采用密集波分复用技术的光纤水听器阵列研究

　　0 引言

　　光纤水听器是一种重要的光纤压力传感器,在军事上主要是以阵列形式应用.主要研究方向集中到如何充分利用光纤传输损耗低、带宽大的特点,结合光器件的最新进展,实现对光源、光纤以及光探测器的多路复用,用较少的组件组成光纤水听器阵列[1],而且通过对阵列信号的处理可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能,获取更多有关水下目标的信息.光纤水听器的多路复用可以通过不同的体系结构来实现,各国研究人员根据各自的技术优势发展了时分多路复用(TDM),频分多路复用(FDM)、相干多路复用、扩展频谱复用等技术.但是他们的复用能力(阵列中容纳的单元数目)有限,无法满足军事领域多节点、大监控范围应用的要求.

　　本文提出了DWDM技术在干涉型光纤水听器阵列的新应用,大大增加阵列的传感单元数量,并给出复用体系结构.

　　1 DWDM和TDM结合的复用结构

　　波分复用技术( WDM, Wave DivisionMultiplexing)是在同一光纤中耦合许多波长的光技术,可以有效地提高每根光纤的集合带宽,而密集波分复用技术是一种将比WDM波长数更多(>40)或更密集地耦合进一根光纤的技术.由于光分插复用器(OADMOptical Add/Drop Multiplexer)元件面市,并且光放大器在整个波长范围具有平坦的增益,可在线路上与发送光纤耦合来提升光信号,使得这项技术在分布式传感器系统中得到新的应用.目前有在实验室里成功地将TDM与WDM/DWDM相结合应用的报道[2],DWDM/TDM结合的系统能达到384个水听器的复用度[3].

　　利用OADM等元件组建成TDM和DWDM相结合的复用结构(见图1).在一根公用的光纤中传输含有m个波长的光脉冲,通过连接在公用光纤上一系列OADM元件把不同的波长Km分离出来进入另一根光纤中,作为一个TDM阵列模块的问询光束获取被探测的信号信息,依此类推,不同的波长被分离出来进入不同的TDM阵列模块达到了复用的目的.在此复用体系结构中,单根光纤的最大复用度受每个传感器的问询率和光源的能量的限制.最大问询率可由光脉冲通过阵列时间推出,设传感器光纤长度为l,光纤有效折射率为neff,则最大问询率fmax为

　　式中c为光速,N为光纤传感器的数目.随着最大问询率的提高,阵列中水听器数量得到增加,同时,光脉冲的脉宽变窄,系统的串扰强度(Crosstalklevel)、光源的频率噪音加强.为了得到较好的干涉信息,必须增加传感器的光纤长度,长度的增加又会导致相位大幅度漂移,从而引起传感器干涉相位分辨率的降低,探测信号的动态范围缩小,则所获得的被探测信号中会引入大幅度的噪音.

　　2 DWDM和PGC问询策略复用方案

　　2.1 采用PGC技术的频分复用方案