多路复用技术在水声探测系统中的应用

摘要：光纤（光栅）水听器已经成为目前水声探测灵敏度最高的器件。它具有较小的体积并且适于成阵，是目前水声探测系统的热门研究对象。基于多路复用技术的分布式阵列则是光纤（光栅）水听器应用研究的发展方向。本文简要介绍了目前光纤（光栅）水听器阵列多路复用技术的研究状况以及工作原理。
一、引言
在现代海上作战中，拥有对水下作战空间的监视与控制技术是潜艇战和反潜战中掌握海战主动权的前提。但随着各种减振降噪技术在舰艇制造工艺中的应用，使得潜艇等水下设备的噪声大大降低。如何远距离感知低噪声舰艇和安静型潜艇等水下目标，已成为海军实现先敌发现、先敌攻击和精确打击的重要研究课题。另一方面，由于单个水听器的带宽、测量方向以及测量范围的限制，远远不能满足实际海战的需要。为了能够宽频带、全方向、大范围、高精确的探测目标，只有将一定数量的单元水听器（对于分布式测量可能达到500个～1000个）安装在一定的海域内并组成阵列，实现立体探测，才能达到探测要求。但对于数量非常庞大的水听器阵，如果每个水听器都用一信号线相连，则会大大增加成本与体积。多路复用技术能使一根信号线传输多路信号，因此这一技术理所当然的被用到了水声信号传输领域。实际上，各国军方很早就开始了这一研究并率先将频分多路复用、时分多路复用技术应用到了这一领域，随着新型的性能优异的光纤布拉格光栅（FBG）水听器的出现，波分多路复用技术也已经开始得到了应用。
二、频分多路复用
频分多路复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱搬移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。为了防止多路信号之间的相互干扰，使用隔离频带来隔离每个子信道。此处将由水声信号引起的各单元光纤水听器光学干涉信号的相位变化分别用不同频率的载波进行调制，每个载波频率对应一个节点处的单元光纤水听器，相邻载波频率之间的频差大于水声信号的频带上限的二倍，阵列中各节点信号被同一光电探测器检测后，利用一系列中心频率与各载波频率相对应的滤波器将其分开，而后可采用多种信号处理技术将调制到载波上的干涉信号解调出来，实现解复用的目的。理论上已证明，每个节点处水听器探测到的水声信号在频域上被移到以载波频率为
中心的两侧边频位置，因相邻载波频率间隔大于水声信号频带上限的二倍，因此不会发生信号的串扰。
采用频分多路复用技术的光纤水听器阵列原理图如图1所示：由3×3个马赫－曾德尔干涉型光纤水听器单元组成，分别由3个调制频率为w1、w2、w3的LD光源驱动，分别通过3个分光耦合器后分成9束光，之后连接到9个单元水听器，光纤水听器的输出经过合光耦合器耦合后，由3根光纤输出。输出的光信号经过探测器之后变成了电信号，再经过滤波、放大等环节得出所要检测的声信号。
  　 频分多路复用技术研究起步较早，现在已得到了广泛应用，如美国海军研究实验室采用的相位产生载波的频分复用方案,其中包括49节点的平面阵列和拖曳阵列,以及16节点的海底竖直声监控阵列。
　一般对于一个J×K的频分复用式光纤水听器阵列，共有J个ＬＤ光源和K个光电探测器来实现对J×K个单元光纤水听器的复用。但是为了提高复用度，我们设计阵列时，一般令J=K或者使J与K相近。通过J个不同频率的高频载波信号来调制这J个光源输出激光的光波波长，使之发生与调制频率相同的振动，利用阵列中不等臂长的干涉仪结构单元光纤水听器，将调制LD光源驱动电流引起的发光波长的变化转换成为光学干涉信号相位的变化，实现对相位的调制。每个光源驱动K个单元光纤水听器，而每个探测器同时对来自J个水听器的信号进行检测。每个探测器的输出信号用K个带通滤波器并联进行滤波，各带通滤波器的中心频率分别对应某一高频载波的频率，通带带宽为各载波频率之间的频差。相位被载波调制的水声信号可利用被动零差法、主动零差法以及合成外差法等解调出来。采用此方案时，系统中光源的最高调制频率决定了单元水听器的数量、信号幅度以及信号频率[1]。
三、时分多路复用技术
　 时分多路复用（TDM）技术是使多路信号轮流占用同一个公共传输信道中的规定时隙的技术。有几路信号就划分出相同数量的时隙，每路信号占用一个固定的时隙。从而实现在同一个公共传输信道上以时间分割方式进行多路传输。光信号的时分多路复用(OTDM)技术是根据光脉冲经由阵列中各个节点处的单元光纤水听器返回时，会因光程差而存在时间上的差异，当向阵列注入间隔相同、光波频率略有差异的相干激光脉冲对时，从每个节点处返回的光脉冲回波相位与前一个节点处回波相位之差携带了此节点处单元光纤水听器所探测到的有关信息，而发射这两个脉冲之间的间隔由于光程差造成的时间延迟相等，会同时到达光 电探测器端，由于两脉冲是相干的，会在光电探测器端发生干涉，通过测量干涉信号变化可获得有关的水声信息。同时，利用返回时间可确定信号源的位置，当向阵列中注入间隔时间大于单个脉冲从光程最远处返回所需时间的连续光脉冲时，通过高速数字电子技术可将经同一光电探测器检测出的来自不同单元水听器的信号较好的分开，完成多路复用信号的解复用[5]。
　 采用时分多路复用技术的光纤水听器阵列从结构上大体可分为两类，一类为反射型结构，其示意图如图2所示。可以看出，反射型结构的光纤水听器阵列用一根光纤串接了许多单元光纤水听器，在每个节点的单元水听器处增加了一光信号反射装置，使携带有该节点处水声信息的光脉冲信号能够沿原路返回。在光源前端再由分光器将脉冲信号分离并送到光电探测器进行信号接受与解调。由此组成了一个分布式探测阵列，但它只用了一根光纤作为光脉冲信号的发射总线与接收总线，各个节点处的光脉冲信号通过时分复用方式用同一根光纤传输。
　另一类为透射型结构，如图3所示。透射型结构的光纤水听器阵列有两条总线，一条为信号发射总线，另一条为信号接收总线，从而不需反射装置。由于阵列中各节点的空间位置不一样，所以阵列中各节点之间的光纤还起到了延时的作用，使得从各节点返回的光脉冲不会在时域发生重叠，保证信号处理所需的时延。
  　时分复用结构的光纤水听器阵列的信号处理一般利用光学外差法，每次向阵列中注入一个频率略有差异的光脉冲对，频差通常由布喇格光栅移频产生，利用光学开关对较长相干长度的激光进行斩波或利用附加的延时光路对单个光脉冲复制得到相干的脉冲对，使得脉冲对之间的时间间隔能保证从每个节点处返回的第一个脉冲与从前一个节点处返回的第二个脉冲同时到达探测器，实现外差检测。另外也可以利用零差法实现时分复用系统的信号处理。时分多路复用技术也得到了广泛应用，如英国的国防研究局1992年报道的16单元平面阵列，美国L-3通信公司海洋系统分部正在研制的新型多功能舰壳声纳系统，其中包括一组具有嵌入式异步时分多路复用数字遥测装置的水听器侧板，这种设计取消了常规舰壳主动声纳系统需要的单个传感器的布线、发射/接收开关和信号调节机柜。
四、波分多路复用技术
　 光的波分多路复用是指在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长分解出来。所选器件应具有灵敏度高、稳定性好、抗电磁干扰、功耗小、体积小、重量轻、器件可替换性强等优点。光源输出的光信号带宽为40nm，在此宽带基础上可实现多个通道传感器的大规模复用。
　图4为多通道光纤光栅水听器检测系统原理图。用一根光纤串接多个光纤光栅水听器探头，各探头所用光栅的中心波长不同，利用光耦合器把各探头反射的光波接入波长解复用器，这样可把各探头的波长依次分离出来，然后分别接入光探测器，最后进入信号处理系统。此系统的优点是采用波分复用技术，实现光纤光栅水听器分布式动态测量。此系统有望解决目前光纤光栅水听器难以解决的问题：首先，实现光纤光栅水听器高速解调；其次，实现光纤光栅水听器阵列分布式动态测量，虽然光纤光栅分布式测量原理早已提出，但能够实现光栅传感器分布式动态测量的却不多；最后，在现场测量时，只需要将水听器探头及其连接光缆布置于探测现场，其他如波长解复用器、信号处理系统等均可集成在远离现场的控制盒内，以便于实现系统的远程实时操作与控制。另外，测量系统远离现场，既可保证仪器能正常工作，又减少了外界所带来的误差，因此可保证测量结果的可靠性。目前光纤光栅水听器正处于研制阶段，还没大规模应用，波分复用技术已经成熟，可预见不久的将来波分复用技术即可成功应用于光栅水听器这一领域。而在光纤水听器中，已在实验室里成功地将TDM与WDM/ DWDM 相结合应用的报道[3 ]，DWDM/ TDM结合的系统可达到384个。
  五、相干多路复用技术
　 光纤水听器的相干多路复用是通过远端光程匹配技术来实现的。其特点是阵列中的单元光纤水听器均采用不等臂长的干涉仪结构，而且各干涉仪的臂长差均不相同，并要求光源发出光的相干长度小于各干涉仪最小臂长差，使其均不能满足相干条件；阵列信号的接收端串联一可变臂长的匹配干涉仪，臂长的调整范围能涵盖阵列所有干涉仪的臂长差。通过调整匹配干涉仪的可调臂长度，分别对阵列中的每个干涉仪进行光程匹配，使得在某一时刻阵列中只有一个干涉仪与匹配干涉仪串联满足相干条件[4]。典型的相干多路复用结构见图5。
　光程匹配的实现是指阵列中干涉仪的长光臂与匹配干涉仪的短光臂长度和等于阵列中干涉仪的短光臂与匹配干涉仪的长光臂长度和。由于阵列中各干涉仪的臂长差均不相同，因此利用臂长差可以唯一标定某一干涉仪在阵列中所处的位置。当调整匹配干涉仪的可调臂长度与阵列中的某一干涉仪实现光程匹配时，光电探测器测得的干涉信号即为该干涉仪所在节点处光纤水听器感应的水声信号[2]。调整匹配干涉仪利用扫描方式分别与阵列中每个干涉仪进行光程匹配，便可测得所有节点处的水声信号，达到多路复用的目的。目前基于相干多路复用技术的典型结构有双干涉仪结构，它在实现高性能的光纤传感器多路复用中有着重要的应用，它的最大特点是可以保证整个干涉系统稳定地工作在理想工作点并方便地对多路传感信号进行探测。在实际应用中，用光源调制方案解决相位噪声问题，通过与其它复用技术的结合可以大大提高系统的复用性能。目前,基于双干涉仪结构的相干、时分技术正用于高性能光纤水听器阵列空间信噪比获取、波束形成和定向定位探测研究中。
  
六、结束语
　　由于单个的水声探测器远远不能满足实际的军用与民用要求，所以人们很早就开始了水声探测器阵列技术的研究。现在水声探测器正向着多节点，大监控范围的方向发展，每个阵列包含上千个节点，数百公里的监控范围，鉴于水中工作条件的恶劣性，要求探测系统必须具有高性能、高可靠性，多路复用技术由于其可复用性理所当然的被用于这种阵列信号的传输之中，本文着重介绍了发展较为成熟、实际系统中应用较广泛的时分多路复用、频分多路复用以及相干多路复用技术。随着光纤光栅水听器的出现，还介绍了最新的波分多路复用技术。可以预见，随着研究的不断深入，还会出现更加先进、复用度更高的多路复用技术。