专利摘要

本发明涉及一种时分复用光纤水听器阵列的光路结构及其调制解调方法，所述的时分复用光纤水听器阵列的输入端包括：激光器和声光调制器，所述的声光调制器，用于将激光器通过光纤发出的光波调制成光询问脉冲后输入给时分复用光纤水听器阵列进行询问工作；所述的光纤水听器单元两臂的光程差大于光询问脉冲持续长度，光脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器时，两臂的反射脉冲并不发生干涉，而是分别以先后次序由水下到达干端；所述的时分复用光纤水听器阵列的输出端包括：干涉仪和相位调制器；所述的光询问脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器后进入干涉仪发生干涉，再经过PGC外调制，最后经光电转换变成电信号。

说明书

技术领域

本发明涉及时分复用光纤水听器阵列的调制解调方法，更具体地说，涉及一种时分复用光纤水听器阵列的光路结构及其调制解调方法。

背景技术

时分复用是最常见的光纤水听器阵列复用方式之一。目前的时分复用方式都是在水下完成光的干涉，然后，干涉信号经由光纤传至干端(水声领域习惯称水下部分为湿端，岸上部分则为干端)，由于长距离传输线中传输的光的功率是变化的，这也容易增加信号解调的不稳定因素。

生成相位调制(PGC，Phase Generated Carrier)解调方式，是干涉型光纤水听器最重要的解调方式之一。首先，通过调制加入干涉仪的相位调制器，或直接调制光频，在干涉仪中加入一个周期变化的相位差，系统输出变为形如V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n)的信号形式(其中C反映调制深度；ω₀是调制频率，远大于被测信号频率)，随后，再通过多步PGC运算实现解调。

PGC调制方式分为外调制和内调制两种，外调制即前面所述的“调制加入干涉仪的相位调制器”，内调制即前面所述的“直接调制光频”。

A、外调制

外调制是通过单频余弦信号调制干涉光路中的相位调制器来实现，相位调制器是将一定长度的光纤缠绕在PZT(压电陶瓷环)上来实现。它的基本原理是通过调制压电陶瓷，光纤的长度随压电陶瓷直径的变化成正比变化，于是两路光的光程差被调制，实现对相位差的调制。这时，干涉仪两路的相位差φ可写为：

φ=2πnvc(l+Δlmcosω0t)=φ0+Ccosω0t]]>

其中，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，v是光频，l是干涉仪两臂光路的静态几何长度差，ω₀是调制频率，Δl_m是调制产生的两臂光路的最大几何长度差，C是调制深度。

PGC外调制下，拾取了声信号的光在干端的干涉仪发生干涉后，考虑外界干扰和噪声，干涉信号经光电转换后可以写成：

V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n+φ₀)

其中φ_s对应水声信号、φ_n为噪声、φ₀为初始相位差。

B、内调制

通过调制光源频率实现不等长臂干涉仪的相位生成称为内调制，它不需要在干涉仪中加任何器件，系统可以实现全光，也便于复用，但它要求光源可调频。PGC内调制下，通过单频余弦信号直接调制光源频率，干涉信号经光电转换后也可以表达为：V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n+φ₀)。

C、外调制和内调制的比较

从以上的描述可以看出，外调制和内调制都是在干涉光中加入了按待测水声信号频带外某一频率变化的相位差。

从理论的角度讲，两者都是可实现的。相比而言，从成本、系统风险和降噪的角度看，内调制有很多的缺点。外调制虽优，但需要对参与干涉的两路光中的一路中加入相位调制器，这样需要对湿端供电，无法实现湿端的全光化。鉴于上述情况，若要保证湿端全光化，只好选用PGC内调制。

为了清楚说明本发明解决的技术问题，首先介绍一下传统的时分复用生成相位调制方法。如图1所示，传统的时分复用生成相位调制，采用内生成相位调制(PGC内调制)，即直接调制光源频率，以8元阵列为例，描述如下：

①特定频率和幅度的余弦信号对激光器调制光频，激光器发出的光通过一根光纤输出到声光调制器；

②声光调制器将输入光纤中的光波调制成光询问脉冲(脉冲平顶时间与光纤中光速的乘积大于光纤水听器单元两臂的光程差)，输入给时分复用光纤水听器阵进行询问工作；

③进入时分复用阵列的询问光脉冲，再由光纤和7个光纤延时线圈依次在不同时刻分配到时分复用阵列的8个水听器中，实现时分复用阵列内8个光纤水听器之间的时分复用；

④光纤水听器单元两臂的光程差小于时分脉冲持续长度(脉冲平顶时间与光纤中光速的乘积)，所以光脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器时，由于到达时差小于脉冲持续时间，两臂反射的脉冲发生干涉，各单元干涉后的光信号以先后次序由水下到达干端；

⑤光信号到达干端后，进入光电转换器变成电信号，供后端采集解调。

⑥用单频余弦信号调制光源频率，即PGC内调制，因PGC内调制产生的光纤水听器两臂的相位差为：

φ=2πnlc(v+Δvmcosω0t)=φ0+Ccosω0t;]]>

其中，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，l为光纤水听器单元两臂的静态几何长度差，ω₀为调制频率，Δv为调制光频产生的最大频移，C为调制深度，

C=2πnlcΔvm;]]>

在PGC内调制下，拾取了声信号的光在干端干涉仪发生干涉后，考虑外界干扰和噪声，干涉信号经光电转换后的表达式为：

V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n+φ₀)；

其中，A为直流电压、B为交流电压幅度，φ_s对应水声信号、φ_n为噪声、φ₀为初始相位差。

这就得到了PGC解调所需的信号形式，经过信号采集和多步PGC运算后即可解调出水声信号φ_s。

上述方式可实现时分复用阵列的生成相位调制解调，该方案存在如下不足：

1、采用PGC内调制，即通过直接调制光源频率的方式完成生成相位调制，这样可保证湿端的全光化，但是可调频的激光器成本很高。

2、内调制因其固有工作机制，要求参与干涉的两路光之间必须存在一定的光程差，这对于降低噪声是十分不利的。这个必有的光程差值也是与激光器的调制能力对应的，若光源调制能力不够强，则这个必有的光程差值要很大，使系统对光源的相干性(或单色性)的依赖性增强，这样，势必会增大激光器频率噪声的影响。若试图将必有程差控制得很小以适应降噪需要，势必要求会光源的调制能力很强，这样成本变高是显而易见的，对生产商而言，激光器能否达到技术要求也是一个很大挑战。

3、在水下完成光的干涉，然后干涉信号经由光纤传至干端，长距离传输线中传输的光的功率是变化的，这也容易增加信号解调的不稳定因素。

发明内容

本发明的目的在于，通过一种新的时分复用方式，使光在干端发生干涉，并在干端实现PGC外调制，保证湿端的全光化，并实现信号的正确解调，从而提供一种时分复用光纤水听器阵列的光路结构及其调制解调方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种时分复用光纤水听器阵列的光路结构，包括：时分复用光纤水听器阵列，用于通过光纤和若干个光纤延时线圈依次在不同时刻将光询问脉冲分配到时分复用阵列的若干个光纤水听器中，实现时分复用阵列内若干个光纤水听器之间的时分复用；其特征在于，所述的时分复用光纤水听器阵列的输入端包括：激光器和声光调制器，所述的声光调制器，用于将激光器通过光纤发出的光波调制成光询问脉冲后输入给时分复用光纤水听器阵列进行询问工作；所述的光询问脉冲的脉冲平顶时间与光纤中光速的乘积小于光纤水听器两臂的光程差；光纤水听器单元两臂的光程差大于时分脉冲持续长度(脉冲平顶时间乘光纤中的光速)，光脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器时，由于到达时差大于脉冲平顶时间，两臂的反射脉冲在水下并不发生干涉，而是分别以先后次序由水下到达干端；

所述的时分复用光纤水听器阵列的输出端包括：干涉仪和相位调制器；所述的光询问脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器，然后由水下到达干端进入干涉仪经过光程差补偿后发生干涉，再经过PGC外调制，最后经光电转换变成电信号输出，以供后端采集解调。

所述的干涉仪两臂的光程差与光纤水听器单元两臂的光程差相同，这样入射到2×2耦合器的两个时间上分立的光脉冲被分为四个，其中，两个光脉冲的光程差加倍，不发生干涉，另两个光脉冲的光程差为0，经过干涉仪后发生干涉，干涉波纹的相位就对应于水下声压的变化，这样，拾取了声信号的光在干端实现了干涉。

所述的干涉仪为迈克耳逊Michelson式或马赫-贞德Mach-Zehnder式干涉仪；所述的干涉仪中的一臂上有相位调制器，该相位调制器通过将一定长度的光纤缠绕在压电陶瓷环PZT上，再通过单频余弦信号调制压电陶瓷环，使光纤的长度随压电陶瓷直径的变化成正比变化，以调制两臂的光程差，在干涉仪中加入一个周期变化的相位差，即PGC外调制。

为达到上述的另一目的，本发明还提供了一种时分复用光纤水听器阵列的调制解调方法，该方法采用干涉仪和光纤水听器单元的光程差补偿的方式，使光在干端发生干涉，通过加在干涉仪中的相位调制器，在干端实现PGC外调制，保证湿端的全光化；提供了解调中所需的混频参考信号初相位的确定方法，解决了时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性，实现了信号的正确解调；所述的方法包括以下步骤：

1)激光器发出的光通过一根光纤输出到声光调制器；

2)声光调制器将输入光纤中的光波调制成光询问脉冲输入给时分复用光纤水听器阵进行询问工作；所述的脉冲平顶时间与光纤中光速的乘积应小于光纤水听器两臂的光程差；

3)进入各时分复用阵列的询问光脉冲，再由光纤和若干个光纤延时线圈依次在不同时刻分配到时分复用阵列的若干个光纤水听器中，实现时分复用阵列内的若干光纤水听器之间的时分复用；

4)光纤水听器单元两臂的光程差大于时分脉冲持续长度，所以光脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器时，由于到达时差大于脉冲平顶时间，两臂反射的脉冲在水下并不产生干涉，而是分别以先后次序由水下到达干端；

5)到达干端后两个脉冲再经过2×2耦合器的一路进入迈克耳逊Michelson式(或马赫-贞德Mach-Zehnder式)干涉仪；所述的干涉仪两臂的光程差与光纤水听器单元两臂的光程差相同，这样，入射到2×2耦合器的两个时间上分立的光脉冲被分为四个，其中两个光脉冲的光程差加倍，不发生干涉，另两个光脉冲的光程差为0，经过干涉仪后发生干涉。干涉波纹的相位就对应于水下声压的变化，这样拾取了声信号的光在干端实现了干涉；

6)干涉仪中的相位调制器对两路光的程差调制，即PGC外调制，调制信号为单频余弦信号，干涉仪两臂因PGC外调制产生的相位差φ为：

φ=2πnvc(l+Δlmcosω0t)=φ0+Ccosω0t]]>

其中，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，v是光频，l是干涉仪两臂光路的静态几何长度差，ω₀是调制频率，Δl_m是调制产生的最大臂差，C是调制深度；

7)在PGC外调制下，拾取了声信号的光在干端干涉仪发生干涉后，考虑外界干扰和噪声，干涉信号经光电转换后可以写成：

V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n+φ₀)

其中，A为直流电压、B为交流电压幅度，φ_s对应水声信号、φ_n为噪声、φ₀为初始相位差；

这就得到了PGC解调所需的信号形式，经过信号采集和多步PGC运算后即可解调出水声信号φ_s。

该方法进一步包括以下步骤：

8)将上式以Bessel函数形式展开，用与调制信号同频率的参考信号cosω₀t及其倍频信号进行混频并低通滤波后得到：

BJ₁(C)sin(φ_s+φ_n)

BJ₂(C)cos(φ_s+φ_n)

其中，J₁、J₂表示一阶、二阶Bessel函数；

分别对上述的两式分别微分并与微分前另一方相乘，最后结果相减，得到：

B2J1(C)J2(C)d(φs+φn)dt]]>

再积分后得到：

B²J₁(C)J₂(C)(φ_s+φ_n)

高通滤波，并对系统输出进行定标后得到信号φ_s。

其中，为解决时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性，须确定各阵元参与混频的参考信号的初相位，并在混频运算中予以补偿，所述的混频处理包括步骤：

首先，根据采集到的光电信号和参考信号确定时分阵列第1阵元的时延，由此确定第1阵元参考信号的初相位，并通过数字处理在混频运算中予以补偿；

以第1阵元的采样点为基准，其后的(N-1)个点分别依次对应其余阵元的采样点，若采样率为Fs，下1个阵元和前1个阵元的间隔时间为1/Fs，每阵元的信号返回干端依次经过相位调制器时便产生了相位滞后，若相位调制器上的PGC调制信号频率为Fp，即间隔时间为1/Fp时PGC调制信号的相位刚好跨过一个周期即2π，那么1/Fs的时间间隔对应的相位延迟为(1/Fs)/(1/Fp)×2π＝Fp/Fs×2π。与第1阵元混频信号cosω₀t的初相位相比，后面的每一个阵元的依次落后Fp/Fs×2π个相位，在各阵元信号的混频中将参考信号的相位延迟补齐再参加运算。

在各阵元信号的混频运算中将相位延迟按上述方法补齐，然后按照上节的步骤实现各阵元信号的正确解调。

9)上节中所述的“时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性”，分析如下：

在混频运算中，参与相乘的cosω₀t通常被称为参考信号，实际运算中还要考虑参考信号和调制后干涉信号的初相位差，这是PGC解调的关键参数，在参考信号中补偿初相位后才能参与混频运算。

对于PGC内调制和外调制解调，两者得到的光电信号形式相同，后续的解调方法也是基本相同的。但对本文提出的时分复用光纤水听器阵列的PGC外调制解调方案，如何确定解调混频中参考信号的初相位是个新课题。

对于PGC内调制解调，确定参考信号初相位时是以时分阵列的第1阵元作参照，时分阵列的各个阵元的混频初相位均采用第1阵元的结果即可。因为PGC内调制是对光源调频，光被调频后然后进入时分阵列再返回干端。光在进入时分阵列前已被调频，所以自始至终各个阵元中的光调频是同步的，返回干端后按照第1阵元就可以确定各个阵元的混频初相位。

对于PGC外调制解调方案，混频初相位的问题复杂得多。该方案的混频参考信号初相位问题处理如下：

首先根据采集到的光电信号和参考信号确定时分阵列第1阵元的时延，由此确定第1阵元参考信号的初相位，并予以补偿。

以第1阵元的采样点为基准，其后的(N-1)个点分别依次对应其余阵元的采样点。若采样率为Fs，则下1个阵元和前1个阵元的间隔时间为1/Fs，每阵元的信号返回干端依次经过相位调制器时便产生了相位滞后，这就是时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性。若相位调制器上的PGC调制信号频率为Fp，即间隔时间为1/Fp时PGC调制信号的相位刚好跨过一个周期即2π，那么1/Fs的时间间隔对应的PGC相位延迟为(1/Fs)/(1/Fp)×2π＝Fp/Fs×2π。

与第1阵元混频信号cosω₀t的初相位相比，后续各个阵元的依次落后Fp/Fs×2π个相位。以采样率Fs＝1M、调制频率Fp＝12.5k为例，相邻阵元的相位延迟为1/80×2π，随着阵元数的增多，这将积累成一个很大的延迟，不能忽略。

通过上述混频参考信号初相位的确定和补偿，解决了时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性问题，这是解调的关键技术之一。

本发明的优点在于：

①采用了新的时分复用光路结构设计，使光在干端发生干涉，干端干涉仪补偿了两路干涉光光束的光程差，减小了系统对光源高相干性的依赖；干端干涉可以使光束在到达干端前的长距离传输中保持功率稳定，有效地增强干涉信号的稳定性。

②通过加在干端干涉仪中相位调制器，在干端实现了PGC外调制，成本低，简单易控，性能提高，噪声降低，大幅降低了对激光器和调制信号源的要求，同时降低了系统风险。

③提出了时分复用阵列中PGC外调制解调运算中混频参考信号初相位的确定方案，解决了时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性，实现了多阵元信号的正确解调。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为现有技术的生成相位调制时分复用光纤水听器阵列示意图；

图2为本发明的基于外生成相位调制解调的时分复用光纤水听器阵列示意图；

图3为本发明的PGC解调的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

如图1和2所示，本发明提出的是时分复用光纤水听器阵列外生成相位调制解调方法，要解决的技术问题在于：采用新的时分复用光路结构设计使光在干端发生干涉，并在干端实现PGC外调制以保证湿端的全光化，解决时分复用光纤水听器阵列外调制相位生成的非同步性，实现信号的正确解调。以8阵元阵列为例，描述如下：

①激光器发出的光通过一根光纤输出到声光调制器；

②声光调制器将输入光纤中的光波调制成光询问脉冲(脉冲平顶时间为300ns，取光纤纤芯折射率为1.456，脉冲持续长度即脉冲平顶时间与光纤中光速的乘积为61.8m，)，输入给时分复用光纤水听器阵进行询问工作；

③进入各时分复用阵列的询问光脉冲，再由光纤和7个光纤延时线圈依次在不同时刻分配到时分复用阵列的8个水听器中，实现时分复用阵列内8个光纤水听器之间的时分复用；

④光纤水听器单元两臂光的光程差为72.8m，大于时分脉冲持续长度(61.8m)，所以光脉冲被两臂端的法拉第旋转镜反射后回到耦合器时，由于到达时差大于脉冲平顶时间，两臂反射的脉冲在水下并不产生干涉，而是分别以先后次序到达干端；

⑤到达干端后两个脉冲再经过2×2耦合器的一路进入Michelson式(或Mach-Zehnder式)干涉仪。这个干涉仪两臂的光程差与光纤水听器单元两臂的光程差相同，这样入射到2×2耦合器的两个时间上分立的光脉冲被分为四个，其中两个光程差加倍变为145.6m，大于时分脉冲持续长度不发生干涉，另两个的程差为0，在经过干涉仪后发生干涉。干涉波纹的相位就对应于水下声压的变化，这样拾取了声信号的光在干端实现了干涉；

⑥干涉仪中的相位调制器被特定频率和幅度的单频余弦信号调制，相位调制器是由将一定长度的光纤缠绕在PZT(压电陶瓷环)上来实现。它的基本原理是通过调制压电陶瓷，光纤的长度随压电陶瓷直径的变化成正比变化，于是两路光的程差被调制，在干涉仪中加入了一个周期变化的相位差，实现了PGC外调制，这时，干涉仪两臂因PGC调制产生的相位差φ可写为：

φ=2π·n·vc·(l+Δlm·cosω0t)=φ0+Ccosω0t]]>

其中，n是光纤纤芯折射率，c是真空中光速，v是光频，l是干涉仪两臂光路的静态几何长度差，ω₀是调制频率，Δl_m是调制产生的最大臂差，C是调制深度；

⑦拾取了声信号的光在干端干涉仪发生干涉且经过PGC外调制后，考虑外界干扰和噪声，干涉信号经光电转换后可以写成：

V＝A+Bcos(Ccosω₀t+φ_s+φ_n+φ₀)

其中φ_s对应水声信号、φ_n为噪声、φ₀为初始相位差。

这就得到了PGC解调所需的信号形式，解调的目标就是从上式中得到水声信号φ_s。

⑧令 对上式Bessel函数形式展开，得到：

其中，J_k(C)为第一类k阶Bessel函数。从上式可见，经过调制后的干涉信号包括调制信号频率ω₀的零频、ω₀和ω₀的无穷项高次倍频。将上式混频，分别乘以Gcosω₀t和Hcos2ω₀t，得到：

为计算方便，通常取G＝H＝1，在混频运算中，参与相乘的cosω₀t被称为参考信号。

对于时分复用光纤水听器阵列的PGC外调制解调方案，存在外调制相位生成的非同步性。需要确定各阵元中参考信号与干涉信号的初相位差，并予以补偿，然后参加混频运算。处理方法如下：

首先根据采集到的光电信号和参考信号确定时分阵列第1阵元的时延，由此确定第1阵元参考信号的初相位，并通过数字处理在混频运算中予以补偿。以第1阵元的采样点为基准，其后的1-7个点分别对应2-8阵元的采样点。若采样率为Fs，下1个阵元和前1个阵元的间隔时间为1/Fs，每阵元的信号返回干端依次经过相位调制器时便产生了相位滞后，若相位调制器上的PGC调制信号频率为Fp，即间隔时间为1/Fp时PGC调制信号的相位刚好跨过一个周期即2π，那么1/Fs的时间间隔对应的PGC相位延迟为(1/Fs)/(1/Fp)×2π＝Fp/Fs×2π。与第1阵元混频信号cosω₀t的初相位相比，后7个阵元的依次落后Fp/Fs×2π个相位。以采样率Fs＝1M、调制频率Fp＝12.5k为例，相邻阵元的相位延迟为1/80×2π，第8个阵元和首阵元的相位延迟为7/80×2π，这是一个比较大的延迟。在各阵元信号的混频中将相位延迟按上述标准补齐再参加运算。

⑨因为调制频率ω₀远远大于被测信号频率，对上式低通滤波后，所有含ω₀及其倍频项均被滤去，此时可以写为：

经微分后分别为：

上两式分别与微分前的另一方相乘得：

两式相减得：

积分得到：

经高通滤波后为：

由上式除去系统参数B、C的影响，可以得到定标后的声信号

上述PGC解调数字化实现方案的原理框图，如图3所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

时分复用光纤水听器阵列的光路结构及其调制解调方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

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1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

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3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

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A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。