CN115987399B - 一种光纤水听器传输系统及光信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤水听器传输系统及光信号传输方法，属于光纤水听器技术领域，系统包括：顺次连接的光信号发射链路、光纤水听器阵列和光信号接收链路；光信号发射链路用于将光信号调制成脉冲序列传输至光纤水听器阵列；光纤水听器阵列用于基于脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；光信号接收链路用于通过光放大泵浦器和增益单元将光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号。本发明能在不增加光纤的前提下，提高远程光放大效率，提升传输信号光的光功率和信噪比，降低系统相位噪声，提高系统的老化与维修余量，延迟系统使用寿命。

Description

一种光纤水听器传输系统及光信号传输方法

技术领域

本发明涉及光纤水听器技术领域，尤其涉及一种光纤水听器传输系统及光信号传输方法。

背景技术

光纤水听器阵列灵敏度高、动态范围大，是探测海洋声场信息的重要手段，又因其绝缘性好、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、与光缆连接性好，成为海底大规模应用和组建海底探测网络的不二选择。光纤水听器阵列通过光缆传输信号，与海底电缆相比，光缆传输损耗低、成本低、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、布放方便，在长距离传输方面有明显优势，并且，光缆不存在短路和高压击穿等问题，不怕海水导电，更适合在海底长期生存。因此，采用光缆远程传输光纤水听器信号是理想的光纤水听器远程全光传输方案。

然而，大规模光纤水听器阵列远程传输时，仍受到长距离传输光路损耗大、注入信号光功率受限、光缆芯数有限和系统成本的约束，而提升光放大效率是在一定约束限制下能实现大规模光纤水听器阵列远程传输的有效手段，包括以下几种原因：

1）长距离链路传输损耗较大：长距离传输时，通常使用的G.652D型光纤、G.654E型光纤和G.654D型光纤损耗分别为0.185dB/km、0.17dB/km和0.16dB/km，则对应100km往返传输的损耗分别为37dB、34dB和32dB，再加上分支器、连接器等，链路传输损耗更大。因此在合理控制成本的前提下采用更低损耗的光纤是降低传输链路损耗的有效方法。

2）大规模光纤水听器阵列损耗较大：目前常用的大规模光纤水听器阵列复用技术为波分复用、时分复用和空分复用，光纤水听器基元数=波分数×时分数×空分数，大规模光纤水听器阵列的损耗高达20至30dB。通过增加空分数、减少时分和波分数可降低光纤水听器阵列损耗，但该方法会导致传输光缆中的光纤数增加。

3）非线性效应限制了注入光功率进一步提高：提高远距离光纤水听器系统接收光功率和信噪比最直接的方法是提高注入光纤的光功率，但是注入光功率过高会在传输光纤中产生非线性效应。尽管已有研究通过增加工作波长间隔、不同波长间错峰传输、对传输光进行相位调制、分段隔离等方式抑制四波混频和受激布里渊效应，但是仍不能满足传输距离进一步提高的要求，并且该方法提高注入光功率的同时，引入了受激拉曼效应和调制不稳定性等新的问题。

4）光缆芯数受成缆技术与成本限制：光缆中增加光纤芯数可利用更多的光纤传输光纤水听器的光信号和遥泵放大的泵浦光，有利于降低光纤水听器阵列损耗和增加光放大能力，但是受光缆制造工艺和制造成本等限制，长距离海缆的光纤芯数不能无限制增加。目前超到100km传输的实际海洋工程中，单根海缆的光纤芯数不超过100根。

5）提高光放大效率提升远距离传输能力：传统的光纤水听器远距离传输系统中，采用单独的光纤为远端的增益单元提供泵浦光，或通过拉曼放大器进行光放大，前者需要增加光纤用于泵浦光传输，后者有大量的泵浦光透过光纤后浪费掉，费效比较高。

因此，需要提出一种新的远距离光纤水听器传输系统。

发明内容

本发明提供一种光纤水听器传输系统及光信号传输方法，用以解决现有技术中光纤水听器阵列传输系统受限于长距离导致链路传输损耗过大和成本过高的缺陷。

第一方面，本发明提供一种光纤水听器传输系统，包括：

顺次连接的光信号发射链路、光纤水听器阵列和光信号接收链路；

所述光信号发射链路用于将光信号调制成脉冲序列传输至所述光纤水听器阵列；

所述光纤水听器阵列用于基于所述脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；

所述光信号接收链路用于通过光放大泵浦器和增益单元将所述光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述光信号发射链路包括相连接的光发射与调制设备和第一光纤链路；

或者，所述光信号发射链路包括顺次连接的所述光发射与调制设备、所述第一光纤链路、第一增益单元和第二光纤链路，以及通过第五光纤链路与所述第一增益单元相连接的第一光放大泵浦器。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述光发射与调制设备包括顺次连接的窄线宽激光器单元、光调制单元和光放大单元；

所述窄线宽激光器单元用于发射相干光至所述光调制单元；

所述光调制单元用于将所述相干光调制为光脉冲序列后发送至所述光放大单元；

所述光放大单元用于将所述光脉冲序列进行功率放大后输入至所述第一光纤链路。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述第一光放大泵浦器用于向所述第一增益单元发送第一激励信号；

所述第一增益单元用于基于所述第一激励信号将所述第一光纤链路输入的光信号进行放大，传输至所述第二光纤链路。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述光信号接收链路包括顺次连接的第三光纤链路、第二增益单元、第四光纤链路、合束器和信号接收与解调设备，以及与所述合束器相连接的第二光放大泵浦器。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述第三光纤链路用于将所述光纤水听器阵列输出的光信号传输至所述第二增益单元；

所述第二增益单元用于将所述光信号进行放大后，通过所述第四光纤链路传输至所述合束器；

所述合束器用于接收所述第二光放大泵浦器发送的第二激励信号，将所述第二激励信号与所述第四光纤链路传输的光信号进行耦合，使光信号在所述第四光纤链路和所述第二增益单元得到放大；

所述信号接收与解调设备用于对放大后的光信号进行解波分复用处理后转化为电信号，并对所述电信号进行模式转换和解调运算，以输出所述水声数字信号。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述光纤水听器阵列包括多个光纤水听器子阵列。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述第一光纤链路的长度与所述第三光纤链路及所述第四光纤链路的长度之和相等；

或者所述第一光纤链路的长度与所述第五光纤链路的长度相等，所述第一光纤链路及所述第二光纤链路的长度之和与所述第三光纤链路及所述第四光纤链路的长度之和相等。

根据本发明提供的一种光纤水听器传输系统，所述第一光纤链路、所述第二光纤链路和所述第五光纤链路为第一预设类型光纤；

所述第三光纤链路和所述第四光纤链路为第二预设类型光纤。

第二方面，本发明还提供一种光纤水听器的光信号传输方法，包括：

光信号发射链路输出光信号，将所述光信号调制成脉冲序列传输至光纤水听器阵列；

光纤水听器阵列基于所述脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；

光信号接收链路通过光放大泵浦器和增益单元将所述光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号。

本发明提供的光纤水听器传输系统及光信号传输方法，通过在光纤水听器远程全光传输系统中利用泵浦光同时实现光纤的分布式拉曼放大和增益单元定点放大，能在不增加光纤的前提下，提高远程光放大效率，提升传输信号光的光功率和信噪比，降低系统相位噪声，提高系统的老化与维修余量，延迟系统使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的光纤水听器传输系统的整体结构图；

图2是本发明提供的光纤水听器传输系统的结构示意图之一；

图3是本发明提供的光纤水听器传输系统的结构示意图之二；

图4是本发明提供的光纤水听器的光信号传输方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中光纤水听器传输系统存在的局限性，本发明提出一种新的高效率的光纤水听器远程全光传输系统。

图1是本发明提供的光纤水听器传输系统的整体结构图，如图1所示，包括：

顺次连接的光信号发射链路、光纤水听器阵列和光信号接收链路；

所述光信号发射链路用于将光信号调制成脉冲序列传输至所述光纤水听器阵列；

所述光纤水听器阵列用于基于所述脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；

所述光信号接收链路用于通过光放大泵浦器和增益单元将所述光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号。

具体地，本发明提出的光纤水听器传输系统从整体结构上划分为光信号发射链路、光纤水听器阵列和光信号接收链路。

光信号发射链路产生光信号后，调制成脉冲序列发送至光纤水听器阵列，光纤水听器阵列在脉冲序列的激励下，将侦测的水声振动信号加载到光信号，由光信号接收链路将光纤水听器阵列发送的光信号放大，并进行处理，以输出水声数字信号。

需要说明的是，光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动加载到光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。

本发明为了提高光纤水听器远程全光传输系统的远距离传输能力，降低大规模光纤水听器阵列自噪声、提高老化与维修余量，通过长距离光纤进行模拟光传输，通过拉曼放大器进行上行光放大，并利用透过光纤的拉曼泵浦光实现增益单元放大。在许多非线性光学介质中，对波长较短的泵浦光的散射使得一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束，频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。与传统的异纤遥泵放大相比，本发明利用光纤少，也可利用节省的光纤实现双向放大，提高放大效率，与传统的拉曼放大相比，本发明利用拉曼放大中剩余泵浦光进行预放大，提高了拉曼放大的信噪比，有效提高系统放大效率。

基于上述实施例，所述光信号发射链路包括相连接的光发射与调制设备和第一光纤链路；

或者，所述光信号发射链路包括顺次连接的所述光发射与调制设备、所述第一光纤链路、第一增益单元和第二光纤链路，以及通过第五光纤链路与所述第一增益单元相连接的第一光放大泵浦器。

具体地，如图2所示的光纤水听器远程全光传输系统中，光信号发射链路包括相连接的光发射与调制设备和第一光纤链路；如图3所示的光纤水听器与其他传输链路或光放大器相连接的传输系统中，光信号发射链路包括顺次连接的所述光发射与调制设备、第一光纤链路、第一增益单元和第二光纤链路，以及通过第五光纤链路与第一增益单元相连接的第一光放大泵浦器。

基于上述实施例，所述光发射与调制设备包括顺次连接的窄线宽激光器单元、光调制单元和光放大单元；

所述窄线宽激光器单元用于发射相干光至所述光调制单元；

所述光调制单元用于将所述相干光调制为光脉冲序列后发送至所述光放大单元；

所述光放大单元用于将所述光脉冲序列进行功率放大后输入至所述第一光纤链路。

其中，所述第一光放大泵浦器用于向所述第一增益单元发送第一激励信号；

所述第一增益单元用于基于所述第一激励信号将所述第一光纤链路输入的光信号进行放大，传输至所述第二光纤链路。

具体地，光发射与调制设备包括窄线宽激光器单元、光调制单元、光放大单元。窄线宽激光器单元发射光纤水听器阵列所需的相干光，经过光调制单元后调制成光纤水听器阵列所需的具有特定频率和时分特征的光脉冲序列，然后经过光放大单元对光脉冲序列进行功率放大后注入到第一光纤链路中。

基于上述实施例，所述光信号接收链路包括顺次连接的第三光纤链路、第二增益单元、第四光纤链路、合束器和信号接收与解调设备，以及与所述合束器相连接的第二光放大泵浦器。

其中，所述第三光纤链路用于将所述光纤水听器阵列输出的光信号传输至所述第二增益单元；

所述第二增益单元用于将所述光信号进行放大后，通过所述第四光纤链路传输至所述合束器；

所述合束器用于接收所述第二光放大泵浦器发送的第二激励信号，将所述第二激励信号与所述第四光纤链路传输的光信号进行耦合，使光信号在所述第四光纤链路和所述第二增益单元得到放大；

所述信号接收与解调设备用于对放大后的光信号进行解波分复用处理后转化为电信号，并对所述电信号进行模式转换和解调运算，以输出所述水声数字信号。

具体地，如图2和图3所示，光信号接收链路包括顺次连接的第三光纤链路、第二增益单元、第四光纤链路、合束器和信号接收与解调设备，以及与合束器相连接的第二光放大泵浦器。

光纤水听器阵列输出光经过第三光纤链路后接入第二增益单元，在第二增益单元中进行放大后通过第四光纤链路连接到合束器，合束器分别与第二光放大泵浦源和信号接收与解调设备连接。

信号接收与解调设备接收到第四光纤链路的信号光后，首先进行解波分复用处理，再将光信号转换为电信号，然后进行模式转换和解调运算，最后输出数字化的水声信号。

基于上述实施例，所述光纤水听器阵列包括多个光纤水听器子阵列。

其中，所述第一光纤链路的长度与所述第三光纤链路及所述第四光纤链路的长度之和相等；

或者所述第一光纤链路的长度与所述第五光纤链路的长度相等，所述第一光纤链路及所述第二光纤链路的长度之和与所述第三光纤链路及所述第四光纤链路的长度之和相等。

其中，所述第一光纤链路、所述第二光纤链路和所述第五光纤链路为第一预设类型光纤；

所述第三光纤链路和所述第四光纤链路为第二预设类型光纤。

可选地，图2实施例中的光纤水听器远程全光传输系统包含光发射与调制设备、光纤、光纤水听器阵列、增益单元、合束器、光放大泵浦源和信号接收与解调设备。光发射与调制设备通过第一光纤链路与光纤水听器阵列相连，将调制产生的光脉冲序列注入到第一光纤链路后传输到光纤水听器阵列，光纤水听器阵列输出光经过第三光纤链路后接入第二增益单元，在第二增益单元中进行放大后通过第四光纤链路连接到合束器，合束器分别与第二光放大泵浦源和信号接收与解调设备连接。

这里的第二光放大泵浦源发出1450nm附近的泵浦光，通过合束器耦合到第四光纤链路中，通过拉曼效应对第四光纤链路中的信号光进行放大，透过第四光纤链路的泵浦光激励第二增益单元，提高泵浦光的利用率，对第三光纤链路输入到第二增益单元的信号光进行放大。

光纤为系统的信号传输通道，实施例中所用光纤适合远距离传输，C波段光传输时损耗不大于0.19dB/km，第一光纤链路为G.654D型光纤，第三光纤链路和第四光纤链路为G.652D型光纤，此外，第一光纤链路的长度与第三光纤链路和第四光纤链路的长度之和相当。第二增益单元接收1425nm～1490nm的泵浦光，可有效利用拉曼放大透过的泵浦光对1528nm～1565nm的信号光进行放大。

对应地，图3实施例中的光发射与调制设备、光纤、第二增益单元、合束器、第二光放大泵浦源和信号接收与解调设备与图2实施例中的光发射与调制设备、光纤、第二增益单元、合束器、第二光放大泵浦源和信号接收与解调设备相同。其中的光纤水听器阵列为多个光纤子阵列组成，第一增益单元和第一光放大泵浦源为下行遥泵放大器。光发射与调制设备将调制产生的光脉冲序列注入到第一光纤链路后，第一光放大泵浦源激励第一增益单元对第一光纤链路输入光进行放大，然后通过第二光纤链路传输到光纤水听器阵列。光纤水听器阵列输出光经过第三光纤链路后接入第二增益单元，在第二增益单元中进行放大后通过第四光纤链路连接到合束器，合束器分别与第二光放大泵浦源和信号接收与解调设备连接。

第一光放大泵浦源发出1480nm附近的泵浦光，第一增益单元接收1480nm附近的泵浦光可对1550nm附近的信号光进行放大。泵浦光通过第五光纤链路传输到第一增益单元，激励第一增益单元对第一光纤链路输入到第一增益单元的信号光进行放大。

本实施例中所用光纤适合远距离传输，C波段光传输时损耗不大于0.19dB/km，第一光纤链路、第二光纤链路和第五光纤链路为G.654D型光纤，第三光纤链路和第四光纤链路为G.652D型光纤。第一光纤链路和第二光纤链路的长度之和与第三光纤链路和第四光纤链路的长度之和相当，第五光纤链路的长度与第一光纤链路的长度相当。

本发明提出光纤水听器远程全光传输系统提升了泵浦光的放大效率，具有更低的系统噪声和更高的老化与维修余量，且与其他传输链路或光放大器相兼容。

图4为本发明提供的光纤水听器的光信号传输方法的流程示意图，如图4所示，包括：

步骤100：光信号发射链路输出光信号，将所述光信号调制成脉冲序列传输至光纤水听器阵列；

步骤200：光纤水听器阵列基于所述脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；

步骤300：光信号接收链路通过光放大泵浦器和增益单元将所述光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号。

可以理解的是，光信号发射链路产生光信号后，调制成脉冲序列发送至光纤水听器阵列，光纤水听器阵列在脉冲序列的激励下，将侦测的水声振动信号加载到光信号，由光信号接收链路将光纤水听器阵列发送的光信号放大后，进行处理，以输出水声数字信号。

本发明通过在光纤水听器远程全光传输系统中利用泵浦光同时实现光纤的分布式拉曼放大和增益单元的定点放大，能在不增加光纤的前提下，提高远程光放大效率，提升传输信号光的光功率和信噪比，降低系统相位噪声，提高系统的老化与维修余量，延迟系统使用寿命。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种光纤水听器传输系统，其特征在于，包括：顺次连接的光信号发射链路、光纤水听器阵列和光信号接收链路；

所述光信号发射链路用于将光信号调制成脉冲序列传输至所述光纤水听器阵列；

所述光纤水听器阵列用于基于所述脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；

所述光信号接收链路用于通过光放大泵浦器和增益单元将所述光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号；

所述光信号发射链路包括顺次连接的光发射与调制设备、第一光纤链路、第一增益单元和第二光纤链路，以及通过第五光纤链路与所述第一增益单元相连接的第一光放大泵浦器；

所述第一光放大泵浦器用于向所述第一增益单元发送第一激励信号；

所述第一增益单元用于基于所述第一激励信号将所述第一光纤链路输入的光信号进行放大，传输至所述第二光纤链路；所述第一增益单元为下行遥泵放大器；

所述光信号接收链路包括顺次连接的第三光纤链路、第二增益单元、第四光纤链路、合束器和信号接收与解调设备，以及与所述合束器相连接的第二光放大泵浦器；

所述第三光纤链路用于将所述光纤水听器阵列输出的光信号传输至所述第二增益单元；

所述第二增益单元用于将所述光信号进行放大后，通过所述第四光纤链路传输至所述合束器；

所述合束器用于接收所述第二光放大泵浦器发送的第二激励信号，将所述第二激励信号与所述第四光纤链路传输的光信号进行耦合，使光信号在所述第四光纤链路和所述第二增益单元得到放大；其中，所述第二激励信号的一部分用于对在所述第四光纤链路传输的光信号进行放大，另一部分用于激励所述第二增益单元对所述第三光纤链路输入的光信号进行放大；

所述信号接收与解调设备用于对放大后的光信号进行解波分复用处理后转化为电信号，并对所述电信号进行模式转换和解调运算，以输出所述水声数字信号。

2.根据权利要求1所述的光纤水听器传输系统，其特征在于，所述光发射与调制设备包括顺次连接的窄线宽激光器单元、光调制单元和光放大单元；

所述窄线宽激光器单元用于发射相干光至所述光调制单元；

所述光调制单元用于将所述相干光调制为光脉冲序列后发送至所述光放大单元；

所述光放大单元用于将所述光脉冲序列进行功率放大后输入至所述第一光纤链路。

3.根据权利要求1所述的光纤水听器传输系统，其特征在于，所述光纤水听器阵列包括多个光纤水听器子阵列。

4.根据权利要求1所述的光纤水听器传输系统，其特征在于，所述第一光纤链路的长度与所述第三光纤链路及所述第四光纤链路的长度之和相等；

或者所述第一光纤链路的长度与所述第五光纤链路的长度相等，所述第一光纤链路及所述第二光纤链路的长度之和与所述第三光纤链路及所述第四光纤链路的长度之和相等。

5.根据权利要求1所述的光纤水听器传输系统，其特征在于，所述第一光纤链路、所述第二光纤链路和所述第五光纤链路为第一预设类型光纤；

所述第三光纤链路和所述第四光纤链路为第二预设类型光纤。

6.一种光纤水听器的光信号传输方法，基于权利要求1至5中任一所述的光纤水听器传输系统，其特征在于，包括：

光信号发射链路输出光信号，将所述光信号调制成脉冲序列传输至光纤水听器阵列；

光纤水听器阵列基于所述脉冲序列将水声振动信号加载到光信号；

光信号接收链路通过光放大泵浦器和增益单元将所述光纤水听器阵列发送的光信号进行放大，并对放大后的光信号进行处理，以输出水声数字信号。