[发明专利]一种光纤光栅水听器的解调装置及方法

权利要求书

1.一种光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于包括：宽带光源(1)、第一耦合器(2)、Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)、第二耦合器(4)、光电探测器(5)、A/D转换电路(6)、FPGA(7)和D/A转换电路(8)，其中，

Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)和第二耦合器(4)组成光纤M-Z干涉仪；

宽带光源(1)产生光信号，经第一耦合器(2)传给光纤光栅水听器(9)，经光纤光栅水听器(9)产生反射光再传给第一耦合器(2)，第一耦合器(2)将反射光传输给Y波导(3)，在Y波导(3)分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤(10)和第二干涉仪光纤(11)传给第二耦合器(4)，然后在第二耦合器(4)内干涉，光纤光栅水听器(9)探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器(9)的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器(5)将干涉光信号转化为电流信号，FPGA(7)控制A/D转换电路(6)采集电流信号并转换成数字信号，然后FPGA(7)产生一个方波调制信号和反馈信号，经过D/A转换电路(8)进行数模转换后加载到Y波导(3)，Y波导(3)对光纤M-Z干涉仪的干涉信号进行调制和补偿，从而实现相位偏置调制和闭环反馈控制；其中，

所述数字信号在FPGA(7)中完成数字差分解调，获得闭环补偿后的相位误差数字信号；该数字信号在FPGA(7)中经过数字积分后既 作为光纤光栅水听器的输出信号，又作为闭环反馈的输入信号，经过第二次数字积分产生阶梯波信号，其台阶宽度为宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间τ，台阶高度等于水听器的输出，并且其台阶的变化与偏置调制信号同步；该阶梯波信号再与偏置调制信号相叠加送入D/A转换电路(8)，阶梯波信号会使Y波导产生一个相位差，大小等于台阶高度，与光纤光栅水听器输入引起的光纤M-Z干涉仪相位差大小相等、符号相反，从而使光纤M-Z干涉仪始终在零相位差附近工作，完成阶梯波闭环控制；

利用FPGA(7)产生0和2¹⁴-1的数字量送给D/A转换电路(8)，然后转换为模拟电压施加到Y波导(3)上，即可实现±π/2相位交替变化的方波调制信号，取信号周期为2τ，τ为从宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间；当光纤光栅水听器输入为零时，偏置调制后的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出的值相同，差值为：

其中，I₀是无相位偏置时光电探测器的输入光强，是光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位变化，是偏置相位；

当光纤光栅水听器输入不为零时，对应的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差为：

由光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差的公式得到采用π/2的偏置相位调制可使光纤光栅水听器的灵敏度最大。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述宽带光源(1)为掺铒光纤光源或超辐射发光二极管光源，所述宽带光源(1)的谱宽40nm～80nm。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述第一耦合器(2)为2×2光纤耦合器，分光比为1：1。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述第二耦合器(4)为2×2光纤耦合器，分光比为1：1。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述光纤M-Z干涉仪的光程差小于0.481mm。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述的光电探测器(5)为InGaAs PIN光电探测器，工作波长为1000nm～1650nm，在1550nm的响应度为0.7～0.9A/W。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅水听器的解调装置，其特征在于：所述反馈信号通过Y波导产生一个反馈相位差，与水声信号引起的相位差大小相等，符号相反。

8.一种光纤光栅水听器的解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：构建光纤光栅水听器的解调装置，其中，光纤光栅水听器的解调装置包括：宽带光源(1)、第一耦合器(2)、Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)、第二耦合器(4)、光电探测器(5)、A/D转换电路(6)、FPGA(7)和D/A转换电路(8)，其中，Y波导(3)、第一干涉仪光纤(10)、第二干涉仪光纤(11)和第二耦合器(4)组成光纤M-Z干涉仪；

步骤二：宽带光源(1)产生光信号，经第一耦合器(2)传给光纤光栅水听器(9)，经光纤光栅水听器(9)产生反射光再传给第一耦合器(2)，第一耦合器(2)将反射光传输给Y波导(3)，在Y波导(3)分成两束光，分别经过第一干涉仪光纤(10)和第二干涉仪光纤(11)传给第二耦合器(4)，然后在第二耦合器(4)内干涉；

步骤三：光纤光栅水听器(9)探测到的水声信号会引起光纤光栅水听器(9)的反射光中心波长的变化，光纤M-Z干涉仪将反射光的中心波长变化转换为干涉信号相位的变化，相位变化引起光纤M-Z干涉仪透射强度变化，再由光电探测器(5)将透射强度变化转化为电流信号，FPGA(7)控制A/D转换电路(6)采集电流信号并转换成数字信号，然后FPGA(7)产生一个方波调制信号和反馈信号，经过D/A转换电路(8)进行数模转换后加载到Y波导(3)，Y波导(3)对光纤M-Z干涉仪的干涉信号进行调制和补偿，从而实现相位偏置调制和闭环反馈控制；其中，

所述数字信号在FPGA(7)中完成数字差分解调，获得闭环补偿后的相位误差数字信号；该数字信号在FPGA(7)中经过数字积分后既 作为光纤光栅水听器的输出信号，又作为闭环反馈的输入信号，经过第二次数字积分产生阶梯波信号，其台阶宽度为宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间τ，台阶高度等于水听器的输出，并且其台阶的变化与偏置调制信号同步；该阶梯波信号再与偏置调制信号相叠加送入D/A转换电路(8)，阶梯波信号会使Y波导产生一个相位差，大小等于台阶高度，与光纤光栅水听器输入引起的光纤M-Z干涉仪相位差大小相等、符号相反，从而使光纤M-Z干涉仪始终在零相位差附近工作，完成阶梯波闭环控制；

利用FPGA(7)产生0和2¹⁴-1的数字量送给D/A转换电路(8)，然后转换为模拟电压施加到Y波导(3)上，即可实现±π/2相位交替变化的方波调制信号，取信号周期为2τ，τ为从宽带光源发出的光信号到达Y波导所需的时间；当光纤光栅水听器输入为零时，偏置调制后的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出的值相同，差值为：

其中，I₀是无相位偏置时光电探测器的输入光强，是光纤光栅水听器输入信号引起的干涉信号相位变化，是偏置相位；

当光纤光栅水听器输入不为零时，对应的光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差为：

由光电探测器信号中偶次输出与奇次输出之差的公式得到采用π/2的偏置相位调制可使光纤光栅水听器的灵敏度最大。