[发明专利]一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，基于系统的方法为：通过频率源产生时钟信号，将时钟信号锁定为脉冲激光器的重复频率，开始激光信号的发射，通过接收模块接收激光信号后，发出反射激光信号，在激光信号往返过程中就行鉴相并进行相位补偿。本发明首次提出了在光学上使用压电陶瓷实现的实时相位补偿方法，使得整个频率传递系统的精度更高集成度与灵活性都更好。

技术领域

本发明属于水下无线通信技术领域，具体涉及一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法。

背景技术

海洋中各种资源的发现和利用是人类在新世纪最重要的发展战略之一，随之孕育而生的水下通信也备受科研人员的关注。水下通信现在普遍应用于海底观测系统、水下传感器网络构建等领域。传统的水下通信是需要架设光纤形成信道，这就使其只能运用于静态终端，其灵活性与成本都非常不理想，于是科研人员将目光聚焦于水下无线通信技术。

水下无线通信离不开水下目标时间频率传递系统的辅助，水下时间频率传递系统可以给通信系统中的各个节点提供统一的频率标准，这给水下导航、水下传感以及潜水同步提供了有力的技术支持。科研人员基于目前自由空间的时间频率传递技术发展出了水下时间频率传递的三个技术分支：水下电磁波时频传输、水声频率传输和水下激光频率传输系统。

大量的实验表明电磁波在水中的传输衰减极大，且衰减程度是与频率相关的，频率略高，在水下的衰减越厉害，这在水下通信领域是不能忍受的，因为通信频率越高其传输信息量越大，所以应用范围很小。而基于声波的水下传输已经可以实现几百米以上的距离，但其也存在许多缺点。如时间多径效应严重，当传输距离大于水深时，同一波束从不同路径传输的声波会由于路径长短不同，导致时间延迟与信号展宽。于此同时，它还会受多普勒效应和起伏效应的影响，这会使得信号产生随机起伏，严重影响系统的性能。在基于激光的水下频率传递系统的研究中，科研人员在使用蓝绿可见连续激光通过电学相位补偿实现了5米水下信道中的频率传递，但由于连续激光的功率不能做的很大，这也直接限制了频率传输的距离不能很远。除此以外，在电学上进行的相位补偿会带来相应的电路固有噪声，会对整个频率传输系统的精度带来不利的影响，此外电路与光路相混杂也不利于系统的集成。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于飞秒激光的水下频率传递系统及方法解决了现有技术中水下信道的频率传递稳定度低和距离短的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于飞秒激光的水下频率传递系统，包括用于发射激光的发射模块和用于接收激光的接收模块；

所述发射模块包括频率源，所述频率源分别与脉冲激光器的输入端和第一鉴相器的第一输入端连接，所述脉冲激光器的输出端通过第一二分之一波片连接至第一偏振分束器的输入端，所述第一偏振分束器的第一输出端通过第一四分之一波片连接至第一反射镜，所述第一反射镜与主动相位补偿器组成发射模块的输出端，所述第一偏振分束器的第二输出端通过光电探测器PD2与第一鉴相器的第二输入端连接，所述第一鉴相器的输出端通过第一比例-积分控制器与主动相位补偿器连接；

所述接收模块包括半反镜HM以及通过光电探测器PD1与半反镜HM连接的用户端。

进一步地，所述脉冲激光器包括第一泵浦源，所述第一泵浦源通过第一波分复用器分别连接至第一准直器和第一掺镱光纤，所述第一掺镱光纤依次通过第二准直器、压电陶瓷、第四四分之一波片、第二二分之一波片、隔离器连接至第二偏振分束器，所述第一准直器通过第二四分之一波片分别连接至第二偏振分束器和第三四分之一波片，所述第三四分之一波片通过光栅对与第二反射镜连接，所述第二偏振分束器分别连接至光电探测器PD3和第二掺镱光纤，所述第二掺镱光纤通过第二波分复用器分别与第二泵浦源和倍频晶体连接，所述倍频晶体输出530nm绿光，所述压电陶瓷上设置有驱动器，所述驱动器通过第二比例-积分控制器与第二鉴相器连接，所述第二鉴相器分别与频率源和光电探测器PD3连接。

进一步地，所述第一反射镜的入射光与出射光位于同一直线上。