多路復用技術在水聲探測系統中的應用

摘要：光纖（光柵）水聽器已經成為目前水聲探測靈敏度最高的器件。它具有較小的體積并且適于成陣，是目前水聲探測系統的熱門研究對象?；诙嗦窂陀眉夹g的分布式陣列則是光纖（光柵）水聽器應用研究的發展方向。本文簡要介紹了目前光纖（光柵）水聽器陣列多路復用技術的研究狀況以及工作原理。
一、引言

在現代海上作戰中，擁有對水下作戰空間的監視與控制技術是潛艇戰和反潛戰中掌握海戰主動權的前提。但隨著各種減振降噪技術在艦艇制造工藝中的應用，使得潛艇等水下設備的噪聲大大降低。如何遠距離感知低噪聲艦艇和安靜型潛艇等水下目標，已成為海軍實現先敵發現、先敵攻擊和精確打擊的重要研究課題。另一方面，由于單個水聽器的帶寬、測量方向以及測量范圍的限制，遠遠不能滿足實際海戰的需要。為了能夠寬頻帶、全方向、大范圍、高精確的探測目標，只有將一定數量的單元水聽器（對于分布式測量可能達到500個～1000個）安裝在一定的海域內并組成陣列，實現立體探測，才能達到探測要求。但對于數量非常龐大的水聽器陣，如果每個水聽器都用一信號線相連，則會大大增加成本與體積。多路復用技術能使一根信號線傳輸多路信號，因此這一技術理所當然的被用到了水聲信號傳輸領域。實際上，各國軍方很早就開始了這一研究并率先將頻分多路復用、時分多路復用技術應用到了這一領域，隨著新型的性能優異的光纖布拉格光柵（FBG）水聽器的出現，波分多路復用技術也已經開始得到了應用。

二、頻分多路復用

頻分多路復用技術對整個物理信道的可用帶寬進行分割，并利用載波調制技術，實現原始信號的頻譜搬移，使得多路信號在整個物理信道帶寬允許的范圍內，實現頻譜上的不重疊，從而共用一個信道。為了防止多路信號之間的相互干擾，使用隔離頻帶來隔離每個子信道。此處將由水聲信號引起的各單元光纖水聽器光學干涉信號的相位變化分別用不同頻率的載波進行調制，每個載波頻率對應一個節點處的單元光纖水聽器，相鄰載波頻率之間的頻差大于水聲信號的頻帶上限的二倍，陣列中各節點信號被同一光電探測器檢測后，利用一系列中心頻率與各載波頻率相對應的濾波器將其分開，而后可采用多種信號處理技術將調制到載波上的干涉信號解調出來，實現解復用的目的。理論上已證明，每個節點處水聽器探測到的水聲信號在頻域上被移到以載波頻率為

中心的兩側邊頻位置，因相鄰載波頻率間隔大于水聲信號頻帶上限的二倍，因此不會發生信號的串擾。

采用頻分多路復用技術的光纖水聽器陣列原理圖如圖1所示：由3×3個馬赫－曾德爾干涉型光纖水聽器單元組成，分別由3個調制頻率為w1、w2、w3的LD光源驅動，分別通過3個分光耦合器后分成9束光，之后連接到9個單元水聽器，光纖水聽器的輸出經過合光耦合器耦合后，由3根光纖輸出。輸出的光信號經過探測器之后變成了電信號，再經過濾波、放大等環節得出所要檢測的聲信號。

　 頻分多路復用技術研究起步較早，現在已得到了廣泛應用，如美國海軍研究實驗室采用的相位產生載波的頻分復用方案,其中包括49節點的平面陣列和拖曳陣列,以及16節點的海底豎直聲監控陣列。

　一般對于一個J×K的頻分復用式光纖水聽器陣列，共有J個ＬＤ光源和K個光電探測器來實現對J×K個單元光纖水聽器的復用。但是為了提高復用度，我們設計陣列時，一般令J=K或者使J與K相近。通過J個不同頻率的高頻載波信號來調制這J個光源輸出激光的光波波長，使之發生與調制頻率相同的振動，利用陣列中不等臂長的干涉儀結構單元光纖水聽器，將調制LD光源驅動電流引起的發光波長的變化轉換成為光學干涉信號相位的變化，實現對相位的調制。每個光源驅動K個單元光纖水聽器，而每個探測器同時對來自J個水聽器的信號進行檢測。每個探測器的輸出信號用K個帶通濾波器并聯進行濾波，各帶通濾波器的中心頻率分別對應某一高頻載波的頻率，通帶帶寬為各載波頻率之間的頻差。相位被載波調制的水聲信號可利用被動零差法、主動零差法以及合成外差法等解調出來。采用此方案時，系統中光源的最高調制頻率決定了單元水聽器的數量、信號幅度以及信號頻率[1]。

三、時分多路復用技術

　 時分多路復用（TDM）技術是使多路信號輪流占用同一個公共傳輸信道中的規定時隙的技術。有幾路信號就劃分出相同數量的時隙，每路信號占用一個固定的時隙。從而實現在同一個公共傳輸信道上以時間分割方式進行多路傳輸。光信號的時分多路復用(OTDM)技術是根據光脈沖經由陣列中各個節點處的單元光纖水聽器返回時，會因光程差而存在時間上的差異，當向陣列注入間隔相同、光波頻率略有差異的相干激光脈沖對時，從每個節點處返回的光脈沖回波相位與前一個節點處回波相位之差攜帶了此節點處單元光纖水聽器所探測到的有關信息，而發射這兩個脈沖之間的間隔由于光程差造成的時間延遲相等，會同時到達光 電探測器端，由于兩脈沖是相干的，會在光電探測器端發生干涉，通過測量干涉信號變化可獲得有關的水聲信息。同時，利用返回時間可確定信號源的位置，當向陣列中注入間隔時間大于單個脈沖從光程最遠處返回所需時間的連續光脈沖時，通過高速數字電子技術可將經同一光電探測器檢測出的來自不同單元水聽器的信號較好的分開，完成多路復用信號的解復用[5]。

　 采用時分多路復用技術的光纖水聽器陣列從結構上大體可分為兩類，一類為反射型結構，其示意圖如圖2所示?？梢钥闯觯瓷湫徒Y構的光纖水聽器陣列用一根光纖串接了許多單元光纖水聽器，在每個節點的單元水聽器處增加了一光信號反射裝置，使攜帶有該節點處水聲信息的光脈沖信號能夠沿原路返回。在光源前端再由分光器將脈沖信號分離并送到光電探測器進行信號接受與解調。由此組成了一個分布式探測陣列，但它只用了一根光纖作為光脈沖信號的發射總線與接收總線，各個節點處的光脈沖信號通過時分復用方式用同一根光纖傳輸。

　另一類為透射型結構，如圖3所示。透射型結構的光纖水聽器陣列有兩條總線，一條為信號發射總線，另一條為信號接收總線，從而不需反射裝置。由于陣列中各節點的空間位置不一樣，所以陣列中各節點之間的光纖還起到了延時的作用，使得從各節點返回的光脈沖不會在時域發生重疊，保證信號處理所需的時延。

　時分復用結構的光纖水聽器陣列的信號處理一般利用光學外差法，每次向陣列中注入一個頻率略有差異的光脈沖對，頻差通常由布喇格光柵移頻產生，利用光學開關對較長相干長度的激光進行斬波或利用附加的延時光路對單個光脈沖復制得到相干的脈沖對，使得脈沖對之間的時間間隔能保證從每個節點處返回的第一個脈沖與從前一個節點處返回的第二個脈沖同時到達探測器，實現外差檢測。另外也可以利用零差法實現時分復用系統的信號處理。時分多路復用技術也得到了廣泛應用，如英國的國防研究局1992年報道的16單元平面陣列，美國L-3通信公司海洋系統分部正在研制的新型多功能艦殼聲納系統，其中包括一組具有嵌入式異步時分多路復用數字遙測裝置的水聽器側板，這種設計取消了常規艦殼主動聲納系統需要的單個傳感器的布線、發射/接收開關和信號調節機柜。

四、波分多路復用技術

　 光的波分多路復用是指在一根光纖中傳輸多種不同波長的光信號，由于波長不同，所以各路光信號互不干擾，最后再用波長解復用器將各路波長分解出來。所選器件應具有靈敏度高、穩定性好、抗電磁干擾、功耗小、體積小、重量輕、器件可替換性強等優點。光源輸出的光信號帶寬為40nm，在此寬帶基礎上可實現多個通道傳感器的大規模復用。

　圖4為多通道光纖光柵水聽器檢測系統原理圖。用一根光纖串接多個光纖光柵水聽器探頭，各探頭所用光柵的中心波長不同，利用光耦合器把各探頭反射的光波接入波長解復用器，這樣可把各探頭的波長依次分離出來，然后分別接入光探測器，最后進入信號處理系統。此系統的優點是采用波分復用技術，實現光纖光柵水聽器分布式動態測量。此系統有望解決目前光纖光柵水聽器難以解決的問題：首先，實現光纖光柵水聽器高速解調；其次，實現光纖光柵水聽器陣列分布式動態測量，雖然光纖光柵分布式測量原理早已提出，但能夠實現光柵傳感器分布式動態測量的卻不多；最后，在現場測量時，只需要將水聽器探頭及其連接光纜布置于探測現場，其他如波長解復用器、信號處理系統等均可集成在遠離現場的控制盒內，以便于實現系統的遠程實時操作與控制。另外，測量系統遠離現場，既可保證儀器能正常工作，又減少了外界所帶來的誤差，因此可保證測量結果的可靠性。目前光纖光柵水聽器正處于研制階段，還沒大規模應用，波分復用技術已經成熟，可預見不久的將來波分復用技術即可成功應用于光柵水聽器這一領域。而在光纖水聽器中，已在實驗室里成功地將TDM與WDM/ DWDM 相結合應用的報道[3 ]，DWDM/ TDM結合的系統可達到384個。

五、相干多路復用技術

　 光纖水聽器的相干多路復用是通過遠端光程匹配技術來實現的。其特點是陣列中的單元光纖水聽器均采用不等臂長的干涉儀結構，而且各干涉儀的臂長差均不相同，并要求光源發出光的相干長度小于各干涉儀最小臂長差，使其均不能滿足相干條件；陣列信號的接收端串聯一可變臂長的匹配干涉儀，臂長的調整范圍能涵蓋陣列所有干涉儀的臂長差。通過調整匹配干涉儀的可調臂長度，分別對陣列中的每個干涉儀進行光程匹配，使得在某一時刻陣列中只有一個干涉儀與匹配干涉儀串聯滿足相干條件[4]。典型的相干多路復用結構見圖5。

　光程匹配的實現是指陣列中干涉儀的長光臂與匹配干涉儀的短光臂長度和等于陣列中干涉儀的短光臂與匹配干涉儀的長光臂長度和。由于陣列中各干涉儀的臂長差均不相同，因此利用臂長差可以唯一標定某一干涉儀在陣列中所處的位置。當調整匹配干涉儀的可調臂長度與陣列中的某一干涉儀實現光程匹配時，光電探測器測得的干涉信號即為該干涉儀所在節點處光纖水聽器感應的水聲信號[2]。調整匹配干涉儀利用掃描方式分別與陣列中每個干涉儀進行光程匹配，便可測得所有節點處的水聲信號，達到多路復用的目的。目前基于相干多路復用技術的典型結構有雙干涉儀結構，它在實現高性能的光纖傳感器多路復用中有著重要的應用，它的最大特點是可以保證整個干涉系統穩定地工作在理想工作點并方便地對多路傳感信號進行探測。在實際應用中，用光源調制方案解決相位噪聲問題，通過與其它復用技術的結合可以大大提高系統的復用性能。目前,基于雙干涉儀結構的相干、時分技術正用于高性能光纖水聽器陣列空間信噪比獲取、波束形成和定向定位探測研究中。

六、結束語

　　由于單個的水聲探測器遠遠不能滿足實際的軍用與民用要求，所以人們很早就開始了水聲探測器陣列技術的研究?，F在水聲探測器正向著多節點，大監控范圍的方向發展，每個陣列包含上千個節點，數百公里的監控范圍，鑒于水中工作條件的惡劣性，要求探測系統必須具有高性能、高可靠性，多路復用技術由于其可復用性理所當然的被用于這種陣列信號的傳輸之中，本文著重介紹了發展較為成熟、實際系統中應用較廣泛的時分多路復用、頻分多路復用以及相干多路復用技術。隨著光纖光柵水聽器的出現，還介紹了最新的波分多路復用技術?？梢灶A見，隨著研究的不斷深入，還會出現更加先進、復用度更高的多路復用技術。