光纤水听器时分复用阵列串扰分析

　　引言

　　随着单元光纤水听器技术的成熟，目前已经开始了阵列化研究，因此光纤水听器的复用技术至关重要。时分复用(TDM)[1, 2]作为最简单有效的复用方案，广泛应用于光纤水听器阵列设计中，而各通道信号之间的串扰是评价复用系统性能的最重要参数。在光纤水听器的PGC解调方案[2, 3]中，需要选用超窄带光源(线宽<1kHz)来较大地抑制光源对非平衡式干涉仪带来的相位噪声。但是由于超窄带光源具有极长的相干长度，使得时分复用系统中信号光与其余通道的泄漏光并非简单强度叠加，而是互相干涉，因此串扰[4, 5]急剧增大，严重影响了系统的稳定性。

　　本文主要分析了窄线宽光源条件下时分复用系统串扰形成机理，得到了光开关消光比与PGC解调中串扰程度的定量关系，同时分析了串扰频率混叠对系统的影响，并提出了相应的解决方案。

　　1 时分复用系统结构

　　图1为一简单的光纤水听器8路TDM系统。光源加PGC调制，光开关将窄的光脉冲送入TDM阵列。系统中每个水听器探头均为一个包含信号臂和参考臂的Michelson干涉仪，理想情况下，各探头占用独立的一段时间，不会互相影响。但一般光开关消光比为有限值，难以实现完全关断，因此某一探头工作时段，其余探头均会有光泄漏过去。在1×8合束时，信号光与泄漏光互相干涉，形成通道间串扰，最终影响信号的解调。

　　2 TDM系统串扰分析

　　为分析串扰对信号的影响，我们假设复用系统中延迟光纤长度为 L，探头臂差l，通道间延迟时间?t;光开关消光比η，A, B分别为光脉冲开关时的振幅，且A/B=10(η/20)。以1号探头为例，它自身信号臂和参考臂光束在1×8合束时将和其余7个探头的串扰光束叠加在一起，最后输出干涉光强为

　　式中Eir和Eis分别为各探头上参考臂和信号臂上光波，共16支。式(1)经过隔直处理并去掉串扰项相互作用的微小影响后可分为5项：

　　PGC方案中[2]，光源调制频率为ω0，频偏 ?υ，n为纤心折射率，c为光速;声信号?s(t)均匀作用在各探头上;各束光的随机相位分别为?is和?ir，i=1, 2, …, 8;考虑PGC调制引入的相位差、信号作用在探头上的相差、环境变化引起的相位差和初始相位差等因素，我们得到(2)式中各单独项：

　　(6), (7)式没有信号?s(t)分量，对系统影响较小，因此重点考虑(4), (5)式之和Pc：

　　令，将(3)式和(8)式分别以Bessel函数展开，得到：

　　比较(9)和(10)式得出，信号和串扰项都是以调制频率ω0及其倍频为主频，携带一系列信号频率ωs的边频的频率成分组成，不同的是幅度和初相位。按照PGC调制解调原理，取ω0和2ω0频进行解调，则信号与串扰在这两频率的幅度差异就可以直接反映信号与串扰的比值。由于信号与串扰的相位随机变化，干涉时叠加的效果也有较大差异，考虑叠加后串扰最大的情况，即