[发明专利]一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器

说明书

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器。所述光纤水听器由光纤耦合器、一号法拉第旋镜、二号法拉第旋镜、微纳光纤全光相位调制器、调制器保护套管、一号调制器保护套管帽、二号调制器保护套管帽、探头传感内筒支架、探头传感外筒支架、探头保护套管、一号探头保护套管帽、二号探头保护套管帽、传感光纤及传输光纤组成；本发明采用微纳光纤全光相位调制器实现相位载波生成，与光源调制相位生成载波技术相比，突出优势在信号光源不再需要频率调制，可是整个传感系统表现出更加优良的频率稳定或相位稳定性；同时，光纤水听器所用传感干涉仪为准平衡性，有助于消除外界对光纤水听器引起的相位噪声。

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器。

背景技术

光纤水听器具有高灵敏度、抗电磁干扰、益于大规模集成复用等优点，目前已被广泛应用于石油勘探、海洋渔业、反潜等应用及水声物理研究，并已成为现代光纤传感技术和水声探测技术的重要研究和发展方向。光纤水听器的基本工作原理是，通过结合特定机械结构的传感探头，使声波信号有效调制传感光纤内传输光波的相位参量和波长参量，然后再采用相应的信号处理技术解调出相位信息或波长信息，进而获取待测水声信号。当前典型的光纤水听器主要为干涉型和光纤光栅型，其中干涉型光纤水听器动态范围大，便于大规模集成复用，应用更为广泛。

为满足水下应用、抗电磁干扰、便于大规模集成等特殊应用要求，光纤水听器传感探头必须满足全光无电特性要求，这就需要对其传感探头结构及解调方案进行整体设计。目前，对于干涉型光纤水听器系统，典型传感探头有压差式、盘片式、推挽式等结构，其中，基于推挽式结构的传感探头具有结构紧凑、灵敏度高、机械性能稳定等优势；解调方案主要有相位生成载波调制解调(PGC)、外差解调、远程匹配3X3光纤耦合器干涉仪解调等，其中，PGC解调方案具有解调动态范围大、有效抑制低频本地噪声等优点。

基于PGC解调技术的相位载波生成方法主要有光源内调制相位载波生成方法和干涉仪外加调制相位载波生成方法。其中，采用光源内调制的相位载波生成方法，信号光源需要加载一定频率的快速调谐，光纤水听器内的干涉仪必须有一定臂差，这使得该类水听器系统存在光源相位噪声大和非平衡干涉仪结构引入额外相位噪声等问题。而干涉仪外加调制相位载波生成方法可以采用准平衡干涉仪，有利于降低系统本底相位噪声，但所用调制器需满足全光调制要求，以保证传感探头的无电特性要求。

相比常规光纤，微纳光纤具有较高的非本征吸收能力，且具有较大的表面积体积比，因此，具备更高效的光热相位调制响应能力和热传导效率，已被开发成基于光吸收致热效应的内光注入式全光相位调制器，并应用于PGC解调系统的相位载波生成调制器(详见发明专利：基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，公开日：2016.11.16)。

如通过合理设计能将微纳光纤全光相位调制器嵌入光纤水听器传感探头内，并结合推挽式双轴缠绕式传感器结构，将可获得结构紧凑、灵敏度高、机械性能稳定、便于大规模集成复用、自带干涉仪外加相位调制用全光载波调制器的新型光纤水听器，并且传感器内传感干涉仪可采用准平衡干涉仪，可兼顾降低光纤水听器系统噪声和确保传感器全光无电等优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种基于微纳光纤全光载波调制器探头内置的光纤水听器，采用推挽式双轴缠绕式探头结构，并实现了干涉仪外加相位调制用的载波全光调制器探头内置，克服现有技术的不足，使得光纤水听器系统在相位噪声特性、稳定性、传感灵敏度、大规模集成性能等方面得到一定改善。所述光纤水听器将微纳光纤全光相位调制器接于传感干涉仪一臂上，并将其封装镶嵌于传感探头内，实现了水听器传感探头自带干涉仪外加调制载波用全光调制器；传感器探头内传感干涉仪为准平衡干涉仪，并且干涉仪两臂传感光纤双层对称缠绕在传感探头内外传感筒支架上，进而形成推挽式灵敏度增强型声压传感探头结构。该方案确保了水听器传感探头无电子元件、紧凑、高灵敏度、抑制加速度灵敏、方便大规模集成等性能优势，并可以有效改善光纤水听器的整体噪声特性。