一种光纤拖缆检波器 【技术领域】
本发明涉及一种光纤水声传感器，特别是涉及一种适合于构成光纤拖曳阵列的相位干涉型光纤水声传感器。
背景技术
在海上地震勘探数据采集和油藏监测技术中，由多路复用水听器构成的海上拖缆检波器阵列占据了极为重要的位置。早期的水声传感器是采用压电陶瓷和PVDF制成的压电水听器，经过近30年的研究，至今已有几十种不同类型的光纤水声传感器系统问世。研究认为，在强度型、偏振型和相位干涉型三种光纤水声传感器中，相位干涉型光纤水声传感器适合于作为光纤拖缆检波器构成拖缆检波器阵列。
相位干涉型的光纤拖缆检波器利用光纤干涉仪的原理来检测声压信号，典型的光纤干涉仪原理框图如图1所示，由光源100发出的光经第一光纤耦合器101以后一分为二，两路光分别通过参考臂光纤102和信号臂光纤103传输，而后在第二光纤耦合器104位置发生干涉，干涉光的幅度与信号光及参考光的幅度均有关系，其相位为两臂光相位之差，干涉光由光电转换器105转换为电信号。转换所得的电信号的强度与干涉光的光强成正比，即与干涉光的幅度和相位同时相关。当信号臂光纤103的光相位改变，而参考臂光纤102的光相位保持不变的时候，干涉光的相位改变，从而影响输出电信号的强度变化。信号臂光纤103和参考臂光纤102均可分为传导用的传导段和用于接收声压信号的传感段(图中螺旋状的一段)。
现有的相位干涉型光纤水声传感器地光纤耦合器及传导段光纤不处于同一个封闭空腔之内，外界声压及各种干扰对光纤耦合器及传导段光纤的作用不能忽略，声压信号对整个检波器的作用不能充分集中在传感段光纤上，影响了系统的稳定性和信噪比。另外，参考臂和信号臂光纤传感段的结构设计还不能充分地消除噪声和外界干扰，也不利于对微弱信号的检测能力和信噪比的提高。最后，现有光纤拖缆检波器的光纤探头不能互换，造成了连接、拆换和维修的不方便。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种光纤拖缆检波器，可以提高系统的稳定性和信噪比。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤拖缆检波器，包括一刚性容器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，以及两端分别连接到该第一、第二光纤耦合器的信号臂光纤和参考臂光纤，其特征在于，所述刚性容器为一留有光纤出入口的封闭体，所述信号臂光纤和参考臂光纤的传感段缠绕在所述刚性容器外，所述第一、第二光纤耦合器和所述信号臂光纤和参考臂光纤的传导段均设置在所述刚性容器内。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：所述刚性容器为圆筒状，所述信号臂光纤和参考臂光纤的传感段以同芯串联的结构缠绕在所述刚性容器的外周上。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：所述信号臂光纤的传感段与所述刚性容器之间设有一柔性内衬，而所述参考臂光纤的传感段与所述刚性容器之间设有一刚性内衬。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：所述信号臂和参考臂的光纤均采用非保偏单模光纤。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：所述信号臂光纤采用比普通非保偏单模光纤对声压更敏感的光纤。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：还包括分别通过一路光纤与该第一、第二光纤耦合器连接的两个光纤接头，所述第一、第二光纤耦合器相同，所述两个光纤接头的另一端可分别连接光源或光电探测器。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：所述信号臂光纤和参考臂光纤的总长度相同。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：所述参考臂光纤的传感段外还包附了一隔隔音层。
进一步地，上述光纤拖缆检波器还可具有以下特点：其外表面包覆了一层透声橡胶层。
由上可知，本发明光纤拖缆检波器的光纤耦合器及传导段光纤均内置于刚性支撑筒内的空腔，声压信号对整个检波器的作用集中在传感段光纤上，提高了系统的稳定性和信噪比。进一步地，参考臂光纤和信号臂光纤采用同芯串联结构，提高了检波器的信噪比；信号臂光纤采用对声压敏感的特种光纤，缠绕在柔性内衬上，而在参考臂光纤外包附一隔音层，并缠绕在刚性内衬上，这些结构及材料的改进可提高对微弱信号的检测能力；本发明检波器的两个光纤探头还可具有互易性，连接简单，便于维修。
【附图说明】
图1是典型的光纤干涉仪原理框图。
图2是本发明实施例光纤拖缆检波器的横截面图。
【具体实施方式】
图2示出了本实施例光纤拖缆检波器的横截面图，其主要部件包括：刚性支撑筒1、底盖2、套筒3、顶盖4、刚性内衬5、柔性内衬6、隔音层7、透声橡胶层8、参考臂光纤9、信号臂光纤10、第一光纤耦合器11、第二光纤耦合器12、第一光纤接头13、第二光纤接头14、第一路光纤15、第二路光纤16、耦合器固定板17。其中：
中空的刚性支撑筒1靠螺钉分别与底盖2、套筒3连接，对整个检波器起支撑和衔接作用。刚性支撑筒1侧壁上开有槽18，光纤可通过槽18从筒内的空腔穿到筒外。套筒3和顶盖4通过螺钉连接。套筒3为中空，顶盖4上开有圆孔19供光纤穿过。刚性支撑筒1、底盖2、套筒3和顶盖4共同构成了留有光纤出入口的圆筒状的刚性容器。
刚性内衬5及柔性内衬6的内径与刚性支撑筒1的外径接近相等以使其紧贴。柔性内衬6用柔性材料(如橡胶、尼龙、聚碳酸脂塑料)制成，用作声信号采集的信号臂光纤10缠绕其上，柔性内衬6有助于增强声场对信号臂光纤10的影响作用。刚性内衬5用金属或其他刚性材料制成，参考臂光纤9(参考用，不与声信号作用)缠绕其上，刚性内衬5有助于将声场对参考臂光纤9的影响减至最小。
信号臂光纤10和参考臂光纤9缠绕在柔性内衬6和刚性内衬5上的部分属于传感段的光纤，两路光纤的传感段的左端分别穿过槽18与空腔中第二光纤耦合器12左端的两个支路分别相连，而右端则穿过槽18与空腔中的第一光纤耦合器11左端的两个支路分别相连，传感段光纤到光纤耦合器之间的属于传导段的光纤。第一、第二光纤耦合器11和12用内置的耦合器固定板17固定在空腔内，固定板17则用胶结或沉头螺钉等方法固定在刚性支撑筒1上。
第一、第二光纤耦合器11和12的右端分支分别与第一、第二路光纤15、16相连，第一、第二路光纤15、16穿过套筒3及顶盖4上的开孔分别与第一、第二光纤接头13和14相连。第一、第二光纤接头13和14在结构上是互易的，它们用于连接光源(激光器)和光电探测器。
为更清楚的说明各部件的功能和关系，不防设第一光纤接头13与检波器外的光源连接，第二光纤接头14就应与光电探测器连接，则第一光纤耦合器11的作用就是将光源的光信号分为两路分别送入信号臂光纤10和参考臂光纤9，而第二光纤耦合器12的作用是将信号臂光纤10和参考臂光纤9的光合成一路并发生干涉，干涉光从第二路光纤16经第二光纤接头14传入光电探测器，光电探测器将光信号转为电流。此电流包含声场压力信号的信息，可通过后续处理电路处理得到。
本实施例中使用的传导光纤和传感光纤均为非保偏单模光纤，缠绕在柔性内衬6上的信号臂光纤10采用一种对声压信号敏感的特种光纤，其涂敷层和普通非保偏单模光纤的涂敷层在材料和厚度方面均有不同。缠绕在刚性内衬5外的参考臂光纤9为普通非保偏单模光纤。
在本发明中，位于第一光纤耦合器11和第二光纤耦合器12之间的两路光纤的总长度应保持相同，误差在毫米量级。此外，参考臂光纤9外还包附了一隔音材料制成的薄的隔音层7，以削弱作用在参考臂光纤9上的外界声压。透声橡胶层8与信号臂光纤10和隔音层7紧贴并成形为检波器的外表面，起到对检波器内部结构和光纤的保护及密封作用，同时外界声压可以几乎无损地通过透声橡胶层8作用在信号臂光纤10上并引起光相位的变化。
综上所述，本实施例光纤拖缆检波器具有以下优点：
1)本实施例的光纤耦合器及传导段光纤均内置于刚性支撑筒内的空腔，检波器构成一个封闭的整体。使得外界声压及各种干扰对光纤耦合器及传导段光纤的作用可以忽略，声压信号对整个检波器的作用集中在传感段光纤上，提高了系统的稳定性和信噪比。
2)本实施例的参考臂和信号臂采用同芯串联结构，因为位置的空间相似性，外界干扰和噪声信号对参考光纤和传感光纤的影响基本一致，则其作用可以基本被消除，提高了检波器的信噪比。例如，外界温度变化及随机振动都会导致光纤产生随机相位噪声，因为本发明采用的串联结构的空间对称性和相似性，信号臂和参考臂光纤产生的相位变化几乎相同，这样干涉光的相位就基本上没有变化，从而达到了对外界温度和随机振动的不敏感，减小了噪声。
3)本实施例检波器的信号臂光纤缠绕在柔性内衬上，有助于增强声场对光纤的影响作用；而参考臂光纤缠绕在刚性内衬上，有助于将声场对光纤的影响减至最小。此外，信号臂光纤采用对声压敏感度高的光纤，而在参考臂光纤采用包附一隔音层，这些结构及材料的改进减小了作用到参考臂光纤上的声压，使得本实施例检波器与其他相位干涉型光纤检波器相比，在作用光纤长度相同的情况下，灵敏度更高，提高了微弱信号检测能力。
4)本实施例检波器结构一体化，体积较小，与光源及光电检测器相连的两个光纤接头具有互易性，连接简单。应用中如出现问题，可方便的拆换，便于维修。
5)本检波器所用到的组件和材料都比较常见，成本低，使大规模的组阵和实用成为可能。