利用光开关实现的光纤水听器时分复用网络

　　1 引言

　　光纤水听器的实用化和成本降低的要求,使水听器的复用成为人们需要考虑的问题。通过复用可以降低光源、探测器、连接光纤及相关器件的数量,提高对光纤巨大带宽的利用率,从而降低系统成本。由于水下声场的复杂性,单元水听器很难获得目标的全部详细信息,因此光纤水听器在实际应用中主要是以阵列的形式应用。能否以低成本实现分布式阵列,是光纤水听器最终能否在实战中得以应用的关键性因素[1]。水听器基于时分复用存在着不同的网络结构。

　　它们大多在光脉冲发送到水听器或从水听器返回的形式上存在着差异。时分复用网络结构的选择一般由串扰,器件的数量以及成本等方面决定[2]。在已报道的时分复用方案中[3],都是利用光门器件产生光脉冲,一定长度的延迟光纤来提供相应的时间延迟。由于延迟光纤的作用,发射进输入光纤的光脉冲到达各自的水听器时,在时域上有一定的时间间隔S。只要输入脉冲的宽度T小于S,从水听器返回的脉冲在输出光纤上就不会重叠。一系列输出脉冲都是由一个输入脉冲产生的。这些时间上交替的输出脉冲代表着各个传感器输出干涉条纹的时间采样。

　　本文在对已实现的时分复用方案的分析比较的基础上,提出了一种以TI的F206型DSP(数字信号处理器)为控制和数据采集中心,利用1x4光开关来实现4路光纤水听器时分复用的方案。

　　2 时分复用方案

　　图1是已实现的时分复用方案中[3],具有代表性的透射式梯状网络结构简图。

　　这种时分复用方案,所有的输出光脉冲都是由单一的输入脉冲经过多次功率分配产生。这样一个各通道中光功率均衡的N路时分复用系统,即使在不考虑复用系统带来的附加损耗的情况下,每路水听器平均所分配的光功率也仅为单个水听器系统的N的平方分之一。以上图所示的4路梯状网络为例,为了保持各通道中光功率的均衡,在不考虑复用系统带来的附加损耗的情况下,3对进行功率分配的耦合器的耦合率应依次为1/4、1/3、1/2,每路水听器平均所分配的光功率为单水听器系统的(1/4)2=1/16。这就是说在这种网络结构中,单路水听器所能分配到的光功率与系统所复用的水听器数目N的平方成反比。而单路水听器所能分配到的光功率,是水听器网络复用数目的一个限制性因素。同时,由于要利用光门器件对光源进行外调制,以产生所需要的光脉冲,这使得光源光功率的利用效率将低于N分之一。

　　由于不同通道的信号光脉冲间的时间延迟是由一定长度的光纤延迟线来实现的,因而这样的时分复用系统相比单水听器系统将需要增加一定数量的延迟光纤。以4路、单通道脉冲重复速率为50kHz为例,为了实现5,10,15μm的时间延迟,大约需要3段长度为1km延迟光纤。如此长度延迟光纤增加的同时也带来了系统体积的增大和成本的上升。另外,在透射式的梯状网络中,为了保持各个通道中光功率的均衡,其中进行光功率分配的耦合器不能采用常用的3 dB耦合器。一般在开始的传感通道中使耦合率c较小,后面的每一通道中逐步增大c的值,直到最后一个通道的c=1。我们可以求出一组耦合率的值,以使一个具有给定数目的水听器网络中每一个传感通道传到探测器的有效光功率基本上相等。但这为耦合器的制造提出了更高的要求。