同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法.pdf

本发明涉及一种同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，用光纤耦合器和光纤延迟线构成n路时分复用光路时，采用相同分光比的光纤耦合器组成阵列光路，将输入干路的光纤耦合器正向排列，输出干路的光纤耦合器反向排列，使每个水听器所经过的耦合器完全相同，每只水听器所经历的分光比完全相同。无论光纤耦合器分光比如何，由耦合器带来的附加损耗和分光比误差对每个水听器造成的影响是一样的，由这些耦合器制成的光路具有极佳的功率平衡性。本发明有益的效果：获得高性能的时分复用阵列，提高阵列的功率平衡性、时延准确性、互换性和可扩展性。

1、  一种同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，其特征在于：用光纤耦合器和光纤延迟线构成n路时分复用光路时，采用相同分光比的光纤耦合器组成阵列光路，将输入干路的光纤耦合器正向排列，输出干路的光纤耦合器反向排列，使每个水听器所经过的耦合器完全相同，每只水听器所经历的分光比完全相同。

2、  根据权利要求1所述的同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，其特征是：光纤耦合器包括相同分光比的的分光耦合器和合光耦合器，光纤耦合器的单光纤端为输入端，双光纤端为两个分光输出端，分别称为小分光比臂和大分光比臂；将分光耦合器和合光耦合器反向放置，由分光耦合器CF_k小分光比一臂接水听器Hk的任意一根尾纤，CF_k的大分光比一臂接光纤延迟线，光纤延迟线输出接CF_k+1的单光纤输入端；水听器Hk另一根尾纤接合光耦合器CH_k的小合光臂，即小分光比臂，CH_k的单光纤输出臂与CH_k+1的大合光臂，即小分光比臂链接，k＝1，2...，n-1；CF_n的小分光比一臂接水听器H_n的任意一根尾纤，水听器H_n另外一根尾纤接合光耦合器CH_n的小合光臂，即小分光比臂。

3、  根据权利要求1所述的同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，其特征是：通过计算得到其每个脉冲的损耗最小值所对应的耦合器分光比，利用该分光比制作光纤耦合器。

4、  如权利要求2所述的同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，其特征是：当需要扩展水听器通道时，在其中插入分光耦合器CF_k和合光耦合器CH_k+1。

同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法
技术领域
本发明涉及光纤水听器阵列技术领域，特别涉及一种同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法。
背景技术
在全光纤线列阵声纳中，光纤水听器阵列复用光路是非常重要的组成部分。阵列复用光路主要包括时分复用和波分复用两大关键技术，其中时分技术的光功率平衡性、损耗特性、时延精确性、可拓展性等关键性能一直为各研究单位所关注。以往传统的光纤传感的时分复用的光路结构，一般以两种方法为主：一是全部采用50:50的分光比耦合器，如图1所示，其中C代表耦合器，分光比均为50:50，D代表延迟线，其中的数字代表延迟线圈串连个数，H代表水听器。在所有水听器前将光按比例分好，每个水听器分配到的比例只能是1/2ⁿ，由于光纤水听器以一定的间距呈直线分布，在成阵时需要将耦合器尾纤延长至每个水听器，水听器尾纤可达几十米，对于成阵及其不便，因此很少有研究单位采用这种方式。第二种方法是采用若干个不同分光比的光纤耦合器组成，经过分光比的设计，使每个耦合器下载一路光给其后的光纤水听器，如图2所示，其中C代表耦合器，D代表延迟线，H代表水听器，每个耦合器的分光比都是不同的。激光每经过一个耦合器就会分一小部分光给其相应的水听器，其余光继续向后行走输入到下一个耦合器，经过耦合器多级的级联实现每个水听器的光输入，光输出是自后向前通过逐级的合光耦合器耦合到输出端。目前这种方式应用比较广泛，但这种方法有几个缺点：第一，每个水听器经过的耦合器和熔接点数目都不相同(越靠后的水听器越多)，因此耦合器附加损耗及熔接点损耗累加在一起会对每个水听器之间的功率平衡性造成不利影响；第二，成阵过程中耦合器尾纤所引起的时延差具有累积性，越靠后的水听器累积的时延越长，必须在延迟线圈上进行补偿；第三，每个水听器对应的耦合器分光比各不相同，各耦合器间的之间没有互换性，为工程应用带来不便；第四，时分数扩展性不强，增加或减少任意数量的时分数都必须重新设计分光比。本发明针对上述技术上的缺点，发明了全新的光路拓扑结构，弥补了以上所述的不足之处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适合于具体地说，本发明提出了一种同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，所有用于光纤水听器时分复用阵列的光纤耦合器都具有相同的分光比。
为解决以上技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种同分光比自平衡型光纤水听器时分复用阵列光路构成方法，用光纤耦合器和光纤延迟线构成n路时分复用光路时，采用相同分光比的光纤耦合器组成阵列光路，将输入干路的光纤耦合器正向排列，输出干路的光纤耦合器反向排列，使每个水听器所经过的耦合器完全相同，每只水听器所经历的分光比完全相同。无论光纤耦合器分光比如何，由耦合器带来的附加损耗和分光比误差对每个水听器造成的影响是一样的，由这些耦合器制成的光路具有极佳的功率平衡性。
光纤耦合器包括相同分光比的的分光耦合器和合光耦合器，光纤耦合器的单光纤端为输入端，双光纤端为两个分光输出端，分别称为小分光比臂和大分光比臂；将分光耦合器和合光耦合器反向放置，由分光耦合器CF_k小分光比一臂接水听器H_k的任意一根尾纤，CF_k的大分光比一臂接光纤延迟线，光纤延迟线输出接CF_k+1的单光纤输入端；水听器H_k另一根尾纤接合光耦合器CH_k的小合光臂，即小分光比臂，CH_k的单光纤输出臂与CH_k+1的大合光臂，即小分光比臂链接，k＝1，2...，n-1；CF_n的小分光比一臂接水听器H_n的任意一根尾纤，水听器H_n另外一根尾纤接合光耦合器CH_n的小合光臂，即小分光比臂。
通过计算得到其每个脉冲的损耗最小值所对应的耦合器分光比，利用该分光比制作光纤耦合器。
当需要扩展水听器通道时，在其中插入分光耦合器CF_k和合光耦合器CH_k+1，就可以实现，可扩展性非常好。发明所设计的时分复用光路有能力拓展到从2时分一直到48时分的任意整数时分数。
本发明能带来以下有益效果：采用了完全相同的耦合器组成光纤水听器时分复用光路，将输入干路的耦合器正向排列，输出干路的耦合器反向排列，使每个水听器所经过的耦合器完全相同，从而获得高性能的时分复用阵列，提高阵列的功率平衡性、时延准确性、互换性和可扩展性。
附图说明：
图1是传统的平衡型8时分光路拓扑结构图；
图2是传统的非平衡型8时分光路拓扑结构图；
图3是本发明的自平衡型8时分光路的拓扑结构图；
图4是计算得到的8时分复用光路耦合器分光比与损耗值之间的关系曲线图；
图5是8时分复用光路的输出脉冲图；
图6是8时分复用光路的1#～6#光组件装配图；
图7是8时分复用光路的7#光组件装配图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：
以8时分光路为例说明本发明的具体内容，8时分光路拓扑结构如图3所示，其中CF和CH均代表分光比完全相同的耦合器(CF的作用是分光，CH的作用是合光)，D代表延迟线，H代表水听器，每个耦合器的分光比均相同，如需要扩展时分数，则直接插入同分光比的耦合器即可。图中上面一排耦合器定义为输入干路，下面一排耦合器定义为输出干路。输入干路耦合器1分光后，小分光比一端送入水听器H1，水听器H1的输出与相同分光比的耦合器小分光比一臂相连；输入干路耦合器1的大分光比一臂将光传入下一耦合器的输入端。从图中可以看出该方案的优势在于：一、每个水听器所经历的耦合器均为9只，因此由耦合器带来的附加损耗对每个水听器造成的影响是一样的；二、除去延迟线以外，每个水听器所走过光程是一样的，这样在实际制作过程中，只要精确控制延迟线圈本身的长度即可，不需要考虑尾纤长度带来的影响，为工程应用带来方便；三、光路中各个耦合器完全相同，耦合器的分光比完全一致，为工程应用带来了相当大的便利；四、从图中可知，当需要扩展水听器通道时，只需要在其中插入耦合器就可以实现，可扩展性非常好。
在上述拓扑结构的基础上，还需要对各路的功率损耗值进行计算，以确定耦合器的最佳分光比。水听器H1所经历的耦合器为9个耦合器，设耦合器分光比为T:(1-T)，T为小分光比一臂，设输入光的光功率为1mW，可知水听器Hk(k＝1，2，3，...，8)经过耦合器的分光合光所造成的衰减值为：
Pk＝10×log10(T²×(1-T)⁷)                 (1)
从拓扑结构图这里的T值可以任意取值，无论取何值都可以达到各路水听器功率相等，但阵列要求每一路光的损耗值尽量达到最小，因此在这个前提下我们对公式1进行求解，最终得到分光比与损耗值的关系曲线如图4所示，从曲线中可以看出，当耦合器分光比为22:78时，其每一路的光损耗值达到最小，约20.7dB。我们为了验证这个拓扑结构理论设计的正确性，采用该分光比的耦合器制作了8时分光路，所得到的8个光脉冲值(分别代表八路水听器)如图5所示，每个脉冲对应一个通道，脉冲间隔为500ns，重复周期为5μs。从图中可以看出脉冲间的功率不均匀度小于0.7dB，远远优于其他方案得到的功率不平衡性基本在2dB左右。
本方案对于其他时分数仍然适用，仅仅需要改变耦合器的数量就可以轻松实现n路高性能时分复用光路，本说明书仍以8时分阵列为基础说明扩展到n路(n＝2、3…48)时分复用阵列的方法。在8时分光路的基础上，在光路中间插入n-8对完全相同的耦合器，既可以扩展到n路时分复用阵列，这里n-8如果是负数就相应减掉|n-8|对耦合器。这种方法可能会对光路的整体损耗有所影响，如果需要调整损耗使之达到最优化，则可以改变构成阵列光路的耦合器的分光比，耦合器的分光比计算方法如下：
首先给出n时分阵列的每路损耗值计算公式：
Pk＝10×log10(T²×(1-T)^n-1)n＝1，2，3，...，48            (2)
其中k为任意水听器号，由于每个水听器损耗值都一样，因此任取其一即可说明问题。对任意确定的n值，都可以通过该公式绘制出损耗曲线，并求得其损耗的最小值，该最小值所对应的T值就是我们所需要的构成n路时分服用光路的耦合器最佳分光比。
1、光组件制作
以8时分光路的发明方案为例，在方案中主要包括1×2熔融拉锥型光纤耦合器16只、100m延迟光纤卷7卷和光纤水听器8只。在具体的光路方案实施中，需要将两只耦合器和一个延迟光纤卷组合成一个光组件，其具体的制作步骤如下：
(1)取一只1×2的光纤耦合器(耦合器1)，其输入端为单根光纤，套入红色Φ0.9mm的光纤松护套，用502胶将光纤与护套之间点住，将耦合器输出端的分光比为22％一端套入绿色光纤松套，用502胶将光纤与护套之间点住。将光纤耦合器的78％一端截断至200mm，套入光纤热缩套管，延迟光纤卷的一臂同样截断至200mm，将两臂用光纤熔接机熔接在一起，并用光纤热缩套管保护。将延迟线的另外一臂套入黑色光纤松护套，用502胶点住。
(2)取另外一只1×2光纤耦合器(耦合器2)，将输入端套入白色光纤松护套，分光比为22％的输出端套入蓝色光纤松护套，分光比为78％的输出端套入黄色松护套，两端用502胶点住。将处理好的耦合器数与(1)中所述的器件平行放在一起，与耦合器1的反方向放置，并用5mm宽透明胶带绑定。
(3)将上述绑定好的器件放入空间为20×80×10mm的长方形塑料盒，内部用703胶固定，盖上盒盖，各输出端以及盒盖的缝隙部分用504胶密封，待胶干后组件制作完毕。
(4)重复上述操作，制作6只相同的光组件，光组件的装配示意图如图6所示，其中延迟线长度为100m。
(5)将第7只光组件按如下方法添加耦合器，示意图如图7所示，其中延迟线长度为100m按(1)、(2)的方法制作一只光组件，但不套入任何光纤松护套；
将延迟线的输出端不加套管并截断至200mm，与新取的1×2耦合器输入端(耦合器3)熔接在一起，用热缩套管保护熔接点，耦合器3分光比为22％的输出端套入黑色套管作为输出端；
再取一只耦合器(耦合器4)，将其分光比为78％的输出端与耦合器2的输入端熔接，熔接点用光纤热缩套管保护；
将耦合器4的输入端套粉色光纤松护套，分光比为22％的输出端套黄色松护套，耦合器1的输入端套入红色松护套，耦合器1分光比为22％的一臂套入绿色松护套。耦合器2分光比为78％的一臂套入白色松护套，耦合器2分光比为22％的一臂套入蓝色松护套。
2、阵列光路链接
(1)将1#光组件的红色端熔入一根FC/PC的光纤跳线，并用光纤热缩保护套管对熔接点进行保护，该跳线通过法兰盘与脉冲光源相连接。
(2)1#光组件的黑色端与2#光组件的红色端相熔接，1#光组件的黄色端与2#光组件的白色端相熔接，1#光组件的绿色、蓝色两端分别与水听器的输入输出相熔接，熔接点用光纤热缩保护套管保护。
(3)2#～6#的熔接方式与(2)中所述情况相同。
(4)6#光组件的黑色端与7#红色端熔接，6#黄色端与7#白色端熔接，绿色和蓝色分别接水听器H7的输入输出端，7#组件黑色和黄色端分别水听器H8的输入输出端，熔接点用光纤热缩保护套管保护。
(5)将7#组件的粉色端接入一根长跳线(FC/PC)，作为输出端输送到光电探测器，以法兰盘与光电探测器相连接。
3、结果测试
将连续的宽带光源输入到声光调制器，用周期4μs、脉冲宽带400ns的调制单脉冲输入到声光调制器调制接口，将连续光调制为周期4μs、脉冲宽带400ns的脉冲激光，脉冲激光输入到上述8时分光路，输出8个等时延的光脉冲，输出端接入光电探测器，经过光电探测器转换变为电脉冲，用示波器显示经过光电转换过的电脉冲如图5所示。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本成果要求的保护范围。