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标题: 光纤水听器阵列的多路复用技术 [打印本页]

作者: gravelhe 时间: 2010-8-30 15:59
标题: 光纤水听器阵列的多路复用技术
1　引言　　
　　
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。目前大量装备的压电型水听器灵敏度已逐渐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，这迫切需要发展一种崭新的水下声场探测装置来应付日益严重的水声对抗的新课题。美国海军研究实验室在80年代初提出的可以利用光纤作换能器研制光纤水听器的新方案［1］，给处境艰难的被动水声探测技术带来了新的希望。　　
　　
光纤水听器是一种重要的光纤压力传感器，通过水下的声波对光纤的应力作用改变光纤纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中传播光束的光程改变，导致相位发生变化。采用干涉测量技术可检测出相位变化，并得到有关水声的信息。和压电陶瓷或压电晶体型的传统水听器相比，光纤水听器具有很大的优越性。它利用光的相位干涉作为探测手段，探测灵敏度极高，响应频带也较宽；它以光纤作为信息传感与传输媒介，而以光为载体的信息既不会被电磁干扰也无发生泄漏的危险。光纤水听器优异的特性使它具有十分看好的军事应用前景。美国国防部与海军共同发起了一个光纤传感器系统(FOSS)的计划［2］，其中有关光纤水听器的研究占了很重要的一部分。自从80年代以来，伴随着光纤通信技术带动的集成光学器件以及光纤激光器、光纤放大器技术的高速发展，光纤水听器技术取得了长足的进步，已有多种高性能光纤水听器系统问世，典型系统性能可达到本底噪声低于海况零(DSS0)30 dB，动态范围超过120 dB，并且从10 Hz到10 kHz均有平坦的频响，这样的指标是传统水听器无法比拟的。

2　多路复用光纤水听器阵列
　　
光纤水听器的研究虽然取得了长足的进步，但距实现工程化、装备化还有一定的差距。由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部详细信息，因此光纤水听器在军事上主要是以阵列的形式应用，是否能以低成本实现分布式阵列，是光纤水听器最终能否在实战中得以应用的关键性因素。自80年代中期以来，各国对光纤水听器技术研究的重点集中到如何充分利用光纤传输损耗低、传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源、光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，这样既降低了系统成本，又降低了维护上的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息。美国海军研究实验室(NRL)，英国国防研究局(DRA)等是最先研究光纤水听器技术的机构，日本、俄罗斯、法国、意大利的有关部门、公司和大学也已投入力量进行光纤水听器多路复用技术的研究。

2.1　时分多路复用技术［3～8］
　　
光纤水听器的多路复用可以通过不同的体系结构来实现，各国的研究人员根据各自的技术优势分别发展了多种多路复用技术。其中最早被采用的是时分多路复用（TDM）技术，它的工作原理是根据光脉冲经由阵列中各个节点处的单元光纤水听器返回时，会因光程差而存在时间上的差异，当向阵列注入间隔相同、光波频率略有差异的相干激光脉冲对，从每个节点处返回的光脉冲回波相位于前一个节点处回波相位之差携带了此节点处单元光纤水听器所探测到的有关信息，而发射这两个脉冲之间的间隔由于光程差造成的时间延迟相等，会同时到达光电探测器端，由于两脉冲是相干的，会在光电探测器端发生干涉，利用干涉信号变化可获得有关的水声信息。同时，利用返回时间可确定信号源的位置，当向阵列中注入间隔时间大于单个脉冲从光程最远处返回所需时间的连续光脉冲时，通过高速数字电子技术可将经同一光电探测器检测出的来自不同单元水听器的信号较好的分开，完成多路复用信号的解复用。
　
采用时分多路复用技术的光纤水听器阵列从结构上大体可分为两类，一类为反射型结构，另一类为透射型结构。它们的结构示意图分别如图1和图2所示。图1　反射型时分复用结构的光纤水听器阵列示意图 Fig1.Scheme of reflection-type optic fiber hydrophone array with time-multip lexing structure 图2　透射型时分复用结构的光纤水听器的阵列示意图 Fig2.Scheme of transmission-type optic fiber hydrophone array with time-mult iplexing structure
　　
反射型结构的光纤水听器阵列只需一根光纤作为光脉冲信号的发射与接收总线，但每个节点的单元水听器需后置一反射装置，使携带有该节点处水声信息的光脉冲信号能够沿原路返回。透射型结构的光纤水听器阵列有两条总线，一条为信号发射总线，另一条为信号接收总线，从而不需反射装置。阵列中各节点之间的光纤还起延时的作用，使得从各节点返回的光脉冲不会在时域发生重叠，保证信号处理所需的时延。
　　
时分复用结构的光纤水听器阵列的信号处理一般利用光学外差法，每次向阵列中注入一个频率略有差异的光脉冲对，频差通常由布喇格光栅移频产生，利用光学开关对较长相干长度的激光进行斩波或附加的延时光路对单个光脉冲复制得到相干的脉冲对，使得脉冲对之间的时间间隔能保证从每个节点处返回的第一个脉冲与从前一个节点处返回的第二个脉冲同时到达探测器，实现外差检测。另外也可以利用零差法实现时分复用系统的信号处理。时分复用结构的最大复用能力，及阵列中最多可容纳的节点数主要受光功率和信号采样率的限制，目前复用单元数最多的是英国的国防研究局1992年报道的16 单元平面阵列［4］，更大的复用能力有望通过时分复用与波分复用技术相结合来实现。

2.2　频分多路复用技术［9～11］
　　
光纤水听器的频分多路复用（FDM）技术一般是指相位产生载波(PGC)的频分复用即副载波频分复用，其基本原理是将由水声信号引起的各单元光纤水听器光学干涉信号的相位变化分别用不同频率的载波进行调制，每个载波频率对应一个节点处的单元光纤水听器，相邻载波频率之间的频差大于水声信号的频带上限的二倍，阵列中各节点信号被同一光电探测器检测后，利用一系列中心频率与各载波频率相对应的滤波器将其分开，而后可采用多种信号处理技术将调制到载波上的干涉信号解调出来，实现解复用的目的。
　　
相位产生载波技术的特点是水声信号与高频载波信号共同对干涉信号的相位进行调制。从理论上已证明，每个节点处水听器探测到的水声信号在频域上被移到以载波频率为中心的两侧边频位置，因相邻载波频率间隔大于水声信号频带上限的二倍，因此不会发生信号的串扰。一个典型的9单元频分多路复用结构的水听器阵列结构如图3所示。图3　频分多路复用光纤水听器阵列结构示意图 Fig3.Scheme of optic fiber hydrophone array with frequency-multiplexing stru cture

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