專利名稱：用于光纖水聽器pgc時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學器件技術領域，尤其涉及一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)及方法。
背景技術：
現有的基于匹配干涉儀的光纖水聽器PGC (Phase Generated Carrier,相位生成載波，是系統(tǒng)的調制方式)時分復用系統(tǒng)主要包括光源輸入、脈沖調制、傳感陣列、補償干 涉儀和解調部分。其中水聽器探頭和補償干涉儀都采用非平衡的分光比為I : I的2X2耦合器Michelson干涉儀，光纖尾端安裝FRM(法拉第旋鏡)。補償干涉儀的長臂繞制在PZT (壓電陶瓷)上，通過調制PZT上的電壓達到信號調制的目的。時分復用系統(tǒng)的噪聲特性決定動態(tài)范圍和最小可檢測精度，是系統(tǒng)性能的重要指標之一，當前時分復用系統(tǒng)噪聲源主要為光強噪聲，因此需要找到一種有效去除時分復用系統(tǒng)的光強噪聲的方法，以改善光纖水聽器系統(tǒng)的噪聲性能。

發(fā)明內容
(一 )要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)及方法，以改善光纖水聽器系統(tǒng)的噪聲性能。( 二 )技術方案為解決上述問題，一方面，本發(fā)明提供了一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，包括光源，用于發(fā)出初始信號；脈沖調制器，用于將光源發(fā)出的初始信號調制成脈沖信號；水聽器陣列，用于根據環(huán)境聲信號生成傳感信號；參考單元，用于將輸入的脈沖信號反射后形成時間上錯開設置的至少三路參考信號;補償干涉儀，用于對所述傳感信號和參考信號進行干涉得到干涉后傳感信號和參考信號;探測器，用于探測所述干涉后的傳感信號和參考信號；解調模塊，用于對探測到的信號進行解調得到解調后的傳感信號和參考信號；降噪模塊，用于根據解調后的參考信號對解調后的傳感信號進行降噪處理。優(yōu)選地，所述光源和脈沖調制器之間還設有對光源發(fā)出的初始信號進行放大的光放大器。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括光纖環(huán)形器，用于將所述脈沖調制器調制后形成的脈沖信號輸入至所述水聽器陣列，以及將所述水聽器陣列反射的傳感信號輸出至所述補償干涉儀。
優(yōu)選地，水聽器陣列包括若干水聽器探頭，包括傳感臂和參考臂，位于傳感臂和參考臂末端的法拉第旋鏡，以及將輸入的信號分路至所述傳感臂和參考臂、并將傳感臂和參考臂反射回的傳感信號合路后輸出的I禹合器；若干陣列耦合器，分別與每個水聽器探頭對應，用于將輸入的信號分路至對應的水聽器探頭和下一個陣列耦合器，以及將對應水聽器探頭和下一個陣列耦合器返回的信號合路后輸出；其中最后一個陣列耦合器將輸入的信號分路至對應的水聽器探頭和參考單元，并將對應水聽器探頭和參考單元返 回的信號合路后輸出。優(yōu)選地，相鄰兩個陣列耦合器之間通過延時光纖連接。優(yōu)選地,所述參考單元包括第一參考耦合器，用于將經過所述水聽器陣列后輸入的信號分路至各傳輸臂，并將所述傳輸臂返回的信號合路后輸出；至少三路傳輸臂，其中一路傳輸臂用于將所述第一參考耦合器輸入的信號傳輸至參考探頭，所有傳輸臂將所述參考探頭返回的信號分別在不同時間返回至第一參考耦合器；參考探頭，包括傳感臂和參考臂，位于傳感臂和參考臂末端的法拉第旋鏡，以及將輸入的信號分路至所述傳感臂和參考臂、并將傳感臂和參考臂反射回的參考信號合路后輸出的I禹合器。優(yōu)選地，所述至少三路傳輸臂除了一路傳輸臂以外，其余各路傳輸臂上均設有隔離器，用于阻止信號由第一參考耦合器向參考探頭傳輸。優(yōu)選地，所述至少三路傳輸臂通過相互之間的臂長差實現在不同時間分別返回參
考信號。另一方面，本發(fā)明還提供了一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的方法，包括以下步驟SI :將光源發(fā)出的初始信號調制成脈沖信號并輸入水聽器陣列和參考單元，分別得到傳感信號和至少三路參考信號；S2 :對所述傳感信號和參考信號進行干涉得到干涉后的傳感信號和參考信號；S3:將干涉后的傳感信號和參考信號轉換為電信號，并計算轉換后的至少三路參考信號中的三項的線性組合值；S4 :將轉換后的傳感信號和參考信號分別減去所述線性組合值，消除直流項光強
噪聲；S5 :解調步驟S3轉換后的傳感信號和參考信號；將步驟S3轉換后的兩路參考信號進行線性組合，使得得到的組合信號的相位中包含解調后的傳感信號的相位信息，再對所述組合信號進行解調，得到組合信號的相位值；S6:對傳感信號解調后得到的相位信號進行去相關運算去除解調后的傳感信號中的相位噪聲和交流光強噪聲，得到最終輸出的傳感信號。優(yōu)選地，所述步驟S5中采用數字化反正切解調方法進行解調。(三)有益效果本發(fā)明通過在光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)中引入參考單元，對參考單元輸出的參考信號進行線性組合等運算，消除了傳感信號中的直流項光強噪聲，使得最終消除了傳感信號中的相位噪聲和光強噪聲，改善了系統(tǒng)的噪聲性能。


圖I為根據本發(fā)明實施例系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為圖I中A處水聽器探頭的結構示意圖；圖3為圖I中B處參考水聽器探頭的結構示意圖；圖4為圖I中C處補償干涉儀的結構示意圖；
圖5為根據本發(fā)明實施例系統(tǒng)同一探頭的傳感臂和參考臂返回的兩個信號在補償干涉儀中發(fā)生干涉的示意圖；圖6為根據本發(fā)明實施例方法的步驟流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明如下。實施例一如圖I所不,本實施例記載了一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，包括光源，用于發(fā)出初始信號；光放大器，用于對光源發(fā)出的初始信號進行放大；脈沖調制器，用于將經過光放大器放大后的初始信號調制成脈沖信號；水聽器陣列，用于根據環(huán)境聲信號生成傳感信號；參考單元，用于將輸入的脈沖信號反射后形成時間上錯開設置的至少三路參考信號；本實施例中，為三路參考信號；補償干涉儀，用于對所述傳感信號和參考信號進行干涉得到干涉后傳感信號和參考信號;光纖環(huán)形器，用于將所述脈沖調制器調制后形成的脈沖信號輸入至所述水聽器陣列，以及將所述水聽器陣列反射的傳感信號輸出至所述補償干涉儀；探測器，用于探測所述干涉后的傳感信號和參考信號；解調模塊，用于對探測到的信號進行解調得到解調后的傳感信號和參考信號；降噪模塊，用于根據解調后的參考信號對解調后的傳感信號進行降噪處理。本實施例中，所述水聽器陣列包括若干水聽器探頭，如圖2所示，包括傳感臂和參考臂，位于傳感臂和參考臂末端的法拉第旋鏡，以及將輸入的信號分路至所述傳感臂和參考臂、并將傳感臂和參考臂反射回的傳感信號合路后輸出的稱合器；在本實施例中，該稱合器為2X2 f禹合器。若干陣列耦合器，分別與每個水聽器探頭對應，用于將輸入的信號分路至對應的水聽器探頭和下一個陣列耦合器，以及將對應水聽器探頭和下一個陣列耦合器返回的信號合路后輸出；其中最后一個陣列耦合器將輸入的信號分路至對應的水聽器探頭和參考單元，并將對應水聽器探頭和參考單元返回的信號合路后輸出，在本實施例中，所述陣列耦合器也為2X2耦合器。
本實施例中，相鄰兩個陣列耦合器之間通過延時光纖連接，以產生適合的時間差，使得各水聽器探頭返回的信號錯開。 本實施例中,所述參考單元包括第一參考耦合器，用于將經過所述水聽器陣列后輸入的信號分路至各傳輸臂，并將所述傳輸臂返回的信號合路后輸出；三路傳輸臂，其中第一路傳輸臂用于將所述第一參考稱合器輸入的信號傳輸至參考探頭，第一至第三路傳輸臂將所述參考探頭返回的信號分別在不同時間返回至第一參考耦合器；本實施例中，所述第二和第三路傳輸臂上均設有隔離器，用于阻止信號由第一參考率禹合器向參考探頭傳輸，防止輸入脈沖經過第二、三 路傳輸臂輸入參考探頭中與第一路參考臂輸入的脈沖發(fā)生混疊；所述三路傳輸臂通過相互之間的臂長差實現在不同時間分別返回參考信號，在本實施例中，通過在第二和第三傳輸臂上分別設置50米和100米的延時光纖實現。參考探頭，如圖3所示，包括傳感臂和參考臂，位于傳感臂和參考臂末端的法拉第旋鏡，以及將輸入的信號分路至所述傳感臂和參考臂、并將傳感臂和參考臂反射回的參考信號合路后輸出的稱合器，在本實施例中，該稱合器為3X2稱合器。如圖4所示，本實施例中，所述補償干涉儀包括干涉儀耦合器、干涉儀參考臂、具有壓電陶瓷的補償干涉儀傳感臂、以及位于所述干涉儀參考臂和干涉儀傳感臂末端的法拉第旋鏡。本實施例中，所述水聽器探頭、參考探頭以及補償干涉儀的傳感臂和參考臂之間的臂長差都相等(在本實施例中為10. 6米)，靈敏度低于200dB rad/y Pa。本實施例的工作原理如下光源發(fā)出的初始信號經過光放大器放大后，被脈沖調制器調制成脈沖，脈沖進入光纖環(huán)行器，經光纖環(huán)行器的I端口入、2端口出，進入水聽器陣列，每經過一個陣列耦合器，都有一部分光進入相應的水聽器探頭，并發(fā)生反射。由于水聽器探頭中形成干涉儀的傳感臂和參考臂長度不同，兩臂反射的脈沖會在時域上分開，也即射入一個脈沖，返回兩個傳感信號脈沖。反射回去的傳感信號脈沖沿引導光纖進入光纖環(huán)行器，從光纖環(huán)行器的2端口入、3端口出，進入補償干涉儀，補償干涉儀與水聽器探頭具有相同的臂長差，每個水聽器探頭反射回來的兩個傳感信號脈沖分別經過反射又各自產生兩個脈沖，并且同一個水聽器探頭第一個返回的傳感信號脈沖產生的后一個反射脈沖與第二個返回的傳感信號脈沖產生的前一個反射脈沖在時域上剛好重合，形成干涉，如圖5所示。同樣的，由光纖環(huán)形器輸出的脈沖除了進入各水聽器探頭外，還進入參考單元，由第一傳輸臂a輸入至參考探頭，并經過參考探頭的傳感臂和參考臂分別反射后形成時域上分開的兩個參考信號脈沖，該兩個參考信號脈沖分別經過第一路傳輸臂a、第二路傳輸臂b以及第三路傳輸臂c返回，由于第二路傳輸臂b和第三路傳輸臂c上分別設有長度不同的延時光纖，因此，該三路傳輸臂分別返回的兩個參考信號脈沖在時域上也是分開的。時域上分開的三組參考信號脈沖也經由光纖環(huán)形器進入補償干涉儀，形成三組干涉信號。探測器分別將傳感信號形成的干涉信號和參考信號形成的干涉信號轉換為電信號，送入后續(xù)的解調系統(tǒng)進行解調。實施例二
如圖6所示，本實施例記載了一種通過實施例一所述的系統(tǒng)實現的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的方法，包括以下步驟SI :將光源發(fā)出的初始信號調制成脈沖信號并輸入水聽器陣列和參考單元，分別得到傳感信號和至少三路參考信號；本實施例中，參考信號為三路；S2 :對所述傳感信號和參考信號進行干涉得到干涉后的傳感信號和參考信號；S3:將干涉后的傳感信號和參考信號轉換為電信號，并計算轉換后的三路參考信號的線性組合值；本實施例中，所述第一至三路干涉信號經過解時分提取后分別為
權利要求
1.一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，包括 光源，用于發(fā)出初始信號； 脈沖調制器，用于將光源發(fā)出的初始信號調制成脈沖信號； 水聽器陣列，用于根據環(huán)境聲信號生成傳感信號； 參考單元，用于將輸入的脈沖信號反射后形成時間上錯開設置的至少三路參考信號； 補償干涉儀，用于對所述傳感信號和參考信號進行干渉得到干渉后傳感信號和參考信號; 探測器，用于探測所述干涉后的傳感信號和參考信號； 解調模塊，用于對探測到的信號進行解調得到解調后的傳感信號和參考信號； 降噪模塊，用于根據解調后的參考信號對解調后的傳感信號進行降噪處理。
2.如權利要求I所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，所述光源和脈沖調制器之間還設有對光源發(fā)出的初始信號進行放大的光放大器。
3.如權利要求I所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括光纖環(huán)形器，用于將所述脈沖調制器調制后形成的脈沖信號輸入至所述水聽器陣列，以及將所述水聽器陣列反射的傳感信號輸出至所述補償干涉儀。
4.如權利要求I所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，水聽器陣列包括 若干水聽器探頭，包括傳感臂和參考臂，位于傳感臂和參考臂末端的法拉第旋鏡，以及將輸入的信號分路至所述傳感臂和參考臂、并將傳感臂和參考臂反射回的傳感信號合路后輸出的I禹合器； 若干陣列耦合器，分別與每個水聽器探頭對應，用于將輸入的信號分路至對應的水聽器探頭和下ー個陣列耦合器，以及將對應水聽器探頭和下一個陣列耦合器返回的信號合路后輸出；其中最后一個陣列耦合器將輸入的信號分路至對應的水聽器探頭和參考單元，并將對應水聽器探頭和參考單元返回的信號合路后輸出。
5.如權利要求4所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，相鄰兩個陣列耦合器之間通過延時光纖連接。
6.如權利要求I所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，所述參考單元包括 第一參考耦合器，用于將經過所述水聽器陣列后輸入的信號分路至各傳輸臂，并將所述傳輸臂返回的信號合路后輸出； 至少三路傳輸臂，其中一路傳輸臂用于將所述第一參考耦合器輸入的信號傳輸至參考探頭，所有傳輸臂將所述參考探頭返回的信號分別在不同時間返回至第一參考耦合器； 參考探頭，包括傳感臂和參考臂，位于傳感臂和參考臂末端的法拉第旋鏡，以及將輸入的信號分路至所述傳感臂和參考臂、并將傳感臂和參考臂反射回的參考信號合路后輸出的率禹合器。
7.如權利要求6所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少三路傳輸臂除了一路傳輸臂以外，其余各路傳輸臂上均設有隔離器，用于阻止信號由第一參考I禹合器向參考探頭傳輸。
8.如權利要求6所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少三路傳輸臂通過相互之間的臂長差實現在不同時間分別返回參考信號。
9.一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的方法，其特征在于，包括以下步驟 Si:將光源發(fā)出的初始信號調制成脈沖信號并輸入水聽器陣列和參考單元，分別得到傳感信號和至少三路參考信號； S2 :對所述傳感信號和參考信號進行干渉得到干渉后的傳感信號和參考信號； S3:將干涉后的傳感信號和參考信號轉換為電信號，并計算轉換后的至少三路參考信號中的三項的線性組合值； 54:將轉換后的傳感信號和參考信號分別減去所述線性組合值，消除直流項光強噪聲； 55:解調步驟S3轉換后的傳感信號和參考信號；將步驟S3轉換后的兩路參考信號進行線性組合，使得得到的組合信號的相位中包含解調后的傳感信號的相位信息，再對所述組合信號進行解調，得到組合信號的相位值； S6:對傳感信號解調后得到的相位信號進行去相關運算去除解調后的傳感信號中的相位噪聲和交流光強噪聲，得到最終輸出的傳感信號。
10.如權利要求9所述的用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的方法，其特征在干，所述步驟S5中采用數字化反正切解調方法進行解調。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的系統(tǒng)，包括光源、脈沖調制器、水聽器陣列、用于將輸入的脈沖信號反射后形成時間上錯開的至少三路參考信號的參考單元、補償干涉儀、探測器、解調模塊以及通過至少三路參考信號對水聽器陣列生成的傳感信號進行降噪處理降噪模塊。本發(fā)明還公開了一種用于光纖水聽器PGC時分復用系統(tǒng)降噪的方法，包括得到傳感信號和至少三路參考信號；對所述傳感信號和參考信號進行干涉后轉換為電信號，根據轉換后的至少三路參考信號中三項的線性組合值，消除傳感信號中直流項光強噪聲；解調轉換后的傳感和參考信號；去除解調后傳感信號中的相位噪聲和交流光強噪聲。本發(fā)明提高了系統(tǒng)整體的噪聲性能。
文檔編號G01H9/00GK102680072SQ20121014360
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權日2012年5月9日
發(fā)明者屠東升, 張華勇, 張敏, 戴之光, 王凱, 田長棟 申請人:清華大學