一种基于光频域反射技术的光纤水听器制造技术

本发明专利技术涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于光频域反射技术的光纤水听器，包括线性扫频激光器、干涉仪、信号传感探测装置、光电探测器和信号处理单元；线性扫频激光器输出端与干涉仪内部光纤耦合器的输入端相连接，光纤耦合器输出端将扫频激光分成两路，一路为信号光，另一路为参考光，参考光经光纤传输至法拉第旋转镜并被其反射回光纤耦合器；信号光经光纤进入信号传感探测装置，接受调制并返回瑞利信号至光纤耦合器；在光纤耦合器内部发生干涉，干涉仪输出端与光电探测器输入端连接，光电探测器输出端与信号处理单元输入端相连接进行信号处理，本发明专利技术不仅具备传统水听器的优点，还有效解决了水听器测量精度和测量范围相制约的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光频域反射技术的光纤水听器


[0001]本专利技术涉及光纤传感
，特别涉及一种基于光频域反射技术的光纤水听器。

技术介绍

[0002]随着各种先进技术在潜艇制造工艺中的应用,现代潜艇在水下运行时噪音不断降低,这给反潜作战带来巨大的挑战，目前大量装备的传统压电型水听器灵敏度已不能满足水声探测的实战需要,而且由于压电材料物理本质的原因,性能也难有较大的改进,而光纤传感器技术的发展,为研制高性能的水听器提供了技术可能性，通过光纤传感与传输组合,可构成水下目标搜索、预警、探测和识别的阵列系统，光纤水听器由于采用光纤作为信息载体,适宜远距离、大范围监测,是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段，同时光纤水听器在海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测，在海洋资源勘探、海底观测网、海洋国土安全等领域具有广泛应用前景。
[0003]目前在大多数光纤水听器中的光纤传感器都是“点式传感”，测量范围均局限在一些离散的区域，一般都要增加很多传感单元来拓展它的测量范围。成本、复杂性及其脆弱性均限制了这种传感技术的广泛应用，从而诞生了能够覆盖整个光纤长度的可连续传感的“分布式传感技术”，绝大多数分布式传感器都是基于光时域反射技术(OTDR)，该技术的基本原理就是探测、分析反射回来的短脉冲光，但其通常无法解决动态距离和空间精度之间的矛盾，因此，有必要对现有技术改进以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于光频域反射技术的光纤水听器，具体而言通过以下技术方案实现：
[0005]本专利技术包括线性扫频激光器、干涉仪、信号传感探测装置、光电探测器和信号处理单元；所述线性扫频激光器输出端与干涉仪内部光纤耦合器的输入端相连接，光纤耦合器的输出端将扫频激光分成两路，一路为信号光，另一路为参考光，参考光经光纤传输至法拉第旋转镜并被其反射回光纤耦合器；信号光经光纤进入信号传感探测装置，接受调制并返回瑞利信号至光纤耦合器；信号在干涉仪内部发生干涉，干涉仪输出端与光电探测器输入端连接，光电探测器输出端与信号处理单元输入端相连接进行信号处理。
[0006]具体的，所述信号传感探测装置包括铠装光纤和水听器探头。铠装光纤起到保护作用，信号通过水听器探头接受调制，水听器探头分布式排列连接。
[0007]具体的，在铠装光纤外部为聚脲或者聚氨酯复合材料中的一种。
[0008]具体的，水听器探头采用芯轴型弹性结构进行增敏处理，水听器探头内部传感光纤缠绕在声压弹性体上，在水听器探头的外层封装采用声传感器封装。
[0009]具体的，参考臂光纤长度根据线性激光器扫频频率和水听器探头之间的间隔确定。
[0010]具体的，法拉第旋转镜插入损耗不高于0.3dB，直径为2.5mm，长度为10mm。
[0011]具体的，所述线性扫频激光器为线性可调谐激光器。
[0012]具体的，所述光纤耦合器为2*2光纤耦合器，插入损耗不高于0.2dB，分光比为1:1。
[0013]具体的，所述干涉仪选用迈克尔逊干涉仪。
[0014]具体的，所述光电探测器为高光电转换效率和高抗噪的型号，且其采用铝制外壳进行封装，光电探测器带宽不低于300MHz，增益为700A/W，等效噪声压不高于100pw/Hz1/2。
[0015]本专利技术的有益效果：
[0016]本专利技术创造性地使用了光频域反射技术,在干涉仪内部，通过2*2光纤耦合器将扫频光分为两路，一部分作为参考光由法拉第旋转镜反射回光纤耦合器，一部分进入信号传感探测装置，进而经过调制变为信号光，返回瑞利信号至光纤耦合器，随后使其相互干涉，输出至光电探测器，进而再经过信号处理单元进行处理解调，还原信息，不仅具备传统光纤水听器的优点即灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧易于遥测和构成大规模阵列等特点，还有效的解决了水听器测量精度和测量范围相制约的问题，本专利技术的其他有益效果将结合下文具体实施例进行进一步的说明。
附图说明
[0017]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：
[0018]图1为本专利技术信号流向示意图；
[0019]图2为本专利技术结构细化图。
具体实施方式
[0020]如图1
‑
2所示：一种基于光频域反射技术的光纤水听器，包括线性扫频激光器1、干涉仪2、信号传感探测装置3、光电探测器4和信号处理单元5；线性扫频激光器1输出端与干涉仪2内部光纤耦合器21的一个输入端相连接，光纤耦合器21的输出端将扫频激光分成两路，一路为信号光，另一路为参考光，参考光经光纤传输至法拉第旋转镜22并被其反射回光纤耦合器21；信号光经光纤进入信号传感探测装置3，经过信号传感探测装置3调制后的信号光返回瑞利信号并与没有调制过的参考光在干涉仪2中完成干涉，两种信号成为混频信号；光纤耦合器21输出端与光电探测器4输入端连接，光电探测器4输出端与信号处理单元5输入端相连接进行信号处理，混频信号经过光电探测器4和信号处理单元5的处理，还原信息，得到具体的发出信号物体的位置。本专利技术核心技术为OFDR，基于瑞利背向散射和光外差探测。
[0021]所述光外差探测，其原理解析及其有益效果分析如下：
[0022]假定满足相干条件的信号光E
s
(t)和参考光E
r
(t)的光场分别为：
[0023][0024][0025]那么两束光相干后的光场E(t)可表示为：
[0026][0027]其中，A
s
、A
r
为振幅，w
s
、w
r
为角频率，为相位。
[0028]由光电探测器4的平方律特性，光电探测器4输出的光电流为：i(t)＝α[E
s
(t)+E
r
(t)]2，其中α表示光电探测器4的光电转换因子，考虑到光电探测器44对高于截止频率的部分不作响应，且直流项部分会被过滤掉，因此，最终输出的光电流信号为：
[0029][0030]上式包含了光外差探测输出信号的振幅、频率和相位信息。其中，输出信号的幅值与两束光信号的振幅成正比，频率为两束光信号的差频。由上式可知，光电探测器4输出的光电流信号的大小依赖于信号光和参考光的光功率，只要合理调整两束光信号的光功率大小便可得到较大的光电流信号，由于光外差探测系统中的光电探测器4都具有滤波功能，只允许中频以内的光信号进入，因此，该探测系统还具有较好的滤波性能。
[0031]对光外差探测方式的转换增益而言，设光电探测器4的电阻为R，采用光外差探测方式和直接探测方式得到的输出电信号的功率分别为P1和P2，则光外差探测方式的转换增益可以表示为：
[0032][0033]其中P
R
和P
S
分别表示光外差探测系统中的参考光和信号光的功率大小，由公式可知，光外差探测输出的转换增益由参考光和信号光的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光频域反射技术的光纤水听器，其特征在于：包括线性扫频激光器、干涉仪、信号传感探测装置、光电探测器和信号处理单元；所述线性扫频激光器输出端与干涉仪内部光纤耦合器的输入端相连接，光纤耦合器的输出端将扫频激光分成两路，一路为信号光，另一路为参考光，参考光经光纤传输至法拉第旋转镜并被其反射回光纤耦合器；信号光经光纤进入信号传感探测装置，接受信号调制并返回瑞利信号至光纤耦合器；干涉仪输出端与光电探测器输入端连接，光电探测器输出端与信号处理单元输入端相连接进行信号处理。2.根据权利要求1所述的基于光频域反射技术的光纤水听器，其特征在于：所述信号传感探测装置包括铠装光纤和水听器探头，信号光经过铠装光纤进入水听器探头，再由水听器探头调制返回瑞利信号。3.根据权利要求2所述的基于光频域反射技术的光纤水听器，其特征在于：在铠装光纤外部为聚脲或者聚氨酯复合材料中的一种。4.根据权利要求3所述的基于光频域反射技术的光纤水听器，其特征在于：水听器探头采用芯轴型弹性结构进行增敏处理，水听器探头内部传感光纤缠绕在声压弹性体上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：路书祥，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：