一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及光纤传感和海洋技术领域，涉及到一种可用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法，所述装置包括光源光发射模块、链路模块、传感模块和调制解调模块；本发明专利技术中将对水下平台自振动信号和外界声信号的拾取集成为一套光纤相位型传感装置，通过安装设计和抗干扰信号提取方法，巧妙利用链路光纤加载平台自身振动信号，解决了多个参量传感需要多套传感器的问题，同时由于两种信号的提取都采取了光学相干检测方式，具备灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，对小型化水下平台的适装性良好。平台的适装性良好。平台的适装性良好。

【技术实现步骤摘要】
一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感和海洋
，涉及到一种可用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法。

技术介绍

[0002]在水下，很多平台，例如潜艇、水下无人潜航器等,需要加装各种类型的传感载荷来满足自身信息获取需求，同时自身结构的变形、航行过程中的振动等信息也需要同步监测。传感载荷和状态自监测载荷是水下平台的两种基本载荷配置。
[0003]为满足这两种信号的拾取需求，通常的做法是根据传感信息的获取要求加装不同类型的传感器。例如，在水下平台外壳上加装振动传感器来感知平台在运动过程中自身的结构振动和形变状态；平台加装传感器来满足水下信息获取的需求，如加装各种小型拖曳声纳、舷侧或艇艏声纳来满足水下声学信息获取的需求，如加装磁传感器来满足获取水下磁场异常信息的需求等。通常而言，由于传感要素不同导致不同传感器的原理不同，水下平台的传感载荷和状态自监测载荷都是分立的传感系统，由于每套传感系统的舱内存储、舱外安装、系统功耗等都需占用独立的资源，导致水下平台中可加装的载荷数量和种类受限，最终导致水下平台的性能受限。特别地，当面对小型化水下平台的应用需求时，如水下滑翔机、AUV等，各自独立的传感系统会存在适装性差甚至无法安装应用的问题。
[0004]文献“水下无人作战系统装备现状及发展趋势(舰船科学技术，2017,39(1)，DOI:10.3404/j.issn.1672
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7619.2017.01.001)”提出拓展平台的搭载能力是水下无人作战能力提升的重要方向之一。文献“美国水下无人航行器发展及其对美军作战思想的影响(飞航导弹，2020,(6)，DOI:10.16338/j.issn.1009
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1319.20190293)”分析了水下无人航行器载荷能力提升对美军作战理念的影响情况。文献“水下机器人多传感器组合系统在船体检测的应用(机床与液压，2019,47(23)，DOI:10.3969/j.issn.1001
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3881.2019.23.013)”研究了水下多传感器信息组合系统,利用多种传感器的特殊功能,使得水下机器人拥有等同于人类的"看、触、听"感觉,并指出了水下传感器的小型化、低功耗等未来的研究方向。不难看出，针对水下平台，提升水下平台的载荷能力是水下平台运用的核心技术之一，而多要素集成传感是水下平台载荷研究的重要发展趋势，也是发展前沿。
[0005]光纤传感技术由于良好的水下适用性、良好的复用性能等众多优势，在水下传感的很多领域得到应用。文献“面向海洋传感与探测的光纤传感器研究进展(海洋技术学报，2017,36(5)，DOI:10.3969/j.issn.1003
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2029.2017.05.001)”介绍了光纤传感在海洋探测方面的研究进展,主要包括测量海水温度、压力、盐度、叶绿素、pH值和溶解氧的相关光纤传感器以及光纤水听器。针对水下平台应用的集成化、小型化、低功耗需求而言，目前已有基于光纤光栅的多参量传感系统可以实现多要素信息获取，但只能用于慢变信号，例如温度、压力等，对于振动、噪声等动态信号的获取依然是依赖分立的传感系统实现。针对本专利技术所关注的水下平台自身振动信号和需传感的外界声信号，由于这两种信号都为频率在几赫兹到几千赫兹的动态信号，通常做法是部署两套单独的光纤相位型传感系统分别获取信息。
例如，在水下平台外壳加挂振动传感器来拾取平台自身振动信号，在水下平台尾部加挂拖曳式光纤水听器来获取水下声信息。用于感知不同信号的光纤相位型传感系统难以集成的根本原因在于都采用了光学相干检测方式。这种方式在带来高灵敏度的同时，也会使系统很容易受到外界扰动导致干扰信号产生或本底噪声提高。不同类型的信号混叠作用到一种传感器时往往不能实现多种信号同时拾取的目的，反而会导致原本传感的信号提取受到干扰甚至产生错误。除此之外，由于光纤相位检测系统必须包括复杂的光源光调制模块、信号接收解调模块等，不同类型的传感系统对调制方式、信号采集解调方式的要求不同，这也是水下用于动态信号传感的系统难以集成的根本原因之一。基于以上原因，水下平台动态信号传感载荷的集成一直是本领域的难题，也是限制水下平台载荷能力提升的瓶颈。
[0006]本专利技术针对这一技术背景，提出一种用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法。专利技术方案采用一套光纤相位型传感系统，可同时拾取并正确提取水下平台的自身振动信号和需传感的外界声信号，具有集成度高、灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，对水下平台特别是水下无人平台的适用针对性良好。

技术实现思路

[0007]本专利技术提出一种用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法。采用一套光纤相位型传感系统，通过合理设计系统不同组成部分在水下运动平台上的安装方式，设计自振动信号与外界传感声信号互不干扰的信号提取方法，实现水下平台自身振动和外界声信号的同时有效拾取，并具备灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，旨在解决适用于小型水下平台的自身结构监测载荷和水下声信号传感载荷的集成化问题，显著提升针对小型化水下平台的适装性，为水下平台的载荷能力提升提供支撑。
[0008]为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：
[0009]一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，包括光源光发射模块1、链路模块2、传感模块3和调制解调模块4；
[0010]所述光源光发射模块1用于产生带有特定调制信息的问询激光，包括窄线宽低噪声激光器101，声光调制器102，匹配干涉仪103，偏振调制器104；所述窄线宽低噪声激光器101通过光纤连接到所述声光调制器102的输入端口；所述声光调制器102的输出端口通过光纤连接到所述匹配干涉仪103的输入端口；所述匹配干涉仪103的输出端口通过光纤连接到所述偏振调制器104的输入端口；其中，窄线宽低噪声激光器101用于产生连续激光，声光调制器102用于将激光调制成脉冲激光，偏振调制器104用于调整脉冲对中每个脉冲的偏振态。所述光源光发射模块1中的所有光纤都采用保偏光纤。
[0011]所述匹配干涉仪103包括输入保偏光纤耦合器103A，输出保偏光纤耦合器103B，干涉仪长臂保偏光纤103C和干涉仪短臂保偏光纤103D。其中所述干涉仪长臂保偏光纤103C部分绕到压电陶瓷(PZT)上形成PZT光纤相位调制器103F；所述匹配干涉仪103用于将脉冲激光调制成一对脉冲，且脉冲时间间隔与光在所述传感模块3中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，同时通过光纤相位调制器103F引入PGC调制。
[0012]所述链路模块2用于实现舱内设备与舱外设备的光连接，同时加载水下平台自身振动信号，包括光纤环形器201和传输光纤202，所述光纤环形器201含有三个端口，分别为输入端口201A，第一输出端口201B、第二输出端口201C；光源光发射模块1中偏振调制器104
的输出端口通过光纤连接到链路模块2中光纤环形器201的输入端口2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，其特征在于：包括光源光发射模块(1)、链路模块(2)、传感模块(3)和调制解调模块(4)；所述光源光发射模块(1)用于产生带有特定调制信息的问询激光，包括窄线宽低噪声激光器(101)，声光调制器(102)，匹配干涉仪(103)，偏振调制器(104)；所述窄线宽低噪声激光器(101)通过光纤连接到所述声光调制器(102)的输入端口；所述声光调制器(102)的输出端口通过光纤连接到所述匹配干涉仪(103)的输入端口；所述匹配干涉仪(103)的输出端口通过光纤连接到所述偏振调制器(104)的输入端口；其中，窄线宽低噪声激光器(101)用于产生连续激光，声光调制器(102)用于将激光调制成脉冲激光，偏振调制器(104)用于调整脉冲对中每个脉冲的偏振态；所述匹配干涉仪(103)包括输入保偏光纤耦合器(103A)，输出保偏光纤耦合器(103B)，干涉仪长臂保偏光纤(103C)和干涉仪短臂保偏光纤(103D)；其中所述干涉仪长臂保偏光纤(103C)部分绕到压电陶瓷上形成PZT光纤相位调制器(103F)；所述匹配干涉仪(103)用于将脉冲激光调制成一对脉冲，且脉冲时间间隔与光在所述传感模块(3)中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，同时通过光纤相位调制器(103F)引入PGC调制；所述链路模块(2)用于实现舱内设备与舱外设备的光连接，同时加载水下平台自身振动信号，包括光纤环形器(201)和传输光纤(202)，所述光纤环形器(201)含有三个端口，分别为输入端口(201A)，第一输出端口(201B)、第二输出端口(201C)；光源光发射模块(1)中偏振调制器(104)的输出端口通过光纤连接到链路模块(2)中光纤环形器(201)的输入端口(201A)；所述光纤环形器(201)的第二输出端口(201B)连接到所述传输光纤(202)；其中，光纤环形器(201)用于实现光上行和下行连接，传输光纤(202)贴在水下平台的外壳上，用于实现光传输并同步加载水下平台自身振动信号；所述传感模块()用于同步获取自身振动信号和外界声信号，包括第一光纤光栅(301)，屏蔽光纤(302)，第二光纤光栅(303)，声传感光纤(304)，第三光纤光栅(305)，所述第一光纤光栅(301)、所述第二光纤光栅(303)和所述第三光纤光栅(305)的反射谱完全相同，所述屏蔽光纤(302)和所述声传感光纤(304)的材质和长度完全相同，屏蔽光纤(302)绕在刚性材料上；声传感光纤304绕在弹性材料上；所述链路模块(2)中传输光纤(202)连接到第一光纤光栅(301)的输入端；所述第一光纤光栅(301)的输出端连接到所述传感光纤(302)的输入端，所述传感光纤(302)的输出端连接到所述第二光纤光栅(303)的输入端，所述第二光纤光栅(303)的输出端连接到所述传感光纤(304)的输入端，所述传感光纤(304)的输出端连接到所述第三光纤光栅(305)；第三光纤光栅(305)的输出端悬空；其中，第一光纤光栅(301)、屏蔽光纤(302)和第二光纤光栅(303)构成一个光纤干涉仪，用于形成干涉后提取平台自身振动信号；第二光纤光栅(303)、声传感光纤(304)和第三光纤光栅(305)构成一个光纤干涉仪，用于形成干涉后提取外界声信号；所述调制解调模块(4)用于实现系统控制和调制解调功能，包括电源模块(401)，主控模块(402)，光电转换和采集模块(403)，解调模块(404)；电源模块(401)用于为主控模块(402)供电，主控模块(402)用于产生同步控制信号和调制信号，光电转换和采集模块(403)用于将返回光进行光电转换后采集，解调模块(404)用于实现低频振动和高频声信号的同时拾取；所述电源模块(401)通过电缆连接到所述主控模块(402)，所述主控模块(402)具有两个输出端：第一输出端(402A)，第二输出端(402B)，第一输出端(402A)通过电缆连接到解
调模块(404)，第二输出端(402B)通过电缆连接到光电转换和采集模块(403)；所述光电转换模块(403)的输入端通过光缆与光纤环形器(201)的第三输出端口(201C)连接，输出端(403A)通过电缆连接到所述解调模块(404)；所述调制解调模块(404)具有三个输出端：第一输出端(404A)，第二输出端(404B)、第三输出端(404C)，第一输出端(404A)通过电缆连接到声光调制器(102)，第二输出端(404B)通过电缆连接到匹配干涉仪(103)，第三输出端(404C)通过电缆连接到偏振调制器(104)。2.一种根据权利要求1所述水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，其特征在于：所述窄线宽低噪声激光器(101)产生的激光光波长为1550nm波段。3.一种根据权利要求1所述水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，其特征在于：所述第一光纤光栅(301)、第二光纤光栅(303)、第三光纤光栅(305)反射中心波长为1550nm波段的激光。4.一种根据权利要求1所述水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，其特征在于：所述光源光发射模块(1)中的所有光纤都采用保偏光纤。5.一种权利要求1至4任一项所述装置的安装方法，其特征在于：所述光源光发射模块(1)和所述调制解调模块(4)安装在水下平台的舱内；所述链路模块(2)安装在水下平台的外壳上，该模块既是传感模块(3)中声信号的传输链路，同时又是平台自身振动信息的传感器，当链路模块(2)紧贴在水下平台的外壳上时，平台自身振动会带动链路模块(2)中的传输光纤(202)一起振动，从而影响光纤中的光传输，实现传输光和加载平台自身振动信号的双重作用；所述传感模块(3)根据外界传感声信号的需求，可以舷侧悬挂方式安装在水下平台外壳，也可以拖曳方式拖曳在水下平台尾部。6.一种基于权利要求1至4任一项所述装置的水下...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丽娜，尚凡，陈祥国，戚悦，陈羽，王俊，胡正良，熊水东，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：