与补偿光纤9的另一端以90°熔接。光电探测器10获取干涉信号，光电探测器10的输出端与信号处理电路13的输入端相连接，光电探测器10将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路13，信号处理电路13检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路13将该输出信号施加到集成光学相位调制器11上从而实现相位调制。光源I可以是SLD光源、掺铒光纤光源、LED光源等宽谱光源。分路器2采用保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或者单模耦合器来实现。相位调制器4与延迟光纤5之间可采用跳线连接或者熔接；延迟光纤5与法拉第旋光器6之间可采用跳线连接或者熔接。所述的法拉第旋光器6中旋光角度为45°。相位调制器4或者集成光学相位调制器11采用方波或者正弦波调制。信号处理电路13在检测方案上可以采取开环检测或者闭环检测方式，采用数字闭环信号检测技术，动态范围大，频响特性好。本发明光纤水听器的基本原理为首先由宽谱光源I发出的光通过分路器2后，由起偏器3起偏成线偏光，然后通过45°熔点形成正交的两束光，该两束正交的偏振光在相位调制器4进行分别调制，通过延迟光纤5后在法拉第旋光器6中旋转45°，再经保偏耦合器7进入声探头8，由于声探头8采用保偏光纤，因此声探头8感应待测声压，保偏光纤受到调制，传输光的两个模式之间产生相位变化，然后以90°进入互易补偿光纤，补偿由于声探头8保偏光纤双折射产生的光程差，再通过保偏耦合器7返回法拉第旋光器6并旋转45°，然后通过延迟光纤4，最后在起偏器3处发生干涉。携带干涉相位信息的光进入光电探测器10 (PIN光电探测器)后，由信号处理电路13检测该干涉信号从而获得声压值输出。同样采用Y型集成光学相位调制器11 (Y波导)的光路可以达到相同的目的，其光路基本原理相同，只是宽谱光源I在Y波导处起偏分光并调制，在偏振分束/合束器(PBS)12处形成 正交模式的光，其后的传感机理相同，最后在Y波导处形成干涉。光电探测器在t时刻的输出干涉信号Id(t)的表达式为
权利要求
1.一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，包括光源、分路器、起偏器、相位调制器、延迟光纤、法拉第旋光器、保偏耦合器、声探头、补偿光纤、以及光电探测器； 光源的尾纤同分路器的一个输入端光纤熔接，光电探测器的尾纤与分路器的另一个输入端光纤熔接；分路器的输出端光纤同起偏器的输入端光纤熔接；起偏器的输出端保偏光纤与相位调制器的输入端保偏光纤以45°熔接；相位调制器依次连接延迟光纤、法拉第旋光器和保偏稱合器；保偏稱合器的一个输出端光纤与声探头的传感光纤的输入端熔接，保偏耦合器的另一个输出端光纤与补偿光纤的一端熔接，声探头的传感光纤的输出端与补偿光纤的另一端以90°熔接；光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，光电探测器将得到的包含声压信息的干涉光信号转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测该电信号获取声压值，并且输出，同时信号处理电路将该输出信号施加到相位调制器上以实现相位调制。
2.根据权利要求I所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的起偏器和相位调制器，采用集成光学相位调制器替换，集成光学相位调制器的输入端光纤直接与分路器的输出端光纤熔接，集成光学相位调制器的两个输出端保偏光纤分别与偏振分束/合束器的两个输入端保偏光纤熔接，偏振分束/合束器的输出端光纤同延迟光纤的输入端光纤熔接，集成光学相位调制器还接收信号处理电路提供的电信号以实现相位调制。
3.根据权利要求I或2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的光源是SLD光源、掺铒光纤光源、或者LED光源。
4.根据权利要求I或2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的声探头的传感光纤是保偏光纤。
5.根据权利要求I或2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的分路器为保偏光纤环形器、保偏耦合器、单模光纤环形器或者单模耦合器。
6.根据权利要求I所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的相位调制器与延迟光纤之间跳线连接或者熔接；所述的延迟光纤与法拉第旋光器之间跳线连接或者熔接。
7.根据权利要求I或2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的法拉第旋光器的旋光角度为45°。
8.根据权利要求2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的偏振分束/合束器为保偏耦合器。
9.根据权利要求I或2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的相位调制器或者集成光学相位调制器，采用方波或者正弦波调制相位。
10.根据权利要求I或2所述的一种具有准互易光路的光纤水听器，其特征在于，所述的光电探测器在t时刻的输出干涉信号Id(t)表达式为 = y0 + cos[4 (/ — r)—φηι (O + 成]} 其中，Itl为到达光电探测器的光强，Φπα)为相位调制器的调制相位或者为集成光学相位调制器的调制相位，为由于敏感声压造成的相位差，τ为光在延迟光纤中的渡越时间。
全文摘要
本发明公开了一种具有准互易光路的光纤水听器，宽谱光源发出的光经分路器、起偏器起偏成线偏光，通过45°熔点形成正交的两束光，经相位调制器分别调制后，通过延迟光纤经法拉第旋光器旋转45°，经保偏耦合器进入声探头，经声探头的保偏光纤，以90°熔点进入互易补偿光纤，经保偏耦合器返回法拉第旋光器旋转45°，经延迟光纤最后在起偏器处两个正交模式的偏振光发生干涉。光电探测器接收包含声压信息的干涉光信号，并将其转换为电信号提供给信号处理电路，信号处理电路检测电信号获取声压信号作为输出，同时将该输出信号施加给相位调制器以实现相位调制。本发明方法抑制了光路中偏振态随机波动，有效测量由于声压造成的相位信号。
文档编号G01H9/00GK102721460SQ201210173118
公开日2012年10月10日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者于佳, 冯秀娟, 张晞, 李传生, 李彦, 李立京, 王夏霄, 邬战军 申请人:北京航空航天大学