用于光纤矢量水听器的调制解调装置

摘要

本发明公开了一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置，公开的装置包括光发射模块和光接收模块，其中：所述光发射模块，通过传输光纤与光纤矢量水听器连接，用于为光纤矢量水听器提供调制后的光源；光发射模块包括激光器、PGC调制电路和脉冲调制器；所述光接收模块，通过传输光纤与光纤矢量水听器连接，用于接收光纤矢量水听器发出的干涉光信号，解调得到光信号中的水声场信号，与外部设备进行信息交互；光接收模块包括光电转换单元、模数转换单元和信号处理单元。通过PGC调制解调提高了光纤矢量水听器输出信号的稳定性，从而进一步提高水声场矢量信号探测的准确性。

权利要求

1.一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，包括光发射模块和光接收模块，其中：所述光发射模块，通过传输光纤与光纤矢量水听器连接，用于为光纤矢量水听器提供调制后的光源；光发射模块包括激光器、PGC调制电路、隔离器、增益控制放大电路和脉冲调制器，其中：激光器，用于发射激光提供光源，并由PGC调制电路的余弦调制信号进行光频调制后将调频激光发送给脉冲调制器；

PGC调制电路，用于产生余弦调制信号发送给激光器及产生脉冲调制信号发送给脉冲调制器；

脉冲调制器，用于将激光器输出的调频光信号进行脉冲调制，产生光脉冲序列发送给光纤矢量水听器；

隔离器，用于隔离从光纤矢量水听器返回的反射光；

增益控制放大电路，激光器通过增益控制放大电路与PGC调制电路连接，增益控制放大电路还与光接收模块连接，用于根据光接收模块发送的控制电压调整发送给的PGC调制电路的输出电压，抑制光源中光频调制效率的漂移；

所述光接收模块，通过传输光纤与光纤矢量水听器连接，用于接收来自光纤矢量水听器的干涉光信号，解调得到光信号中的水声场信号，并与外部设备进行信息交互；从来自光纤矢量水听器的干涉光信号中获得光源的光频调制效率的波动后，以负反馈的方式产生控制电压发送给增益控制放大电路，光接收模块包括光电转换单元、模数转换单元和信号处理单元，其中：光电转换单元，用于接收激光器光纤矢量水听器的干涉光信号，转换为模拟电信号，发送给模数转换单元；

模数转换单元，用于将接收的模拟电信号转换为数字电信号，发送给信号处理单元；

信号处理单元，用于将数字电信号解调为水声场信号，与外部设备进行信息交互。

2.根据权利要求1所述的用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，所述脉冲调制器产生光脉冲序列具体为满足时分复用占空比的光脉冲序列。

3.根据权利要求2所述的用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，所述激光器为窄线宽可调谐的半导体激光器，PGC调制电路为FPGA芯片，脉冲调制器为SOA调制器。

4.根据权利要求1至3所述任一项的用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，所述光接收模块还包括光强自动控制模块，用于接收光纤矢量水听器发送的干涉光信号，并根据预设条件调节光信号的幅度，将调节后的光信号发送给光电转换单元。

5.根据权利要求4所述的用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，所述光强自动控制模块为AGC环。

6.根据权利要求5所述的用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，所述信号处理单元为FPGA芯片与DSP芯片。

7.根据权利要求6所述的用于光纤矢量水听器的调制解调装置，其特征在于，所述光接收模块还包括网络接口模块，信号处理单元通过网络接口模块与外部设备进行信息交互。

说明书

用于光纤矢量水听器的调制解调装置

技术领域

[0001] 本发明涉及到光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置。

背景技术

[0002] 随着我国对海洋开发和水下预警的日益重视，开展水声探测系统技术研究及工程应用研究已成为迫切需要。水下声场是海洋科研究和水下目标探测的重要观测要素，在物理上，水声场是矢量场，通过矢量水听器获取的标量和矢量信号，可以实现对声场进行完整描述。矢量水听器对于研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的规律,解决与水下目标探测、识别以及信号传输过程有关的声问题具有重要意义。近年来以光纤水听器为基础的水声探测技术得到了急速的发展，美国等发达国家已在潜艇舷侧阵、拖曳阵及潜标探测阵声纳中开始装备，其中光纤矢量水听器的出现和快速发展为解决水声探测问题提供了新的技术途径。

[0003] 光纤矢量水听器结合了矢量水听器和光纤水听器的优点，具有灵敏度高，低频特性好，动态范围大，水下工作稳定性高，耐恶劣环，境等特点，有利于对水声场的长期探测，不仅可应用于目标探测，还在海底观测网、海上石油探测等重要的领域展示了广阔的应用前景。光纤矢量水听器将被测水声场矢量信号转换成光信号，并通过传输线缆传至处理系统提取水声场信息，由于被测信号是以相位信息形式调制在干涉型光纤矢量水听器输出信号中，必须进行信号调制解调才能实现水声场矢量信号还原。在水声场矢量信号应用中，对光纤矢量水听器各三维分量幅度的稳定性有较高的要求。

[0004] 因此如何能够提高光纤矢量水听器输出信号的稳定性，从而进一步提高水声场矢量探测的准确性，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置，能够提高光纤矢量水听器输出信号的稳定性，从而进一步提高水声场矢量信号探测的准确性。

[0006] 本发明提供用于光纤矢量水听器的调制解调装置，包括光发射模块和光接收模块，其中：

[0007] 所述光发射模块，通过传输光纤与光纤矢量水听器连接，用于为光纤矢量水听器提供调制后的光源；光发射模块包括激光器、PGC调制电路和脉冲调制器，其中：

[0008] 激光器，用于发射激光提供光源，并由PGC调制电路的余弦调制信号进行光频调制后将调频激光发送给脉冲调制器；

[0009] PGC调制电路，用于产生余弦调制信号发送给激光器及产生脉冲调制信号发送给脉冲调制器；

[0010] 脉冲调制器，用于将激光器输出的调频光信号进行脉冲调制，产生光脉冲序列发送给光纤矢量水听器；

[0011] 所述光接收模块，通过传输光纤与光纤矢量水听器连接，用于接收来自光纤矢量水听器的干涉光信号，解调得到光信号中的水声场信号，并与外部设备进行信息交互；光接收模块包括光电转换单元、模数转换单元和信号处理单元，其中：

[0012] 光电转换单元，用于接收激光器光纤矢量水听器的干涉光信号，转换为模拟电信号，发送给模数转换单元；

[0013] 模数转换单元，用于将接收的电信号从模拟电信号转换为数字电信号，发送给信号处理单元；

[0014] 信号处理单元，用于将数字电信号解调为水声场信号，与外部设备进行信息交互。

[0015] 优选地，所述光发射模块还包括隔离器，用于隔离从光纤矢量水听器返回的反射光。

[0016] 优选地，所述光发射模块还包括增益控制放大电路，激光器通过增益控制放大电路与PGC调制电路连接，用于抑制光源中光频调制效率的漂移。

[0017] 优选地，所述脉冲调制器产生光脉冲序列具体为满足时分复用占空比的光脉冲序列。

[0018] 优选地，所述激光器为窄线宽可调谐的半导体激光器，PGC调制电路为FPGA芯片，脉冲调制器为SOA调制器。

[0019] 优选地，所述光接收模块还包括光强自动控制模块，用于接收光纤矢量水听器发送的干涉光信号，并根据预设条件调节光信号的幅度，将调节后的光信号发送给光电转换单元。

[0020] 优选地，所述光强自动控制模块为AGC环。

[0021] 优选地，所述信号处理单元为FPGA芯片与DSP芯片。

[0022] 优选地，所述光接收模块还包括网络接口模块，信号处理单元通过网络接口模块与外部设备进行信息交互。

[0023] 通过PGC调制模块将光信号进行光频调制和脉冲调制后提供给光纤矢量水听器作为光源，光纤矢量水听器产生的干涉光信号通过光电转换、模数转换以及PGC解调为水声场信号，通过PGC调制解调提高了光纤矢量水听器输出信号稳定性，从而进一步提高提取的水声场信息的准确性。附图说明

[0024] 图1为本发明提供的一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置的结构框图。

具体实施方式

[0025] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

[0026] 参见图1，为本发明提供的一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置的结构框图。

[0027] 本发明提供用于光纤矢量水听器的调制解调装置，包括光发射模块20和光接收模块30，其中：

[0028] 所述光发射模块20，通过传输光纤与光纤矢量水听器10连接，用于为光纤矢量水听器10提供调制后的光源；光发射模块20包括激光器21、PGC调制电路22和脉冲调制器23，其中：

[0029] 激光器21，用于发射激光提供光源，并由PGC调制电路22的余弦调制信号进行光频调制后将调频激光发送给脉冲调制器23；

[0030] PGC调制电路22，用于产生余弦调制信号发送给激光器21及产生脉冲调制信号发送给脉冲调制器23；

[0031] 脉冲调制器23，用于将激光器21输出的调频光信号进行脉冲调制，产生光脉冲序列发送给光纤矢量水听器10；

[0032] 所述光接收模块30，通过传输光纤与光纤矢量水听器10连接，用于接收来自光纤矢量水听器10的干涉光信号，解调得到光信号中的水声场信号，并与外部设备进行信息交互；光接收模块30包括光电转换单元31、模数转换单元32和信号处理单元33，其中：

[0033] 光电转换单元31，用于接收激光器光纤矢量水听器10的干涉光信号，转换为模拟电信号，发送给模数转换单元32；

[0034] 模数转换单元32，用于将接收的模拟电信号转换为数字电信号，发送给信号处理单元33；

[0035] 信号处理单元33，用于将数字电信号PGC解调为水声场信号，与外部设备进行信息交互。

[0036] 光发射模块20的PGC调制电路22产生余弦调制信号和脉冲调制信号，对激光器21发射的光信号进行光频调制和脉冲调制。将调制后的光信号通过传输光纤发送给光纤矢量水听器10。光纤矢量水听器10探测待测位置产生的干涉光信号，通过传输光纤传回光接收模块30，干涉光信号依次通过光接收模块30的光电转换单元31、模数转换单元32和信号处理单元33将干涉光信号光电转换、模数转换以及PGC解调为水声场信号，并将最终结果与外部设备进行交互。PGC，Phase Generated Carrier，即相位产生载波技术，具有解调简单，对硬件要求小的特点。通过PGC调制模块将光信号进行光频调制和脉冲调制后提供给光纤矢量水听器作为光源，光纤矢量水听器产生的干涉光信号通过光电转换、模数转换以及PGC解调为水声场信号，通过PGC调制解调提高了光纤矢量水听器输出信号的稳定性，从而进一步提高提取的水声场信息的准确性。

[0037] 下面将对光发射模块20和光接收模块30进行进一步详细讲解。

[0038] 光发射模块20包括激光器21、PGC调制电路22和脉冲调制器23。所述激光器21为窄线宽可调谐的半导体激光器，PGC调制电路22为FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）芯片，脉冲调制器23为SOA（Semiconductor Optical Amplifier) 线性半导体光放大器）调制器。通过FPGA芯片产生余弦调制信号，对窄线宽可调谐的半导体激光器的光频进行余弦调制，将光频调制后的光信号通过单根保偏光纤输入脉冲调制器。FPGA芯片产生脉冲调制信号，在脉冲调制器中对光频调制后的光信号进行脉冲调制，产生满足时分复用占空比的光脉冲序列，通过传输光纤发送给光纤矢量水听器，依次分束注入光纤矢量水听器的矢量探头各个通道。

[0039] 激光器噪声是系统主要噪声源，包括光源频率噪声和光源强度噪声。低噪声光源的选择对于整个装置的噪声控制至关重要。因而采用体积小、功耗小、低噪声光源的窄线宽可调谐的半导体激光器。

[0040] 所述光发射模块20还包括隔离器24，用于隔离从光纤矢量水听器40返回的反射光，使激光器21不被反射光扰动。

[0041] 为了进一步提高余弦调制信号稳定性，所述光发射模块20还包括增益控制放大电路25，激光器21通过增益控制放大电路25与PGC调制电路22连接，用于抑制光源中光频调制效率的漂移。

[0042] PGC调制电路22输出余弦调制信号本身的幅度稳定且可调，对激光器21的光源调制时，调制效率随温度等参数而出现较大的漂移，因此需要通过调节增益控制放大电路25的控制电压进行反馈调节。增益控制放大电路25的增益随控制电压而改变。增益控制放大电路25的输出信号Uo经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，输出至光源进行光频调制，光频调制信号反映到光纤矢量水听器的干涉信号中，光接收模块从干涉信号中获取光源的光频调制效率的波动后，以负反馈的方式产生控制电压Uc输出给增益控制放大电路25。当光接收模块监测到光频调制效率漂移变大时, 控制Uc变小使放大电路的增益变小，Uo亦随之变小，反之当光接收模块监测到光频调制效率漂移变小时, 控制Uc变大使放大电路的增益变大，Uo亦随之变大，这一负反馈过程使光纤矢量水听器的干涉信号调制参数处于稳定状态，达到自动增益控制的目的。增益控制放大电路25采用ADI公司的AD602程控增益芯片来实现。AD602芯片是一款可变增益放大芯片。该芯片噪声和失真率低。带宽为0~
35MHZ，满足带宽需求。放大倍数可调范围在-10dB—30dB之间。通过改变控制电压，能实现对芯片整体放大倍数的精确控制，其控制精度在±0.3dB。

[0043] 光接收模块30的信号处理单元33为FPGA芯片与DSP（Digital Signal Processing 数字信号处理）芯片。DSP芯片采用国产银河飞腾Q6713芯片。

[0044] 为了进一步提高输入干涉光信号稳定性，所述光接收模块30还包括光强自动控制模块34，用于控制光纤矢量水听器的干涉光信号的幅度稳定性，根据预设条件调节光信号的幅度，将调节后的光信号发送给光电转换单元。

[0045] 对于输入干涉光信号，当信号过小时，在信号进行模数转换时量化噪声会过大，信噪比下降。当信号过大时，由于放大器存在最大输出电压，会导致饱和失真。当输入干涉光信号变小时，即小于干涉光信号强度预设范围时，光强自动控制模块34提高增益，保证输入干涉光信号的强度，将调节后的光信号发送给光电转换单元31；当输入干涉光信号强度过大时，即大于干涉光信号强度预设范围时，光强自动控制模块34减小增益，使输入干涉光信号光强降低，将调节后的光信号发送给光电转换单元31，从而使输入干涉光信号经过光电转换单元31、模数转换单元32处理后保持在信号处理单元33响应的线性区内。也就是说，可以通过改变输入输出压缩比例自动控制光增益与衰减的幅度，它能够在输入信号幅度变化较大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化，不至于因为输入信号太小而导致系统解调噪声变大，也不至于因为输入信号太大而使接收端发生饱和。干涉光信号强度预设范围通过设计和实验获得，保证信号处理单元33输入信号能使信号处理单元33响应在线性区内。

[0046] 光强自动控制模块34电路采用AGC（Auto Gain Control，自动增益控制）环，AGC环是闭环电路，是一个负反馈系统。可在干涉光信号光强在较大范围内波动时，保持通过光强自动控制模块34输出稳定的光信号，从而减少信号处理单元33输入信号幅度的起伏对解调结果的影响。光强自动控制模块34选用武汉光迅公司的MEMS（Micro electro mechanical system，微机电系统）光衰减器实现。

[0047] 所述光接收模块30还包括网络接口模块35，信号处理单元33通过网络接口模块35与外部设备进行信息交互。网络接口模块35包括网络接口芯片和网络接口，由于网络接口使用的便利性，建立了基于百兆以太网的信号传输机制。

[0048] 以上对本发明所提供的一种用于光纤矢量水听器的调制解调装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。