一種基于光纖傳感技術的水下對講系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光纖傳感技術的水下對講系統，該系統包括包含音頻信號輸入單元、發射信號處理電路以及發射換能器的發射端和包含接收信號處理電路和音頻信號輸出單元的接收端，接收端具有一包含光纖探頭的光纖光路，由其完成對水聲信號的探測，接收信號處理電路分別與音頻信號輸出單元以及光纖光路相連；由發射端將聲音信號放大后驅動發射換能器，發射換能器將其發射出去并經過水的傳播達到接收端，該接收端的光纖探頭完成信號接收，實現信號的單向發送；由發射端發射聲波，經水的傳播到達接收端，完成信號的單向接收，實現對講過程。本發明利用光纖傳感技術實現水聲信號的接收，在接收端利用光纖探頭來取代接收換能器，形成新的接收模式，以提高水下對講系統的多方面性能。
【專利說明】一種基于光纖傳感技術的水下對講系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于光纖傳感技術的水下對講系統。
【背景技術】
[0002]水下對講系統是以水作為傳播介質的通信系統。在諸多利用液體作為傳輸媒介的能量形式中，以聲波方式傳輸所引起的能量損失最小，傳輸距離最遠。所以，目前水下對講通信系統都是先將聲信號放大，以驅動發射端換能裝置來發射大功率的聲波，然后再利用接收端換能裝置接收聲信號，進行信號分析處理，實現水下對講功能。然而，傳統的水下對講方案存在許多技術缺點:
1、換能器作為敏感元件，是水聲通信的關鍵器件，從目前的技術來看，換能器的靈敏度很難提高，這也是影響水聲對講系統接收靈敏度的重要因素。
[0003]2、發射端和接收端共用一組換能器，無法滿足發射過程和接收過程同時工作的需求，只能實現半雙工通信，而不能做到全雙工通信，影響通信效率。
[0004]3、由于接收換能器靈敏度較低，所以在發射端需要大幅度提高發射換能器的發射功率，才能在一定距離內接收到發射聲波，這便耗費大量電能。而在水下環境，系統無法及時得到電能補充，所以，很大程度上縮短了對講時長。
[0005]4、受接收換能器的靈敏度影響，系統接收靈敏度較低，影響了接收端和發射端之間的有效通信距離。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的技術問題是:
1、在水下對講系統的接收端，利用光纖探頭取代接收換能器，提高系統的接收靈敏度。
[0007]2、將水下對講系統的接收端與發射端換能裝置分離，使信號的接收過程與發射過程互不影響，進而可以實現全雙工通信，提高系統的通信效率。
[0008]3、在不影響系統通信距離的前提下，降低發射端的發射功率，節省能耗，延長系統的續航時間。
[0009]4、在保持與原本發射功率相同的條件下，擴大系統的通信距離。
[0010]本發明的目的采用下述的技術方案來實現:
一種基于光纖傳感技術的水下對講系統，所述系統包括設置在本地的發射端和設置在遠離所述發射端(這里稱之為遠處)的接收端，所述發射端包含音頻信號輸入單元、發射信號處理電路以及發射換能器，所述的接收端包含接收信號處理電路和音頻信號輸出單元，其特征在于:所述的接收端具有一包含光纖探頭的光纖光路，由其完成對水聲信號的探測，所述的接收信號處理電路分別與所述的音頻信號輸出單元以及所述的光纖光路相連；首先由所述設置在本地的發射端將聲音信號放大后驅動發射換能器，發射換能器將其以機械波的能量形式發射出去，經過水的傳播后達到設置在遠處的所述接收端，該接收端的光纖探頭受機械波的振動影響，發生形變，進而引起其中傳輸光的特性改變，完成信號接收，實現信號的單向發送；然后由所述的發射端發射聲波，經過水的傳播后到達本地的接收端，完成信號的單向接收，進而實現整個對講過程。
[0011]本發明基于光纖傳感技術的水下對講系統的特征還在于:所述的光纖光路包括: 光纖探頭，用以感受外界聲信號的加載，使其中的光纖發生形變，改變折射率，進而改
變傳輸光的特性，形成聲光調制；
光纖激光器，用以發射一定波長的激光，是整個光纖光路的光源；
光纖干涉儀，用以提供光隔離、分光、耦合、反射、干涉等功能，使具有相位差的傳感光和參考光在這里發生干涉，其輸出的干涉光記錄了外界變化的聲信號，具體反映在光強的變化上；
所述的光纖干涉儀的輸入端連接光纖激光器，該光纖干涉儀的一條光纖臂連接所述的光纖探頭；所述的光纖激光器發射的光波經過光纖干涉儀的分光作用，分為兩束相同的光波，其中一束光波經過光纖探頭所在的光纖臂，感受外界信號作用，另一束光波由另一條光纖臂傳播，保持原光特性，兩束光波再經過光纖干涉儀的耦合作用，發生干涉，形成干涉光強，即為光纖干涉儀的輸出。
[0012]進一步的，所述的接收信號處理電路包含光電轉換電路、振蕩電路、差分放大電路、模數轉換電路(AD轉換電路)以及DSP最小系統電路，其中:所述的DSP最小系統電路分別與所述的AD轉換電路以及所述的音頻信號輸出單元相連，光電轉換電路將光信號轉換成電信號并經過差分放大電路差分放大后傳輸至AD轉換電路；所述的振蕩電路產生特定頻率的正弦信號，并作差分放大、AD轉換后傳輸至所述的DSP最小系統電路，用以信號的解調，該DSP最小系統電路解調出的信號由音頻信號輸出單元輸出。
[0013]進一步的，所述的光纖探頭是由光纖盤繞而成的單層光纖圓盤。
[0014]所述的光纖干涉儀是Michelson光纖干涉儀。
[0015]所述的振蕩電路與所述的光纖激光器相連。
[0016]所述的音頻信號輸出單元與所述的DSP最小系統電路中的數字信號處理器(DSP)相連，用以將由該數字信號處理器(DSP)處理后的數字信號轉換成模擬信號，并由耳機輸出。
[0017]本發明所提供的方案是利用光纖傳感技術實現水聲信號的接收。在接收端利用光纖探頭來取代水聲對講機中的接收換能器，再配以適當的數字信號處理電路，形成新的接收模式。然后，與現有的發射端相結合，組成新的水下對講系統，以提高系統的多方面性能。
[0018]本發明提供的基于光纖傳感技術的水下對講系統具有如下的技術效果和優點:
1、本發明利用光纖光路取代傳統的接收換能器，提高了系統的靈敏度。
[0019]2、本發明所設計的水下對講系統將接收端與發射端換能裝置進行分離，使信號的接收與發射互不影響，實現全雙工通信。
[0020]3、本發明中所用的光纖探頭比傳統的水聲換能器具有更高的靈敏度，在不影響系統通信性能的條件下，可以降低發射端的發射功率，節省能耗，延長系統的續航時間。
[0021]4、本發明所設計的水下對講系統可以在更遠的區域探測到發射端所發射的振動信號，有效地擴大了系統的通信距離。
[0022]【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明水下對講系統功能模塊結構示意圖；
圖2是本發明發射信號處理電路的功能模塊結構圖；
圖3是本發明光纖光路結構示意圖；
圖4是本發明接收信號處理電路示意圖；
圖5是解調過程的數學模型；
圖6是光電轉換電路；
圖7是單端轉差分電路；
圖8是振蕩電路；
圖9是本發明系統信號流程圖。
[0024]_
【具體實施方式】
[0025]為使公眾進一步了解本發明所采用之技術、手段及其有益效果，特舉實施例并配合附圖詳細說明如下，相信當可由之得以深入而具體的了解。
[0026]本發明所闡述的水下對講系統整體框圖如圖1所示，其將整個系統分為發射端和接收端兩大部分。其中，所述的發射端設置在本地，而所述的接收端設置在遠離發射端(這里稱之為遠處)的接收端。所述發射端包含音頻信號輸入單元、發射信號處理電路以及發射換能器。音頻信號輸入單元利用麥克風來實現對空氣中聲音信號的拾取與轉換；發射信號處理電路對信號作發射前的預處理；發射換能器的作用是將攜帶聲信號的電信號轉換成振動信號，產生聲場。所述的接收端包含光纖光路、接收信號處理電路以及音頻信號輸出單元，所述的接收信號處理電路分別與所述的音頻信號輸出單元以及所述的光纖光路相連，用于將光信號轉換成電信號，以及對信號的后續處理；所述的光纖光路用于探測水下聲信號；音頻信號輸出單元利用耳機進行輸出。整個電源模塊為發射端和接收端提供所需的各種電源需求。通過上述環節即可實現語音信號的發射與接收，完成對講過程。
[0027]圖2是發射信號處理電路的功能模塊結構示意圖，包括了模數轉換電路(AD轉換電路)、數字信號處理電路、數模轉換電路(DA轉換電路)以及功率放大電路，整個電路完成將麥克風輸入的聲音信號調制到一定頻率的載波信號上，以滿足發射需求，并通過功率放大將已完成調制的模擬信號進行放大，來驅動發射換能器。所述的數字信號處理電路分別與AD轉換電路和DA轉換電路相連，所述的DA轉換電路的輸出經所述的功率放大電路放大后驅動發射換能器。
[0028]本實施例所述的光纖光路如圖3所示，包括光纖探頭、光纖激光器以及Michelson光纖干涉儀。光纖探頭是接收端的敏感元件，用以感受水中聲信號的加載，使所在光路的光波特性發生改變，改變折射率，進而改變傳輸光的特性，形成聲光調制，本實施例光纖探頭采用由光纖盤繞而成的單層光纖圓盤。所述的光纖激光器是整個光路的光源，用以發射特定頻率的光波。所述的Michelson光纖干涉儀將受外界信號加載的光波與未受外界信號加載的光波進行耦合，發生干涉效應，記錄外界變化的聲信號。所述的光纖干涉儀的輸入端連接光纖激光器，該光纖干涉儀的一條光纖臂連接所述的光纖探頭；所述的光纖激光器發射的光波經過光纖干涉儀的分光作用，分為兩束相同的光波，其中一束光波經過光纖探頭所在的光纖臂，感受外界信號作用，另一束光波由另一條光纖臂傳播，保持原光特性，兩束光波再經過光纖干涉儀的耦合作用，發生干涉，形成干涉光強，即為光纖干涉儀的輸出。
[0029]本實施例所述的接收信號處理電路如圖4所述，其包含光電轉換電路、振蕩電路、差分放大電路、模數轉換電路(AD轉換電路)以及DSP最小系統電路，所述的DSP最小系統電路包括數字信號處理器(DSP )、復位模塊、DDR2存儲器、JTAG接口、時鐘源、FLASH存儲器，其中:所述的光電轉換電路與所述的光纖干涉儀相連，由光電轉換電路將所述的干涉光信號轉換成電流信號并經過差分放大電路差分放大后傳輸至AD轉換電路；所述的振蕩電路產生特定頻率的正弦信號，與所述的光纖激光器相連，一方面傳輸給光纖激光器，調節其發射一定頻率的光波，另一方面產生本地信號，以完成后續的混頻操作；所述的差分放大電路用于提供AD轉換電路所需要的差分信號輸入，以獲得較高的采樣精度和采樣速率；所述的AD轉換電路用于實現信號的模數轉換，以待后續的數字信號處理；所述的數字信號處理器(DSP)分別與所述的AD轉換電路以及所述的音頻信號輸出單元相連，用于完成信號解調算法的實現，由該數字信號處理器(DSP)處理后的數字信號轉換成模擬信號，并由耳機輸出。所述的復位模塊用于防止DSP程序跑飛，及時復位；所述的DDR2存儲器是DSP外擴的數據存儲單元，用于在解調過程中對實時數據的存儲；所述的JTAG接口用于DSP程序的燒入；所述的時鐘源為DSP提供時鐘信號需求；所述的FLASH存儲器是DSP外擴的程序存儲模塊。
[0030]以下，進一步說明本發明的作用原理:
一、信號發射端
信號的發射端完成對麥克風信號的接收、AD轉換、信號調制，DA轉換以及功率放大。
[0031]首先，通過麥克風將語音信號轉換成電信號，電信號經過AD轉換成數字信號。數字信號處理電路利用DSP對語音信號進行調制，將其調制到某一頻率的載波上，再通過DA轉換為模擬信號，形成待發射信號。然后將待發射信號放大輸出并驅動發射換能器產生足夠的聲場，繼而完成語音信號的發送。
[0032]二、信號接收端
信號接收端實現信號的接收、聲光調制、光電轉換、解調以及信號輸出。如圖3、圖4所示。整個信號接收端包括光纖光路、接收信號處理電路兩大部分，進一步闡述如下:
(一)光纖光路
根據光的干涉理論可知，當兩束頻率相同、相位差恒定、振動方向也一致(偏振方向一致)的光波在空間中相遇時，便會形成一組明暗相間的干涉條紋，說明這兩束光發生了干涉。假設兩束干涉光的光強分別為I1和/2，當一路光束受外界信號干擾，產生相位差后，就會同另一路光束在相遇時發生干涉，那么，干涉場中的光強隨之發生變化，由此可見，由于外界物理信號引起了相位差的改變，從而引起干涉光強的改變。所以，只要我們能夠處理接收到的光纖干涉儀中的光強變化信息，就可以確定相干光的相位差，從而確定被測物理量的變化。換句話說，干涉光記錄了相干光的相位信息，也就是記錄了外界物理量。
[0033]如圖3所示，為Michelson光纖干涉儀的結構圖。激光光源為光纖激光器，OI是光隔離器，OC是2x2的光纖耦合器，用以分光及耦合，FRMl和FRM2分別是兩個光路末端的法拉第旋轉鏡，DE是光電管。光纖激光器發射特定頻率的光波，經光隔離器后進入耦合器，由耦合器分成兩束完全相同的光波。其中一路經過LI光路，去接收外接聲信號的振動作用，然后由法拉第旋轉鏡FRMl反射回光路。由于此路光波受外界振動信號作用，光波的相位發生了變化，攜帶外界待測聲信號，我們把這路光纖臂叫做信號臂(或叫傳感臂)；另一路光波經過L2光路，經法拉第旋轉鏡FRM2反射回來，此路光波并未受到外界聲信號的作用，將保持原有的光波特性，所以把這一路光纖臂叫做參考臂。反射回來的兩束光經過耦合器后發生干涉。由于光隔離器的隔離作用，干涉光并不會從OI路經過，而是直接進入光電管DE，進行光電轉換。
[0034]光波在光纖中傳播時，其相位受光纖波導的三個因素影響:物理長度、折射率的分布情況以及光纖波導的橫向尺寸。在圖四結構中，當光波通過干涉儀后，由于兩臂的長度LI和L2不等，所以由長度差引起的出射光波的相位相對延遲量為:
【權利要求】
1.一種基于光纖傳感技術的水下對講系統，所述系統包括設置在本地的發射端和設置在遠離所述發射端的接收端，所述發射端包含音頻信號輸入單元、發射信號處理電路以及發射換能器，所述的接收端包含接收信號處理電路和音頻信號輸出單元，其特征在于:所述的接收端具有一包含光纖探頭的光纖光路，由其完成對水聲信號的探測，所述的接收信號處理電路分別與所述的音頻信號輸出單元以及所述的光纖光路相連；首先由所述設置在本地的發射端將聲音信號放大后驅動發射換能器，發射換能器將其以機械波的能量形式發射出去，經過水的傳播后達到設置在遠處的所述接收端，該接收端的光纖探頭受機械波的振動影響，發生形變，進而引起其中傳輸光的特性改變，完成信號接收，實現信號的單向發送；然后由所述的發射端發射聲波，經過水的傳播后到達本地的接收端，完成信號的單向接收，進而實現整個對講過程。
2.根據權利要求1所述的基于光纖傳感技術的水下對講系統，其特征在于:所述的光纖光路包括: 光纖探頭，用以感受外界聲信號的加載，使其中的光纖發生形變，改變折射率，進而改變傳輸光的特性，形成聲光調制； 光纖激光器，用以發射一定波長的激光，是整個光纖光路的光源； 光纖干涉儀，用以提供光隔離、分光、耦合、反射、干涉等功能，使具有相位差的傳感光和參考光在這里發生干涉，其輸出的干涉光記錄了外界變化的聲信號，具體反映在光強的變化上； 所述的光纖干涉儀的輸入端連接光纖激光器，該光纖干涉儀的一條光纖臂連接所述的光纖探頭；所述的光纖激光器發射的光波經過光纖干涉儀的分光作用，分為兩束相同的光波，其中一束光波經過光纖探頭所在的光纖臂，感受外界信號作用，另一束光波由另一條光纖臂傳播，保持原光特性，兩束光波再經過光纖干涉儀的耦合作用，發生干涉，形成干涉光強，即為光纖干涉儀的輸出。
3.根據權利要求1所述的基于光纖傳感技術的水下對講系統，其特征在于:所述的接收信號處理電路包含光電轉換電路、振蕩電路、差分放大電路、模數轉換電路(AD轉換電路)以及DSP最小系統電路，其中:所述的DSP最小系統電路分別與所述的AD轉換電路以及所述的音頻信號輸出單元相連，光電轉換電路將光信號轉換成電信號并經過差分放大電路差分放大后傳輸至AD轉換電路；所述的振蕩電路產生特定頻率的正弦信號，并作差分放大、AD轉換后傳輸至所述的DSP最小系統電路，用以信號的解調，該DSP最小系統電路解調出的信號由音頻信號輸出單兀輸出。
4.根據權利要求2所述的基于光纖傳感技術的水下對講系統,其特征在于:所述的光纖探頭是由光纖盤繞而成的單層光纖圓盤。
5.根據權利要求2所述的基于光纖傳感技術的水下對講系統,其特征在于:所述的光纖干涉儀是Michelson光纖干涉儀。
6.根據權利要求3所述的基于光纖傳感技術的水下對講系統，其特征在于:所述的振蕩電路與所述的光纖激光器相連。
7.根據權利要求3所述的基于光纖傳感技術的水下對講系統，其特征在于:所述的音頻信號輸出單元與所述的DSP最小系統電路中的數字信號處理器相連，用以將由該數字信號處理器處理后的數字信號轉換成模擬信號，并由耳機輸出。
【文檔編號】H04B13/02GK103595489SQ201310548352
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】陶然, 黃海寧, 曾榮, 賀虎林, 劉學瑞, 肖蟄水 申請人:蘇州桑泰海洋儀器研發有限責任公司