[发明专利]一种光纤光栅水听器相位解调偏振衰落抑制的系统和方法

说明书

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及光纤光栅水听器相位解调偏振衰落抑制的系统和方法。其特征在于包括脉冲产生装置、光纤环形器、光纤光栅水听器阵列、偏振分束器、FPGA信号调制解调系统、显示控制系统。脉冲产生装置连接至光纤环形器，环形器连接光纤光栅水听器阵列，环形器第三接口连接偏振分束器的输入端，偏振分束器的两路输出端接入FPGA，FPGA和显控系统连接。偏振分束器对脉冲信号分离，FPGA对脉冲采样数字化处理，再通过正交项相乘混频、低通滤波器得到其正交分量。选择两种正交分量中可见度高的一组信号，对其进行反正切算法，再进行数字高通滤波算法，最后通过低通降采样输出。该系统和方法可靠性高，成本低且可有效的抑制偏振衰落。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤光栅水听器阵列相位解调时抑制偏振衰落的系统和方法。

背景技术

干涉型光纤传感器因其极高的探测灵敏度，在水声、应变、压力等探测领域得到了长足的发展和广泛应用。随着光纤光栅刻写技术的提高，基于光纤光栅的干涉型水听器因其具有光路损耗低、体积小、天然波分器件、易于规模化成阵等优势引起了广泛的重视。由于干涉型光纤光栅水听器的条纹可见度与二路干涉光的偏振态有关，当二路光的偏振态正交时，产生的干涉条纹可见度为零，此时解调不到探测信号，该现象称为偏振衰落。传统可用的抗偏振衰落方法主要有全保偏光纤法、扰偏法、偏振分集接收法、偏振补偿法等，其中全保偏光纤法因对元器件和加工技术要求高，导致成本高昂，扰偏法和偏振补偿法不适应大规模水听器阵列。

干涉型光纤传感器抗偏振衰落分集接收最初是由Frigo N.J.等人于1984年提出的，该偏振分集接收法通过在接收端采用不同夹角的检偏器对信号进行检偏，并采用一定的算法来消除被检信号的偏振衰落问题。一般采用三个互成120°角的检偏器对输入光进行检偏，再选择可见度最好的1路进行解调，这样总能从其中拾取到1个不为零的可见度，完全衰落将不会产生。浙江大学周效东等研究人员提出将各路信号平方后相加的处理方式，使之能实现单元及阵列的实时消偏振衰落信号检测。国防科技大学曹春燕等人提出在偏振分集系统中，单路信号的可见度与发生干涉的两束光的偏振态及检偏角度有关，线偏光干涉时，需要三路检偏器来达到消偏效果，椭偏光发生干涉时最大可见度随干涉光的偏振消光比减小而增大，当偏振消光比小于10dB后，二路检偏可达到线偏光干涉时三路检偏的效果，并且椭偏光带来的干扰不会对信号解调产生影响。

虽然采用三路检偏器通过平方和相加方式能够抑制干涉型光纤光栅水听器偏振衰落现象，并恢复出所探测到的信号，但在实际使用中由于检偏器装配精度和复杂度高，降低了可靠性，特别是对于大规模光纤光栅水听器阵列，随着所用到的检偏器数量急剧增加，导致成本高昂、光路损耗大，不利于大规模阵列信号解调。

干涉光相位恢复方法主要有相位载波法(PGC)，3×3耦合器法，外差法三种，其中外差法可以将待测信号调制到较高的外差频率的边带上，有效地抑制低频噪声干扰，而且它不会产生类似PGC解调方法中的调制频率谐波项，所以具有很大的解调动态范围，同时外差法不受干涉光可见度变化的影响，被广泛应用于水声探测、周界安防以及资源勘探等领域。但一般都需要使用起偏器，且需三路信号才能进行调解，也不适用于大规模阵列。因而本发明提供了一种不需起偏器，只需两路信号便可调解，且可以用于大规模阵列的解调系统及方法。

发明内容

本发明的光纤光栅水听器阵列相位外差调制解调系统包括：脉冲产生装置、光纤环形器7、光纤光栅水听器阵列、偏振分束器(PBS)14、FPGA信号调制解调系统15、显示控制系统16；其中脉冲产生装置连接至光纤环形器7的第一端口，光纤环形器7 的第二端口连接光纤光栅水听器阵列，光纤环形器7第三端口连接偏振分束器(PBS) 14的输入端，偏振分束器(PBS)14的两路输出端(P端和S端)进入FPGA信号调制解调系统15，FPGA信号调制解调系统15和显控系统16通过网络连接。