一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及解調(diào)方法
【專利摘要】一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及解調(diào)方法,光纖水聽器時分復(fù)用陣列包括:窄線寬激光器、第一耦合器、第一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第一光纖延時環(huán)、第二耦合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、第一光電探測器、第二光電探測器、參考探頭和水聽器傳感陣列;傳感陣列采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),脈沖光通過延時環(huán)分時進入陣列的各個探頭,產(chǎn)生傳感光信號;參考探頭用于產(chǎn)生參考光信號;傳感光信號與參考光信號經(jīng)光電探測器采集后變?yōu)槟M電信號,通過信號解調(diào)模塊分別對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并由反正切的算法,解算出傳感陣列感知的水聲信號。
【專利說明】
一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖水聽器領(lǐng)域,特別是一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及 解調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖水聽器是現(xiàn)代聲納發(fā)展的一個重要方向,它是通過相位載波的方法將水中的 聲信號轉(zhuǎn)換為干涉光的相位信號,通過解調(diào)算法得到光的相位信息,從而獲得水聲信息。按 照解調(diào)方案劃分為有源零差法、3X3耦合器法、PGC法及外差法。信號解調(diào)方案的選擇及實 現(xiàn)方法不僅關(guān)系到檢測靈敏度、動態(tài)范圍等對于光纖水聽器來說十分重要的指標因數(shù),更 決定著陣列所采用的光路結(jié)構(gòu)。
[0003] 有源零差法在光纖水聽器系統(tǒng)的"濕端"增加有源器件,當(dāng)環(huán)境噪聲使傳感器電路 超出其動態(tài)范圍時,需要復(fù)位,而引入了附加噪聲;3 X 3耦合器法無需載波但其信號在低頻 段,受干擾較嚴重;目前制造的3 X 3耦合器性能對溫度和偏振態(tài)非常敏感,存在長期穩(wěn)定性 問題,不利于陣列的實用化;PGC法分為內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制,由于外調(diào)制在光纖水聽器系統(tǒng)的 "濕端"增加了有源器件,一般采用內(nèi)調(diào)制PGC法即調(diào)制激光器的方案,其光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單,載 波頻率較高,避免低頻干擾。但受光源穩(wěn)定性的限制,內(nèi)調(diào)制PGC方法不可能將調(diào)制頻率做 得很高,這就導(dǎo)致在檢測高頻、大幅度信號時出現(xiàn)頻率混疊問題。
[0004] 外差干涉式光纖水聽器的時分復(fù)用陣列一般采用"串聯(lián)"結(jié)構(gòu),即每一個探頭的傳 感部分又是下一個探頭的延時部分,串聯(lián)結(jié)構(gòu)使用的光學(xué)器件較少,陣列光路結(jié)構(gòu)簡潔,但 是若陣列中的某個探頭損毀會導(dǎo)致整個陣列不能工作;陣列中的每個探頭形式不同不利于 控制探頭的一致性;探頭既是傳感部分又是下一個探頭的延時部分,這樣傳感部分感知的 信號為后面的探頭帶來了串?dāng)_,將會影響時分復(fù)用陣列的性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:
[0006] 為了解決光纖水聽器高頻檢測、"濕端"全光化、光纖水聽器探頭一致性及光纖水 聽器時分復(fù)用陣列串?dāng)_問題,本發(fā)明提供一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及解調(diào) 算法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0008] -種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,包括:窄線寬激光器、第一耦合器、第 一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第一光纖延時環(huán)、第二耦合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、 第一光電探測器、第二光電探測器、參考探頭和水聽器傳感陣列;
[0009] 窄線寬激光器出射的連續(xù)激光通過第一耦合器分為兩路,兩束激光分別進入第一 聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器,被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調(diào)制器輸出的脈 沖激光經(jīng)過第一光纖延時環(huán)進行延時后輸入到第二耦合器,第二聲光調(diào)制器輸出的脈沖激 光直接輸入到第二親合器,第二親合器將兩束輸入脈沖激光進行親合后再分為兩束,將輸 出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器進入水聽器傳感陣列,由光纖水聽器傳感陣列反射回的 傳感光信號經(jīng)第一環(huán)形器到達第一光電探測器,第一光電探測器將輸出的電信號送入信號 解調(diào)模塊;第二耦合器輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器進入?yún)⒖继筋^,參考探頭產(chǎn) 生的參考光信號經(jīng)過第二環(huán)形器進入第二光電探測器,第二光電探測器將輸出的電信號送 入信號解調(diào)模塊,信號解調(diào)模塊根據(jù)接收到的兩路電信號解調(diào)出水聲信號。
[0010] 脈沖激光經(jīng)過所述的第一光纖延時環(huán)的時間大于等于脈沖激光的脈寬。
[0011] 參考探頭包括第三耦合器、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第二光纖延 時環(huán);
[0012] 進入?yún)⒖继筋^的脈沖激光經(jīng)過第三耦合器后分成兩路,一路脈沖激光經(jīng)過第一法 拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后回到第三耦合器中,另一路脈沖激光經(jīng)過第二光纖延時環(huán)后,再通過第 二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡進行反射,之后經(jīng)過第二光纖延時環(huán)進入第三耦合器中,第三耦合器將收 到的兩路反射信號進行耦合,輸出參考光信號到第二環(huán)形器。
[0013] 在第三親合器處親合的兩路反射信號的光程差與第一光纖延時環(huán)的長度相同。
[0014] 所述水聽器傳感陣列包括多組傳感探頭、多個第三光纖延時環(huán)和多個第四耦合 器;每個傳感探頭均包括第五耦合器、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四光纖延 時環(huán);
[0015] 第一環(huán)形器輸出的脈沖激光經(jīng)過第一個第四耦合器分成兩束,一束進入第一個傳 感探頭,另一束通過第一個第三光纖延時環(huán)進入第二個第四耦合器,經(jīng)過第二個第四耦合 器之后分成兩束,一束進入第二個傳感探頭,另一束通過第二個第三光纖延時環(huán)進入第三 個第四耦合器,依此類推,直到所有的傳感探頭均有脈沖激光進入;
[0016] 進入到每一個傳感探頭的脈沖激光經(jīng)過第五耦合器后分成兩路,一路脈沖激光經(jīng) 過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后回到第五耦合器中,另一路脈沖激光經(jīng)過第四光纖延時環(huán)后, 再通過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡進行反射,之后經(jīng)過第四光纖延時環(huán)進入第五耦合器中,第五耦 合器將收到的兩路反射信號進行耦合,輸出傳感光信號,每個傳感探頭輸出的傳感光信號 分時送入第一環(huán)形器中。
[0017]進入到每個傳感探頭的脈沖激光的光強相同。
[0018] 在第五耦合器處耦合的兩路反射信號的光程差、第三光纖延時環(huán)的長度以及第一 光纖延時環(huán)的長度相同。
[0019] 所述參考探頭的外部設(shè)有隔音、隔振的封裝。
[0020] 所述傳感探頭的外部設(shè)有增敏的封裝,用于拾取水聲信號。
[0021] -種基于外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列實現(xiàn)的解調(diào)方法,步驟如下:
[0022] (1)窄線寬激光器出射的頻率為fQ的連續(xù)激光通過第一耦合器分為兩路,兩束激 光分別進入第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器,被調(diào)制成頻率為fo+fjP頻率為fo+f 2的脈 沖激光;
[0023] (2)第一聲光調(diào)制器輸出的頻率為fo+h脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時環(huán)進行延時后 輸入到第二耦合器,第二聲光調(diào)制器輸出的頻率為fo+f2脈沖激光直接輸入到第二耦合器, 第二耦合器將兩束輸入脈沖激光進行耦合后再分為兩束;
[0024] (3)第二耦合器輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器進入水聽器傳感陣列的各個 傳感探頭中,由各個傳感探頭反射回的傳感光信號分時到達第一環(huán)形器,經(jīng)第一環(huán)形器之 后送入第一光電探測器,第一光電探測器將輸出的電信號送入信號解調(diào)模塊;
[0025] 第一光電探測器輸出的電信號為:Y^Cn+DnCOsPTrA/mpwm+tpn。],_
[0026] 其中,Ysn為第n個傳感探頭所對應(yīng)的第一光電探測器輸出的電信號,A € = ^2為 外差拍頻信號的頻率差,Cn為第n個傳感探頭的直流分量,Dn為第n個傳感探頭的交流項幅 值,t為時間;犯。表示第n個水聽器的初相位;q> sn(0表示第n個水聽器探頭檢測到的外界水聲 信號;
[0027] (4)第二耦合器輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器進入?yún)⒖继筋^,參考探頭 產(chǎn)生的參考光信號經(jīng)過第二環(huán)形器進入第二光電探測器,第二光電探測器將輸出的電信號 送入信號解調(diào)模塊;
[0028] 第二光電探測器輸出的電信號為:Yr=A+Bcos[27rA//+9r]
[0029] 其中,A為參考信號的直流分量,B為參考信號的交流項幅值,取表示參考探頭干涉 信號的初相位;
[0030] (5)信號解調(diào)模塊根據(jù)接收到的兩路電信號解調(diào)出水聲信號:
[0031] (5.1)對步驟(4)中的第二光電探測器輸出的電信號Yr進行A/D變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號,經(jīng)帶通濾波器濾除直流分量,得到參考信號:
[0032] yr=Bcos[2^A/^+(pi:]5
[0033]對上式進行移相90°,得到其正交參考信號:
[0034] ysr=Bsin[2?rA/z:+(pr];
[0035] (5.2)對第一光電探測器輸出的電信號Ysn進行A/D變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)帶通 濾波器濾除直流分量,得到傳感信號:
[0036] y sn=Dncos [2 /TA/H(psn( i)+q>n0]:
[0037] (5.3)將ysn與(5.1)中的兩式分別相乘,并進行低通濾波得到:
[0038] y,i,*yr=BHi lD:,cos[tpsn(i)+(pno-(pr];
[0039] ysnr^y, =-B^ D^sinttp.ndj-KPiKi-cp,-];
[0040] (5.4)將(5.3)中兩式相除,得到正切信號:
[0041 ] ytan=-taft[q>Sn(t)+q)n0-(pi]
[0042] (5.5)將(5.4)中ytang反正切,得到相位信號:
[0043] q)s"(t) = -arclan(ywi1)-(pn。十 fr:
[0044] (5.6)對相位信號(pdt)進行高通濾波,濾除水聽器傳感陣列第n個傳感探頭的初相 位糾。和參考探頭信號的初相位%,得到第n個探頭拾取水聲信號qv(t)。
[0045] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0046] (1)外差干涉式光纖水聽器通過控制聲光調(diào)制器的移頻頻率可以設(shè)置較高的載波 頻率,遠離低頻區(qū)域的干擾,具有較大的動態(tài)范圍可以檢測高頻聲信號;
[0047] (2)通過控制第一光纖延時環(huán)、第三光纖延時環(huán)和第四光纖延時環(huán)的長度,使得產(chǎn) 生載波信號的兩個不同頻率的脈沖光所經(jīng)過的光程相同,兩束光為等臂干涉,可以降低激 光器相位噪聲的影響。
[0048] (3)時分復(fù)用陣列中的每一個傳感探頭都是由無源光學(xué)器件組成,即由第三耦合 器、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和第四光纖延時環(huán)組成,實現(xiàn)水聽器濕端全光 化。每一個探頭采用同樣的設(shè)計及增敏封裝,可以控制探頭的一致性。
[0049] (4)通過控制第三光纖延時環(huán)的長度,脈沖光分時進入傳感探頭,第三光纖延時環(huán) 不敏感聲信號,不會帶入串?dāng)_;且每個探頭的敏感部分在各自探頭內(nèi)拾取水聲信號后直接 輸入到第二光電探測器,并未向下一級傳感探頭傳輸,此設(shè)計降低了探頭間串?dāng)_。
【附圖說明】
[0050] 圖1為本發(fā)明中外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列光路結(jié)構(gòu)圖;
[0051] 圖2為本發(fā)明中信號處理流程圖。
【具體實施方式】
[0052]本發(fā)明提供了一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及解調(diào)算法,如圖1所示, 光纖水聽器時分復(fù)用陣列包括:窄線寬激光器1、第一親合器2、第一聲光調(diào)制器3、第二聲光 調(diào)制器4、第一光纖延時環(huán)5、第二耦合器6、第一環(huán)形器7、第二環(huán)形器8、第一光電探測器9、 第二光電探測器10、參考探頭11和水聽器傳感陣列12;傳感陣列12采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),脈沖光通 過第三光纖延時環(huán)分時進入陣列的各個傳感探頭17,產(chǎn)生傳感光信號;參考探頭11用于產(chǎn) 生參考光信號;傳感光信號與參考光信號經(jīng)光電探測器采集后變?yōu)槟M電信號,通過信號 解調(diào)模塊分22別對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并由反正切的算法,解算出傳感陣列感知的水聲信號。 [0053]窄線寬激光器1出射的連續(xù)激光通過第一耦合器2分為兩路,兩束激光分別進入第 一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器4,被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調(diào)制器3輸出 的脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時環(huán)5進行延時后輸入到第二耦合器6,第二聲光調(diào)制器4輸出 的脈沖激光直接輸入到第二親合器6,第二親合器6將兩束輸入脈沖激光進行親合后,脈沖 激光經(jīng)過所述的第一光纖延時環(huán)5的時間大于等于脈沖激光的脈寬。這樣在第二耦合器6處 兩個脈沖光不發(fā)生干涉,形成具有固定時序的脈沖序列。
[0054] 第二耦合器6將輸出的一束脈沖光序列經(jīng)過第一環(huán)形器7進入水聽器傳感陣列12, 由光纖水聽器傳感陣列反射回的傳感光信號經(jīng)第一環(huán)形器7到達第一光電探測器9,第一光 電探測器9將輸出的電信號送入信號解調(diào)模塊22;第二親合器6輸出的另一束脈沖光序列經(jīng) 過第二環(huán)形器8進入?yún)⒖继筋^11,參考探頭產(chǎn)生與傳感信號同頻的參考光信號用于水聲信 號的解調(diào)。參考探頭11產(chǎn)生的參考光信號經(jīng)過第二環(huán)形器8進入第二光電探測器10,第二光 電探測器10將輸出的電信號送入信號解調(diào)模塊22,信號解調(diào)模塊22根據(jù)接收到的兩路電信 號解調(diào)出水聲信號。
[0055]參考探頭11包括第三耦合器13、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15和第 二光纖延時環(huán)16;
[0056]進入?yún)⒖继筋^11的脈沖激光經(jīng)過第三耦合器13后分成兩路,一路脈沖激光經(jīng)過第 一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14反射后回到第三耦合器13中,另一路脈沖激光經(jīng)過第二光纖延時環(huán)16 后,再通過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15進行反射,之后經(jīng)過第二光纖延時環(huán)16進入第三耦合器13 中,第三耦合器13將收到的兩路反射信號進行耦合,輸出參考光信號到第二環(huán)形器8。在參 考探頭內(nèi)使用法拉第旋轉(zhuǎn)鏡抑制傳感光信號的偏振衰落。
[0057]在第三親合器13處親合的兩路反射信號的光程差與第一光纖延時環(huán)5的長度相 同。這樣由第一聲光調(diào)制器3輸出的脈沖光經(jīng)過第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14反射后與第二聲光調(diào) 制器4輸出的脈沖光經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡15反射后所經(jīng)歷的光程的長度相同,兩個不同 頻率的脈沖光,在第三耦合器13處發(fā)生拍頻,作為參考光信號。參考探頭11外部設(shè)有隔音、 隔振封裝,隔絕外部聲音和振動對參考光信號相位信息的影響。
[0058] 所述水聽器傳感陣列12包括多組傳感探頭17、多個第三光纖延時環(huán)18和多個第四 耦合器19;每個傳感探頭17均包括第五耦合器20、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21、第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡 22和第四光纖延時環(huán)23;由上述部分組成的水聽器傳感陣列12具有在濕端無源、全光化特 點。
[0059] 第一環(huán)形器7輸出的脈沖激光經(jīng)過第一個第四耦合器19分成兩束,一束進入第一 個傳感探頭17,另一束通過第一個第三光纖延時環(huán)18進入第二個第四耦合器19,經(jīng)過第二 個第四耦合器19之后分成兩束,一束進入第二個傳感探頭17,另一束通過第二個第三光纖 延時環(huán)18進入第三個第四耦合器19,依此類推,直到所有的傳感探頭17均有脈沖激光進入; 脈沖激光通過第三光纖延時環(huán)18分時依次進入傳感探頭17;第四耦合器19的分光比例與傳 感探頭的個數(shù)有關(guān),使得進入每個傳感探頭的光功率相同;
[0060] 進入到每一個傳感探頭17的脈沖激光經(jīng)過第五耦合器20后分成兩路,一路脈沖激 光經(jīng)過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21反射后回到第五耦合器20中,另一路脈沖激光經(jīng)過第四光纖延 時環(huán)23后,再通過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡22進行反射,之后經(jīng)過第四光纖延時環(huán)23進入第五耦 合器20中,第五耦合器20將收到的兩路反射信號進行耦合,輸出傳感光信號,每個傳感探頭 17輸出的傳感光信號分時送入第一環(huán)形器7中。
[0061] 傳感探頭中的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡用于抑制偏振衰落,在第五耦合器處耦合的兩路反射 信號的光程差與第一光纖延時環(huán)5的長度相同,這樣由第一聲光調(diào)制器3輸出的脈沖光經(jīng)過 第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21反射后與第二聲光調(diào)制器4輸出的脈沖光經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡22反 射后所經(jīng)歷的光程的長度相同,兩個不同頻率的脈沖光,在第三耦合器20處發(fā)生拍頻,作為 傳感光信號。兩個脈沖光的拍頻是等臂干涉,可以降低激光器的相位噪聲;每個傳感探頭17 產(chǎn)生傳感光信號之間的時間間隔與第三光纖延時環(huán)18的長度有關(guān);第三光纖延時環(huán)18的長 度與第一光纖延時環(huán)的長度相同,這樣保證每個傳感探頭的傳感信號不會相互干擾,且每 個傳感探頭的敏感部分在各自探頭內(nèi)拾取水聲信號后直接輸入到第二光電探測器,并未向 下一級傳感探頭傳輸,降低了探頭間串?dāng)_。所述傳感探頭17的外部設(shè)有增敏封裝,用于拾取 水聲信號。
[0062] 如圖2所示,基于上述水聽器陣列,本發(fā)明還提出一種基于外差干涉式光纖水聽器 時分復(fù)用陣列實現(xiàn)的解調(diào)方法,步驟如下:
[0063] 1、窄線寬激光器1出射的頻率為fQ的連續(xù)激光通過第一耦合器2分為兩路,兩束激 光分別進入第一聲光調(diào)制器3和第二聲光調(diào)制器4,被調(diào)制成頻率為fo+fjP頻率為fo+f 2的 脈沖激光;
[0064] 2、第一聲光調(diào)制器3輸出的頻率為^+心脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時環(huán)5進行延時 后輸入到第二耦合器6,第二聲光調(diào)制器4輸出的頻率為fo+f2脈沖激光直接輸入到第二耦合 器6,第二耦合器6將兩束輸入脈沖激光進行耦合后再分為兩束;
[0065] 3第二耦合器6輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器7進入水聽器傳感陣列12的各 個傳感探頭17中,由各個傳感探頭17反射回的傳感光信號分時到達第一環(huán)形器7,經(jīng)第一環(huán) 形器7之后送入第一光電探測器9,第一光電探測器9將輸出的電信號送入信號解調(diào)模塊22;
[0066] 第一光電探測器9輸出的電信號為:⑴,
[0067] 其中,Ysn為第n個傳感探頭17所對應(yīng)的第一光電探測器9輸出的電信號,A € =心-f2為外差拍頻信號的頻率差,由聲光調(diào)制器的移頻頻率決定,通過設(shè)置移頻頻率的置達到 較高的載波頻率,可以檢測高頻的聲信號,C n為第n個傳感探頭的直流分量,Dn為第n個傳感 探頭的交流項幅值,t為時間;。表示第n個水聽器的初相位,與第n個水聽器所處的環(huán)境有 關(guān),是一個低頻的慢變量;q> snW表示第n個水聽器探頭檢測到的外界水聲信號;
[0068] 4、第二耦合器6輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器8進入?yún)⒖继筋^11,參考探 頭11產(chǎn)生的參考光信號經(jīng)過第二環(huán)形器8進入第二光電探測器10,第二光電探測器10將輸 出的電信號送入信號解調(diào)模塊22;
[0069] 第二光電探測器10輸出的電信號為:Yr=A+Bt:〇S[2;r/VH (Pr]
[0070] 其中,A為參考信號的直流分量,B為參考信號的交流項幅值,叫表示參考探頭11干 涉信號的初相位;
[0071] 5、信號解調(diào)模塊22根據(jù)接收到的兩路電信號解調(diào)出水聲信號:
[0072] 5.1、對步驟4中的第二光電探測器10輸出的電信號Yr進行A/D變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號,經(jīng)帶通濾波器濾除直流分量,得到參考信號:
[0073] yl--B:q〇s:[27r4#+(Pr];
[0074]對上式進行移相90°,得到其正交參考信號:
[0075] ySr=Bsirt[2jr4#+cpr];
[0076] 5.2、對第一光電探測器9輸出的電信號Ysn進行A/D變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)帶通 濾波器濾除直流分量,得到傳感信號:
[0077] ysn=D"cos[27rzVM-⑴十(pnn:l;
[0078] 5.3、將ysn與5.1中的兩式分別相乘,并進行低通濾波得到:
[0079] yM,H,yr=B:i5D, 1cos[cp,!,(i)+(pllli-(pr];
[0080] ySi,,.:!syr 二-B^DjinOpJO+qw%];
[00811 5.4、將5.3中兩式相除,得到正切信號:
[0082] .y.ta〇= 4an[(ps"(1.)~Kpllu-(pr]
[0083] 5 ? 5、將5 ? 4中7伽經(jīng)反正切,得到相位信號:
[0084] (^(t) = -arctanCytan^cpno+cpr
[0085] 5.6、由于水聽器傳感陣列12第n個傳感探頭17的初相位他。和參考探頭11信號的 初相位%,為低頻慢變量,通過對相位信號(p sn?進行高通濾波,得到第n個探頭拾取水聲信 號 tpsri(t):。
[0086] 以8陣元為例描述外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列及解調(diào)算法的實現(xiàn):
[0087] 第一聲光調(diào)制器的移頻頻率為200MHz,第二聲光調(diào)制器的移頻頻率為199.94MHz; 載波頻率為60kHz,脈沖頻率為360kHz,脈沖寬度為120ns;第一光纖延時環(huán)5的長度為30米, 脈沖光經(jīng)過第一延時光纖的時間為145ns大于脈沖的寬度,第一聲光調(diào)制器出射的脈沖光 與第二聲光調(diào)制器出射的脈沖光在第二親合器6處不發(fā)生干涉,形成有145ns間隔的一對脈 沖光。
[0088]針對8陣元時分復(fù)用陣列,由8個第四耦合器、7個第三光纖延時環(huán)和8個傳感探頭 組成,探頭間為并聯(lián)結(jié)構(gòu);其中,第三光纖延時環(huán)的長度為30米,這樣既能保證脈沖光分時 進入各個傳感探頭,又使得探頭間的傳感光信號不相互干擾;第四耦合器的分光比分別為 1 /8、1 /7、1 /6、1 /5、1 /4、1 /3、1 /2和1 /1,這樣保證進入每個傳感探頭的光功率相同。
[0089]在每個傳感探頭內(nèi)光信號由第五耦合器到第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離與光信號由 第五耦合器經(jīng)第四光纖延時環(huán)到第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離差為15米,這樣設(shè)計可以保證由 第一聲光調(diào)制器輸出的脈沖光經(jīng)過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后與第二聲光調(diào)制器輸出的脈 沖光經(jīng)過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后所經(jīng)歷的光程的長度相同,兩個不同頻率的脈沖光,在 第五耦合器處發(fā)生拍頻,作為傳感光信號。
[0090] 針對參考探頭光信號由第三耦合器到第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離與光信號由第三 耦合器經(jīng)第二光纖延時環(huán)到第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的距離差為15米,這樣設(shè)計可以保證由第一 聲光調(diào)制器輸出的脈沖光經(jīng)過第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后與第二聲光調(diào)制器輸出的脈沖光 經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡反射后所經(jīng)歷的光程的長度相同,兩個不同頻率的脈沖光,在第三 耦合器處發(fā)生拍頻,作為參考光信號。
[0091] 實施例:
[0092] 傳感光信號與參考光信號經(jīng)第一光電探測器與第二光電探測器后進入數(shù)字解調(diào) 模塊,數(shù)字解調(diào)模塊由高速數(shù)字處理器組成,以FPGA與DSP為例,F(xiàn)PGA進行傳感信號與參考 信號的預(yù)處理,即信號的選取、帶通濾波、相乘和低通濾波;信號選取通過60kHz的脈沖信號 觸發(fā)實現(xiàn)。通過帶通濾波器獲得頻率為60kHz參考信號y r及每一路的傳感信號ysn,使用通帶 為50kHz~70kHz的500階FIR濾波器;正交參考信號y sr通過對參考信號進行希爾伯特變換得 到;傳感信號分別與參考信號和正交參考信號相乘,低通濾波為了去除信號相乘之后的高 頻量,得到y(tǒng) sn*yr和ysnr*yr,使用阻帶為10kHz,通帶為5kHz的200階FIR低通濾波器;在DSP內(nèi) 部進行y sn*yr和ysnr*yr兩路信號的相除、反正切運算和高通濾波。相除和反正切運算通過 DSP自帶的反正切函數(shù)實現(xiàn),函數(shù)的計算精度是雙精度浮點;高通濾波是為了濾除⑴中 低頻慢變量料。和私,使用阻帶為0.1Hz,通帶為10Hz的1500階FIR高通濾波器。通過上述高速 數(shù)字系統(tǒng)處理傳感信號與參考信號后得到水聲信號q> sn(t)。
【主權(quán)項】
1. 一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于包括:窄線寬激光器(1 )、第 一耦合器(2)、第一聲光調(diào)制器(3)、第二聲光調(diào)制器(4)、第一光纖延時環(huán)(5)、第二耦合器 (6)、第一環(huán)形器(7)、第二環(huán)形器(8)、第一光電探測器(9)、第二光電探測器(10)、參考探頭 (11)和水聽器傳感陣列(12); 窄線寬激光器(1)出射的連續(xù)激光通過第一耦合器(2)分為兩路,兩束激光分別進入第 一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4),被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光;第一聲光調(diào)制器 (3)輸出的脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時環(huán)(5)進行延時后輸入到第二親合器(6),第二聲光 調(diào)制器(4)輸出的脈沖激光直接輸入到第二耦合器(6),第二耦合器(6)將兩束輸入脈沖激 光進行耦合后再分為兩束,將輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器(7)進入水聽器傳感陣 列(12),由光纖水聽器傳感陣列反射回的傳感光信號經(jīng)第一環(huán)形器(7)到達第一光電探測 器(9),第一光電探測器(9)將輸出的電信號送入信號解調(diào)模塊(22);第二親合器(6)輸出的 另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進入?yún)⒖继筋^(11),參考探頭(11)產(chǎn)生的參考光信號 經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進入第二光電探測器(10),第二光電探測器(10)將輸出的電信號送入 信號解調(diào)模塊(22),信號解調(diào)模塊(22)根據(jù)接收到的兩路電信號解調(diào)出水聲信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:脈沖 激光經(jīng)過所述的第一光纖延時環(huán)(5)的時間大于等于脈沖激光的脈寬。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:參考 探頭(11)包括第三耦合器(13 )、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(14 )、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(15)和第二光 纖延時環(huán)(16); 進入?yún)⒖继筋^(11)的脈沖激光經(jīng)過第三耦合器(13)后分成兩路,一路脈沖激光經(jīng)過第 一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(14)反射后回到第三耦合器(13)中,另一路脈沖激光經(jīng)過第二光纖延時環(huán) (16)后,再通過第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(15)進行反射,之后經(jīng)過第二光纖延時環(huán)(16)進入第三 耦合器(13)中,第三耦合器(13)將收到的兩路反射信號進行耦合,輸出參考光信號到第二 環(huán)形器(8)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:在第 三親合器(13)處親合的兩路反射信號的光程差與第一光纖延時環(huán)(5)的長度相同。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:所述 水聽器傳感陣列(12)包括多組傳感探頭(17)、多個第三光纖延時環(huán)(18)和多個第四耦合器 (19);每個傳感探頭(17)均包括第五耦合器(20 )、第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(21 )、第四法拉第旋轉(zhuǎn) 鏡(22)和第四光纖延時環(huán)(23); 第一環(huán)形器(7)輸出的脈沖激光經(jīng)過第一個第四耦合器(19)分成兩束,一束進入第一 個傳感探頭(17),另一束通過第一個第三光纖延時環(huán)(18)進入第二個第四耦合器(19),經(jīng) 過第二個第四耦合器(19)之后分成兩束,一束進入第二個傳感探頭(17),另一束通過第二 個第三光纖延時環(huán)(18)進入第三個第四耦合器(19),依此類推,直到所有的傳感探頭(17) 均有脈沖激光進入; 進入到每一個傳感探頭(17)的脈沖激光經(jīng)過第五耦合器(20)后分成兩路,一路脈沖激 光經(jīng)過第三法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(21)反射后回到第五耦合器(20)中,另一路脈沖激光經(jīng)過第四光 纖延時環(huán)(23)后,再通過第四法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(22)進行反射,之后經(jīng)過第四光纖延時環(huán)(23) 進入第五耦合器(20)中,第五耦合器(20)將收到的兩路反射信號進行耦合,輸出傳感光信 號,每個傳感探頭(17)輸出的傳感光信號分時送入第一環(huán)形器(7)中。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:進入 到每個傳感探頭(17)的脈沖激光的光強相同。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:在第 五親合器(20)處親合的兩路反射信號的光程差、第三光纖延時環(huán)(18)的長度以及第一光纖 延時環(huán)(5)的長度相同。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:所述 參考探頭(11)的外部設(shè)有隔音、隔振的封裝。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列,其特征在于:所述 傳感探頭(17)的外部設(shè)有增敏的封裝,用于拾取水聲信號。10. -種基于權(quán)利要求1所述的外差干涉式光纖水聽器時分復(fù)用陣列實現(xiàn)的解調(diào)方法, 其特征在于步驟如下: (1) 窄線寬激光器(1)出射的頻率為f〇的連續(xù)激光通過第一耦合器(2)分為兩路,兩束激 光分別進入第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4),被調(diào)制成頻率為fo+fjP頻率為f〇+ f 2的脈沖激光; (2) 第一聲光調(diào)制器(3)輸出的頻率為^+心脈沖激光經(jīng)過第一光纖延時環(huán)(5)進行延時 后輸入到第二耦合器(6),第二聲光調(diào)制器(4)輸出的頻率為f Q+f2脈沖激光直接輸入到第二 親合器(6),第二親合器(6)將兩束輸入脈沖激光進行親合后再分為兩束; (3) 第二耦合器(6)輸出的一束脈沖激光經(jīng)過第一環(huán)形器(7)進入水聽器傳感陣列(12) 的各個傳感探頭(17)中,由各個傳感探頭(17)反射回的傳感光信號分時到達第一環(huán)形器 (7),經(jīng)第一環(huán)形器(7)之后送入第一光電探測器(9),第一光電探測器(9)將輸出的電信號 送入信號解調(diào)模塊(22); 第一光電探測器(9)輸出的電信號為:⑴+qv], 其中,Ysn為第n個傳感探頭(17)所對應(yīng)的第一光電探測器(9)輸出的電信號,A 為外差拍頻信號的頻率差,Cn為第n個傳感探頭的直流分量,Dn為第n個傳感探頭的交流項幅 值,t為時間,。表示第n個水聽器的初相位;f sn(t)表示第n個水聽器探頭檢測到的外界水聲 信號; (4) 第二耦合器(6)輸出的另一束脈沖激光經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進入?yún)⒖继筋^(11),參 考探頭(11)產(chǎn)生的參考光信號經(jīng)過第二環(huán)形器(8)進入第二光電探測器(10),第二光電探 測器(10)將輸出的電信號送入信號解調(diào)模塊(22); 第二光電探測器(10)輸出的電信號為:YfA+BcosPM/mpr] 其中,A為參考信號的直流分量,B為參考信號的交流項幅值,表示參考探頭(11)干涉 信號的初相位; (5) 信號解調(diào)模塊(22)根據(jù)接收到的兩路電信號解調(diào)出水聲信號: (5.1)對步驟(4)中的第二光電探測器(10)輸出的電信號Yr進行A/D變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號,經(jīng)帶通濾波器濾除直流分量,得到參考信號: yr=Bcos[27rA//+(pr]; 對上式進行移相90°,得到其正交參考信號: ysr=Bsin[27F4#+^Pr];: (5.2) 對第一光電探測器(9)輸出的電信號Ysn進行A/D變換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,經(jīng)帶通濾 波器濾除直流分量,得到傳感信號: vsll=Dncos [27rA//+cp,n(l )+(,〇""]; (5.3) 將ysn與(5.1)中的兩式分別相乘,并進行低通濾波得到: y^y-fl^DnCOsI^,⑴十 >\nr^yr =-B^D"sin[tp,11(l)-H(pm!-(pr]: (5.4) 將(5.3)中兩式相除,得到正切信號: ytaf 4an [(pvn ⑴+(|)m,-(pJ (5.5) 將(5.4)中y tang反正切,得到相位信號: q>sn(t) = -arctan(ytan)-q)nD+q)r (5.6) 對相位信號qv(t)進行高通濾波,濾除水聽器傳感陣列(12)第n個傳感探頭(17)的 初相位%。和參考探頭(11)信號的初相位%,得到第 n個探頭拾取水聲信號(psn(t)。
【文檔編號】G01H9/00GK106052843SQ201610649947
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月9日 公開號201610649947.4, CN 106052843 A, CN 106052843A, CN 201610649947, CN-A-106052843, CN106052843 A, CN106052843A, CN201610649947, CN201610649947.4
【發(fā)明人】張磊, 郝良彬, 張海巖, 李振, 鄭百超, 王海亮, 侯振興, 于文鵬
【申請人】北京航天控制儀器研究所