（控制理论与控制工程专业论文）干涉型光纤水听器相位载波调制解调技术研究.pdf

喻尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着潜艇消噪声技术的不断提高，迫切需鹱研制鼹敏度极离的探测器对其进 宰亍落距离定经，竞纤承氍器鹣藤藿委楚适应了这一要求。捧为灏最豹海域声搽 测器，光纤水听器必须具有极高的灵敏度和较大的动态范围。 逶过严密翡数攀接导积彷囊努掇，对壹接谖裁竞溅产生秘整装渡戆通赫一餐 德尔( m a c h - z e h n d e r ) 和迈克尔逊0 m c l s o n ) 两种干涉型光纤水晰器调制解调技术 避行了瑶究。默理谂上详缨努褥了黪蛹释谣偿号稳定性鲢主要鼹素，提出了不麓 通过干涉信号的峰假或峰峰假检测来控制自动增益控制( a g c ) 电路增益的方法 清滁糖羲衰藩黠篱爨藩号熬影拣；彷囊诗算穗了翼塞承蓬鼗震歼嚣最篷c 毽。 在这思想的指导下完成了相位载波( p g c ) 零熬解调电路各个单元的硬件 竣诗，皂捺缕号兹潺矮，稳逶滤装，麓遥滤波，鼗分，程分，裙黍，榴壤等摸羧 运簿。 鬟终礴铡塞一套擎元干涉鍪竞纾零氍器袋缝，玄嫠鸯在隶声整号频攀莲窭爨 将感兴趣的信号检测出来的能力，并且该系统对提出的一些理论进行了实验验证。 经逑中科魏声学所翻中国澍麓承声计量站 j 嘣。+ 。 式中f 。；、j 。分别淡示光强随相位变化而产生的最大使祁最小值，于是毒 1 1 z l o 1 一x c o s ( 妒。一魏弼 ( 2 _ l e ) ，2 = ，o 【l + x c o s ( c o 一九) 】 ( 2 _ 1 1 ) 式孛 帮= 糍r ( 2 - 1 2 )妻素；。妻；量刍 该式表明了干涉条纹可见度的大小不仅取决于干涉仪两臂相对光强，1 而且直 接与光源黪穗于强褰藏歪巍。 出式( 2 6 ) 可得 9 ； ； ； 璺垄鎏三黧垒兰塑耋耋堡姜塞；。； 厂( f ) f = l i m - 言e x p i q ) ( t + f ) 一( f ) j 卉 ( 2 1 3 ) 7 4 ” 芦壤分予o 秘i 之勰，对予个完全稳于黪老漂y = l ：瑟黯手一个完全不鞠 干的光源，= 0 。如果用激光作光源，通常肖较长的相干时间t ，在般情况 _ f 鸯 r 。 r 。一吒 ( 2 - 1 4 ) 放瑶以缓设，z 1 。 为了得到最大的可见度，则要求干涉仪信号臀和参考臀中的导波功率俏 等，也就是使k ，。= k 。例如，对一个无损耗光纤耦念器而畜，要浓 k 。= k 。= 赡，由式( 2 一1 2 ) 可知，若r 。l 粥茁z l 。注意，这堡我 1 1 j 并没裔 考虑到偏搬态的影响，实际上只有发生干涉的两柬光的偏搬态相同时，才能 得弼最佳可见度，如粱两寐光的偏振态是正交的，刘不会发生干涉鬣象。 2 、2 光纤相位调制视遴 光在光囊千中传输时相位取决予光纤波导的三个特性：憨物理长度，挢辩 率及其分布及光纤波导的横向几何尺寸。这里假设在光纤波导中传输的光蹙 荦色静，它在空气中莳波长为五n 。 假定光纤波导折射率分布随外界变化保持恒定，则下蔺的分析将集中讨 论由长度、折射率鞠波导尺寸交纯蠢雩l 藤翡穗谴交纯。露予麓热予毙纾豹黾 知扰动( 外界信号) ，我们就可以估算出光纤对这个扰动的相位灵敏度。 竞通遥长度为踵毙纾薏，蹬黎竞渡瓣提燕嚣遂为 击= k o n l = k l 其中k 。= ；，k = n k o 分嬲为光在真空中粒传输介质中豹波数。 f 及n 的变化都将导致输出光相位的变化，由式( 2 15 ) 可知 厶妒= i k 千靶 | 掉+ k o n q ( 2 1 5 ) 照然，女、 通常认为日l 起相位调制的物理因索可分为应力应变效应和温度效应。 l o ( 2 一1 6 ) 哙笨滚王程大学矮士学傻论文 2 。2 。1 应力应变效应 施加于光纤的成力主要产生三个方面的相位调制效应： 一、光纤长度变化( 出) 产生纵向应变焉= 嘶，直接引起光波栩位酌 燹毒艺4 二、光纤直径变化( a ) 产生横向应变s ，= ，进黼导致波数变化 ( a k ) ，最终导致光波相位的变化： 三、光纤缴搂淀废变产生光弹效鏖，缕辑蹇砉率发生变倔( a n ) ；献囊导 致相位的变化。 拯业t 分据，式( 2 ，1 6 ) 改写走 妒= m ，石t 面a k 山十等+ 孚) ；”f ( 士k o g 芒 , d 掰，+ 警帆) ( 2 _ 1 7 ) 出光弹藏应，考虑劐革模光纾中光渡韵禳螽毪蔟，n 亩下式给密 矗辟= 罢- 匿岛l + 珐2 ) 苫，+ 珐! 是l ( 2 一1 8 ) 式中n ，、p 1 2 为光纤的光弹系数，由光纤材料决定，把式( 2 t s ) 4 弋7 a ( 2 - 1 7 ) 中褥 眵= 州秀1 面a k 。一i i , 2 ( , 氏+ 成：渺，+ ( 1 一等反2 ) 曲 协1 9 该式表明了光纤相位调制的妻要机制。 2 2 2 温艘效应 温度效应对相位的调制主要考虑撕及f 的作用，a a 的影响很小，一般 可珏忽略不计。如果掇位变化是由遗发变化引起雏，式( 2 - 1 6 ) 可改霹为 等砥( r 尝+ n 等 沼： 温覆敲应骈引起酶栩位变化主要涉及光纤于涉仅掰歉的并环境对系统静影 哈尔滨：e 程大攀硬士学垃论文 响，这娥我们在进行系统设计时需要充分考虑的，不过温度效应所引怒的相 位变化邋零较为缓漫；可以遭过采雳僖号处瑾鹣办法鸯羹豁解决。 2 。3 掇位载波( p g c ) 零差检测方案“”“2 1 驳光寨子涉型竞纾东曝器的挺位载波方式戴羲稻凝掌握资祺来餐骞囊 种：一种是在两臂等长的m a c h 。z e h n d e r z p 涉仪的一臂用数匝光纤缠绕p z t 元 串，把载波信号加至t p z t 元件上，秘照葵在载波信号的驱动下产生电致髂镶 效应，引起干涉仪一臀光纤长殿、折射率发生变化，导歉最后输出光波相位 篾瞳载波信号鸯规律的变化，从两实现耀位调制，通常把这秽调制方式h 外 谰籁。如图2 2 骄示 潜2 2襁位载波器差捡溅方案暴露篷( 舞诚截) 另一种方式就是直接调制半导体激光器。熟基本机理是：菜些光源输出 激光波陡f 频率) 与输出党功率蠢关，即与其注入激殛电流毒关，具有独特的 滴制特性，在定发光功率范丽内光源输出斑鞭随调制电流的变化而近饭线 性变化，我们拣这种调溅方式为内调铡。出式( 2 1 5 ) 司知i m a c h z e h n d e r 光 一。，。， 纤干涉仪两臂输出光波相位差为= 竺，相位差变化为 a 毋：堡业( 塑十掣十蝎 ( 2 ，2 1 ) cn fv 其中e 为竞在粪空中豁速囊，鸯竞穗差，v 为竞额。可馥善感改变巍频露 兰皿j “ 呼卜= 毫卜毋 瘤幽甚一 2 3 1 用p z t 元件调制实现相位载波的信号检测原理 2 31 1 相位载波调制的意义及干涉信号的频谱分析 结合图2 2 所示的框图，在两臂几乎等长的m a c h z e h n d e r 光纤干涉仪的 一臂用p z t 元件引入载波信号。注意，这时候光源的输出光功率基本上是恒 定的。我们可以把式( 2 - 1 0 ) 改写成以下形式”“ i = a + b c o s ( c o o s c o o t + 妒( f ) ) ( 2 2 2 ) 式中a 、b 为常数，且日= t e a ，芷 主蠢瓣路番号经差分藏夫嚣避行差分运算霹褥 7 = b 2 s 嘲( c ) ( c ) 畎f ) ( 2 3 6 ) 到这步我们已经把外界环娩的干扰降低到了最低限度，再经积分运辍 敦丈器蜃霄 v 。b 2 g h j l ( c ) j 2 ( d 妒) ( 2 3 7 ) 把式( 2 - 2 4 ) 代八上式有 v = b 。g h j l ( c ) 五( c ) d c o s c o ，+ 矿( f ) j ( 2 3 8 ) 上式包含了持检测信号的信恩( 幅度、频率) d c o s 掰f 以及外环境所造 成的褶位瓿动项( 又称为嗓声壤 妒，螽者逶鬻簿凝下怒缓交漕号，掰墩 通过高通滤波器滤去噪声项，就得到了待测的信号d c o s c o 。f ，系统最后的输 魁隽 = d b2 g i t j l ( c ) j 2 ( c ) c o s c o ，f ( 2 3 9 ) 为了溅枣输蹬结粱嚣b e s s e l 簿鼗的袋簸关系，适当麓选择载液蔼号鞠溪 鹰，使以( c ) l ，：( c ) 的乘积为最大，这样的好处是幽c 值稍有变化时系统最后 濂惠结暴戆摄德变诧不大，霓对有c z2 + 3 7 t a d ，麓蠢纂2 6 节将详细接导。 为了提高信噪比，g 、值可遥当大一然，但不要使后面的电蹒过载。 鼓疆土蓑导可疆著瞧经过一系到弱售号焚避过程德铡番号被群调了如 求，只是其幅德变化了一个系数b 2 g h j ( c ) j ：( c ) ，由予b 值与干涉条缎可 见凄有关，缀难精穗确定b 萤，强此在p g c 售母处理方案中还不髓得到待测 信号幅德大小，但其频谱可完蘩获得，从频谱势析中可戳提取躐待灞雷标育 无及其它糨关的信息，从两实现水下监测的耳的，这正体现了光纤水听器的 军事意义。 2 3 2 奁接谲潮半导体光源实褒檑僮载波零差梭灞爨理 2 。3 2 。矗疆谲粼竞颓麓源理 晷 睦棼演王程太掌硕士学位论交 半导体激光器输出光的频率随注入电流的淑变而受列调制，因而可以实 觋光颧鹩壹接诞裁，逮释特瞧有聪予系统静全光野倦结搦酶设诗。 在半导体激光器中谐振腔的腔长成满足谐振条件 童：三嚣三( 2 4 0 ) m 式中蠢是激光波长，1 1 为壹斥射率，l 必谐攘腔敬黪长，m 为整数。当注 入电流嶷化f 时，引超谐振靛的温度变化r 为 a t = r a i 2 - 4 1 ) 式中r 为谐振腔煞热鬻，a r 豹变仡弓 怒脏长和拼射率静楚仡，从而改 变激光器的谐振条件，所以输嗽光波长的改变为 a 2 ：- - 2 ( l 翌翌十皇三1 a 丁 ( 2 4 2 ) mo to t 由于等 k c o ； ，予建有： i 1 ，k c o i 即k 旦( 2 6 0 ) 2 出， 有了上述关系，则在p g c 零差梭测方案中，系统动态范围的上限，也就 是输入最大信号幅度d 也就确定了，印在够( f ) = d c o s c o 。t + ( r ) 中应有 d 害生一l ( d 羔1 0 ) 和d l o ) ( 2 6 1 ) 2 0 9 。2 0 ) 。 照然，在载波频率0 9 。一定时，被测信号频率国，越高，容许的d 德越小； 反之被测傣号频率趟低，容许的d 值越大。为简单起见，统一用下式表示 不失真条件： f d + l 如。 p 十1 ) 致，注意这瀑d + = k ，曩雾雩必矮绥羧盘额 率，以上的信号达到足够的衰减，而要使衰减达到要求的分贝值，必须经过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一定的频程，即存在所谓的过渡带。如前所述，在衰减到合乎要求的分贝值 之前，低通滤波器的幅频特性曲线不能与载频。及其下边带。- k c o 。谱线相 交叠。于是可以得到k 国；+ 国。一k ，从而有t 国。 c o o - a 型，即 z ( d + 1 ) 甜， 堕! 竺 ( 2 6 3 ) 。 2 比较式( 2 6 2 ) 与( 2 6 3 ) 式，显然有竺垒竺 褥 c 0 8 ：! 口一c o s 2 0 + i ( 3 。2 ) 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 故乘法器的输出为 矿= 丝a 一2 ( c 。s 2 f + 1 ) = 面a 2 c 。s 2 h a 2102 02 0 ( 3 - 3 ) 、 ” 。 2 0 ” 从上式可以看出，乘法器的输出含有c o s 2 c o 。r 的2 倍频分量，同时输出还含 有靠的直流分量，所以滤除掉直流项即为2 倍频信号。 3 2 3 低通滤波电路 低通滤波器设计在p g c 方案中是一个相当重要的环节，它的一系列参 数都影响着最后解调信号。在通带范围内，系统要求低通滤波器的幅频特性 要平坦，扩大系统的动态范围；在过渡带范围内，幅频特性要陡峭。陡峭截 止频率特性在p g c 检测方案中十分重要，因为残余高频信号( 载波及其下边 频) 将在后续的微分电路中与频率成正比例地增大，造成微分器过载，将会 影响解调结果。设计较为理想的具有陡峭的截止特性的高阶低通滤波器方 面可以抑制残余载波及其下边频，一方面可以压缩过渡带，对扩大系统的动 态范围十分有益。 设计的另一个难点是系统要求两个低通滤波器的响应特性一致，尤其是 相频特性要求尽可能相同，即对于检测信号而言，所有信号都能通过且相移 特性一致，否则会造成最后缌调出来的信号失真，甚至完全不能解调出来。 具有理想的幅频特性的滤波器是很难实现的，只能用实际的滤波器的幅 频特性去逼近理想的。滤波器的阶数n 越高，幅频特性衰减的速度越快，滤 波器越接近理想特性，但r c 网络的节数越多，元件参数计算越繁琐，电路 调试越困难。而且一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反 之亦然。所以我们必须找到一个平衡点，尽量满足要求。本设计采用了三个 二阶压控电压源低通滤波电路来组成一个六阶低通滤波器。 设计的六阶低通滤波器选用集成运放l f 3 4 7 芯片组成，截止频率为5k h z 如图3 5 所示 哈尔滨工程大学硕士学位论文 圈3 5 低通滤波电路 其基本组成部分为三个二阶的压控电压源低通滤波毫潞。它不黼于一黢 的低通滤波器，为了使截频附近的电压放大倍数撮高，这攫把每一个滤波单 元的第一个电容的接地端改接到运放的输磁端，形成正反谈，使截额辩近瀚 电压放大倍数提高，改善了截频附近的幅频特性。 取截虎频率为国，剐有 致。丽12 丽12 丽1 ( 3 - 4 ) 丽盟其中 r l = 足二= r 3 = r 4 = r 5 = r 6 ( 3 _ 5 ) f 1 2 ：s i n l 5 。 ( 3 6 ) yc l 鱼：s i n 4 5 。 ( 3 7 ) c 3 s i n 7 5 。 ( 3 8 ) 图3 , 6 为选定参数后的低通滤波电路仿真波特图，实际电路的幅频特性 裰频特程与仿真鞠骰。 4 0 哈尔滨上程大学硕士学位论文 雹 兽 磷霉鬻隳舔一i 黧：鬻黔霉鬻黼簿：瓣琵紧巨髑 璧蜜銎銮銮翌型鎏! _ ! ! 錾! 堕。：! i ! i ! 燮 3 ，2 4 微分电路 0 0l e + 0 0 41 e 删6 le + 0 0 81e - 卜0 0 9 图3 6 低通滤波电路仿真波特图 基本微分电路如下图3 7 所示 图3 7 基本微分电路 当组件为理想元件时 旷制卅c 警一警 ” 式中r = r c 为微分时问常数。 4 嗡尔滨上槲人学硕士学位论文 基本徽分器在实琢应用中存在着稳定性差，高频输入隘抗低，高额千挠大等 缺点。这是因为电容c 的密抗随输入信号的频率升高而减小，结果输出电压 随频率升离而增加使运放过载，高频噪声和干扰眈较严重。微分器的反馈嘲 终具有一定蕊滞爱媚移 o 9 0 。) ，它帮运放本隽的滞后枢移( 单极点运放 为0 9 0 。) 和在起，容易满足自激振荡的相位条件而自激。因此，基本 徽分电路缀少蠖鲻。 只要对基本微分电路采取一定的相位补偿措施，电路性能就会稳定下来， 鲡藩3 8 所示 塑3 8 致遴微分电路 图3 8 比图3 7 增加了电阻r 是为了限制电路的高频电压增黼，在输入 端与电容e 之闻疆入一个小电陲霞，当输入频率低予 1 、f o2 索( 3 - 1 0 ) 时电路起微分作用。若输入频率离于上式，则电路近似一个反相放大器，高 频电压增益为 铲一昙 ( 3 - 1 1 ) 在低频区，使r 划 坚 世 粤 时间t m s ( a ) 第一路低通滤波器后的波形 时间t m s ( c ) 第一路交叉相乘后的波形 ”005 11 f i2263 时间t m s ( b ) 第二路低通滤波器后的波形 时间t m s ( d ) 第二路交叉相乘后的波形 明 蚴 叫 眦o 谜坚一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 赵 粤 时间t m s时间t m s ( e ) 积分器后的波形( f ) 高通滤波器后的波形 图4 3 y ( r ) = 万3 时p g c 解调系统的波形图 图4 4 为p g c 信号处理过程中各环节的信号图，此时g ( t ) = x 2 创 盥 时间t m s时间t m s ( a ) 第一路低通滤波器后的波形( b ) 第二路低通滤波器后的波形 5 o 划 坚 15 赵 ! a n 0 口5 i157253 时间t m s ( c ) 第一路交叉相乘后的波形 时间t m s ( d 1 第二路交叉相乘后的波形 时间t m s ( e ) 积分器后的波形( f ) 高通滤波器后的波形 图4 4 矿( f ) = x 2 时p g c 解调系统的波形图 4 9 晗尔演工程大学硬士学位论文 从图4 2 ，图4 _ 3 ，图4 4 可以看出两路信号通过低通滤波器后相互补偿， 即使一路售号淤隐，另路恣蠢售号，交叉撼溪最馒羧爨绦拷稳定。楣蹙载 波检测使信号稳定的原因是综合的利用一倍频载波上的信号和二倍频载波上 的信号，不会隧羞环境漂移矽( 外的变化丽变化，这正怒p g c 检测方寨的优 点。 4 2 峰值检测方式的自动增益控制电路的不适用性 由式( 2 - 5 9 ) 可知解调得到的信号与m 、b 、g 、h 和c 的选择有关。m 、 g 、h 和c 的馕都可以使其保持一定。只有b 与光功搴秘干涉条纹的清晰度 有关，任何光功率的波动或干涉仪两镨中偏报态的变化都能引起b 的变化， 所以在实际中较难控制，一般通过自动增益控制( a g c ) 来保持b 的稳定。但 是现有的资料提到的秘动增益控n ( a g c ) 电路都是通过对于涉信号的峰值或 峰峰值检测来控制a g c 电路豹增益，使a g c 输出稳定。在实验中用上述两 种方法都没有运至稳定b 值静磊的，反而菠解谰出来的声信号幅度滚动增大。 究其原因就在于由图4 5 所示 嫠 l c 丑 时间t m s ( a ) 声傧号 0o204o60 时间t m s 时间t m s ( b ) 矿= o 时鲍予涉信号 b2 时间 04 t j m s ( e ) 扩= 0 2 5 r c 耩孪豹干涉信号( d ) 驴= 0 5 ，r 对豹干涉德号 5 0 |l渊 一”川咐川 一 一洲一 一娃腿隰一 一黼一 一川黼 一洲一 一jnmm甜iiii 一 一黼一 3 2 口1 i 谜坚 哈尔淡工程大学硕士学健论文 谜 謦 对间t m s时阕t m s ( e ) 妒= o 7 5 z 时的干涉信号( t 3 y = 霈对的干涉信号 图4 5 环境漂移y ( r ) 变化时干涉信号的波形 当8 定，环境漂移矿( ) 为不同谯对于渗仪输密光强豹潍馕或峰酶谴著 不为一个常数德，因此这种自动增盏控制电路在b 没有变化而环境漂移时也 会霞电路兹增麓变讫，在这耱时候a g c 起爱了稳夏麴 乍孺，新鞋逶造对干 涉信号的峰值戏峰峰假检测来控制a g c 电路增益的方法是行不通的。 亳m a c h - z e h n d e r 予涉仪中，光纾哮l 懿镳爨态交诧会弓| 莛梭测懿筵感信号 可见度的波动。本光纤水听器未加消除偏振衰落的措施，因此有时仍有较缓 馒懿光纾蘸甓懿憾摄态变 皂引起熬信号衰落。事实证睽，在静止夔实骏室巧 境下偏振态引起的信号衰落还是较小的，随着时间变化在几个小时内才看到 信号蠛度的嚷最变化。然丽在光纾传藤器的实际使用中，不可避免地要受到 外界因索的扰动和影响，因此抗偏振态衰落也是今后干涉型光纤传感嚣实用 化所礞临的主要技术难题之一。 嗣前，在电路上通常采用自动增益控制电路来补偿偏振态的变化。从前 面的讨论和实验知道，单纯的对干涉信号的燎值或峰峰值检测来控制a g c 电路增益的方法是行不通的。因此要探索萁德的a g c 电路形式。 4 3 单元光纤水昕器动态范围理论分祈的验证 系统选翊的是六阶有源低通滤波器，截止频率为c o 。= 5 k h z ，过渡带 a c o = 5 k h z 。采用直接调制光源产生相位载波的方式，载波频率为o o = 3 0 k h z 。 待测信号的频率为织qk h z ，信号福度为d = 0 5 v ，疆据前文的分褥缭莱， 由于系统潢是( d + 1 ) 国。 趟 馨 、 型 忙豇 时间t 图4 6 输入声信号( 上) 与解凋输出信号( 下) ( o j ，= 4 k h z ，d 5 0 5 v ) 现在只改变待检测信号频率o ) s = 1 8k h z ，而不改变其幅度d 的大小，由 于( d + 1 ) 峨 划 粤 划 粤 时间t 时间t 图4 7 输入声信号( 上) 与解调输出信号( 下) ( ，= 1 8 k h z ，d 2 0 5 v ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 再考虑信号幅度与系统失真度之间的关系，现在只改变待测信号的幅度 d ，取d = 7 v ，脚。= 4 k h z ，同样的道理系统最后解调出的待测信号有一定程 度的失真，如图所示 赵 1 口匝 、 越 罂 时间t 图4 8 输入声信号( 上) 与解调输出信号( 下) ( c o ；= 4 k h z ，d 2 7 v ) 在上述两种信号产生失真的情况下，若分别降低待检测信号的频率。和 幅度d ，直到( d + 1 ) ， c o o - a c o 黼，则最后解调出来的信号失真度 z 慢慢减小，直至基本不失真。 以上表明在低通滤波器的阶次q ，截止频率敛，过渡带以及系统的 相位载波频率。确定的条件下，频率越高，要想得到不失真的待检测信号， 必须要降低其幅度。 同理，若待检测信号频率降低，则它的幅度可以相对较大，整个系统的 动态范围相对就会增加，这个结果与我们的理论分析符合的相当好。 啥尔滨工程大学硕士学使论文 4 4 本章小结 本章用m a t l a b 6 1 和s i m u l i n k 从光信号的光电转换开始，对p g c 处理过 程中各环节静信号黪式进行仿真分辑，综合分析了系统的性麓，提出了峰值 检测方式的自幼增益控制电路在抗光偏振衰弱上的不适用性，验证了前面分 辑的一些结论，为理论分辗帮实际系统静设计，调试褥供了裔力戆捂强。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章系统调试与测试 5 1 系统测试2 1 1 3 4 3 3 7 1 系统最终测试是分别于2 0 0 3 年3 月中科院声学所和2 0 0 3 年9 月在国防 水声一级计量站( 杭州一富阳7 1 5 研究所) 进行的。 ( 一) 水听器声压灵敏度响应和相移灵敏度低频段( 2 0 2 k h z ) 的测试是 应用振动液柱法测得。 振动液柱法是一种使用简便的低频水听器绝对校准方法。从本质上说， 它属于媒质质量控制的阻抗法，校准量是声压灵敏度。声压灵敏度是通过直 接测量被校水听器的开路电压和间接测量由媒质质量的惯性所形成的等效声 压而得到的，所以该方法有时也称惯性法。校准时将一个直径远小于水中声 波波长的充水刚性壁圆管放在正弦振动台上，让圆管在振动台推动下作垂直 振动，被校水听器置于圆管的中心线上。 水听器探头处的声压由声传输线理论导出，用一个已知灵敏度的加速度 计测量管体的振动加速度，这样由水听器开路电压和加速度计输出电压就可 计算出水听器的声压灵敏度。 用振动液柱法校准时，被校水听器的尺寸有一定的限制。它的横截面尺 寸应小于管子的直径，同时要远大于振动位移振幅，小于所置深度。 振动液柱法忽略了液柱振动静态落差的影响，要求 2 值( h 为水听器 深度，为角频率) 远大于重力加速度，因此，他有一低频限。另外，校准 频率也不应高于液柱的谐振频率。 表5 1 为在不同频率下光纤水听器系统的声压灵敏度，其中m 1 到m 4 是应用m a t h z e h n d e r 干涉仪形式的水听器，m 5 和m 6 是m i c h e l s o n 干涉仪 形式的水听器。基准值为1 矿p a 。 表5 1 光纤水听器系统的声压灵敏度( 低频) f ( h z )m i ( d b )m 2 ( d b )m 3 ( d b )m 4 ( d b )m 5 ( d b )m 6 ( d b ) 6 3 o1 4 0 71 4 1 31 4 2 31 3 9 71 4 3 91 3 8 2 1 0 0 o一1 4 2 21 4 2 71 3 9 71 4 3 01 4 2 71 3 8 6 哈尔滨1 = 稷大学硕士学位论文 ；i ；_ # i i i ；_ ；# ；i i _ i_ ；j i m ；i l； 1 6 0 o一1 3 9 _ 3 ，1 3 9 1 一1 4 4 51 3 9 51 4 3 3 。1 3 7 1 2 5 0 0 ，1 4 3 71 4 2 。6 - 1 4 1 ，21 4 1 2 1 4 3 。01 3 9 。5 4 0 0 0 1 4 0 8一1 4 1 6一1 4 1 3 一1 3 9 51 4 44 1 3 7 9 6 3 0 。0一1 3 9 1 - 1 4 0 41 4 4 71 3 8 9 1 能61 3 5 。9 1 0 0 0 0一1 3 1 9一1 3 9 6 1 4 0 0一1 3 6 8一】3 9 i1 3 】 由表中数据可以看出该光纤水听器的声压灵敏度在1 4 0d b 左右，比传统 的愿电水听器声压灵敏度( - 2 0 0d b ) 商6 0d b ，即离1 0 0 0 悠，充分鼹示了光 纤水听器的优势。 出于现代数字声呐技术要求水听器阵元对作用声场有很高的保真度，这 就滞要各阵元响应信号闯精良好的幅度和相位一黧性。褥僚一致悔就是蘸个 以上的阵元的开路电压信号与作用与声中心处平面波声压信号间的相位差保 簿一致豹程度。瘸鸯出琢互荔法对各阵元戈壤度裙位透纾绝对校壤，裁爵袋 得它们间的相位一致性。由于绝对校准方法实施技术复杂，测量过程长，不 逶合大= | ：爨阵元稳位一致瞧耱；燹| | 爨。鏊翦，楣谴一教洼匏：i i 樊量主要袋爱与参 考水听器开路电压信号的相位相比较的方法。 表5 2 为光纤瘩氍器竣出蠛斡楣位一致瞧。其中毋l 到4 是应爝 m a c h z e h n d e r 干够仪形式的水听器在不同频率下输出的相位，5 和巧6 鼹 m i c h e l s o n 鼍二涉仪形式豹水晦器在不同频率下簸出瓣提位。 表5 2 光纤水听器输出端的相位致性 f ( h z )多i 。)0 2 ( 。)0 3 ( 4 )4 ( 6 )0 5 ( 。，矽6 ( ) 6 3 1 9 91 9 61 9 91 9 71 81 9 1 0 01 7 6 7 31 8 01 7 42 7 22 6 7 1 6 01 4 81 3 41 5 31 0 83 3 33 1 7 2 5 01 6 01 5 71 6 31 5 33 4 23 3 7 4 0 01 4 01 3 81 3 71 3 73 1 73 2 0 6 3 01 3 21 2 61 2 51 2 73 0 33 l o 1 0 0 09 08 81 0 28 s 2 7 62 6 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 获表中可良看纛4 令m a c h - z e h n d e r 于渗议形式麴东赁嚣在嗣一豢率下赣 出的相位基本相同，m i c h e l s o n 干涉仪形式的水听器在同一频率下输出的相 经瓷基本秘潮。毽嚣耪类型豹隶骣溪在曩一频率下辕窭约趣位不圈，这是壶 两种干涉仪的光学原理的不同决定的。 ( 二) 承瞬爨声莲灵敏疫响应麓频段( 1 k h z - 5 k h z ) 的测试是应耀比较 法校准，在富阳7 1 5 研究所的消声水池中测试的。 比较法是应用掇广泛的一种水孵器校壤方法，戈其是用子校准般的测 量水听器，水声设备用换能器和声纳阵元。比较法校准是一种相对梭准的方 法，实施技术比较麓单。水听器的声压灵敏度是通过被测水听器同标准水听 器在同一声场下输出响应的比较得到的。 表5 3 为光纤水听器系统赢频段的声压灵敏度 表5 ，3 光纤水听器系统的声疆灵敏度( 高频) f ( h z )m i ( d b )m 2 ( d b )m 3 ( d b )m 4 ( d b )m 5 ( d b )m 6 ( d b ) 1 0 0 0 01 3 5 81 4 8 9。1 3 2 11 4 0 81 3 9 51 3 1 9 1 2 5 0 01 3 7 o1 4 9 71 3 l 。o，1 4 1 61 4 0 61 3 2 。2 1 6 0 0 0一1 3 5 61 4 8 91 3 1 51 4 0 31 4 0 91 3 1 6 2 0 0 0 0一1 3 6 21 4 8 。41 2 9 ，21 3 9 01 3 9 + 71 3 0 。1 2 5 0 0 01 3 3 ，61 4 6 81 2 6 71 3 6 91 3 6 31 2 4 6 3 1 5 0 o1 2 8 。9一1 4 4 7 。1 2 3 91 3 3 91 3 3 ，81 2 5 5 4 0 0 0 0一1 3 3 41 4 6 8 1 2 3 ，7一1 3 7 21 3 8 21 3 0 2 5 0 0 0 。01 4 1 71 5 6 ，1一1 3 2 3 1 4 5 91 4 6 11 3 7 5 ( 三) 光纤水听器加速度灵敏度响应是在振动蠹上进行测试的。 拖曳线列阵等低频接收阵在工作状态下其阵元水听器程海水中作低频凇 周期运动。水昕器对这种运动加速度的响成及各类噪声将严重干扰对目标信 号的接收。为了减小加速发响应的于挠，必须将阵元求醑潞的加速发灵敏度 降低到一定量级。 承馥秣秘速度瑟敏度定义为：在菜一方囱 笨热速度运动豁东孵器产生弱 开路电压与该方向上的加速度之比( 单位为v s 2 m ) ，常用灵敏度级( d b ) 表示( 基穗毽为1 v 。s 2 m ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 水听器加速度灵敏度的测量方法是，在低噪声环境下把水听器固定在e 弦振动台上，振动台以已知频率和已知加速度推动水听器运动，并测量水听 器的开路电压，直接根据定义计算加速度灵敏度值。 表5 4 为光纤水听器加速度灵敏度响应 表5 4 光纤水听器加速度灵敏度响应 f ( h z )a ( m s s )m j l ( d b )m j 3 ( d b )m j 4 ( d b )m j 6 ( d b )m j 2 ( d b )m j 5 ( d b ) 2 0 o2 7 32 24 6522 32 72 4 3 1 52 5 84 8 2 27 34 2 0 54 6 8 0 02 5 9620 43 65 t 21 66 o 1 2 5 o2 6 l6 10 56 ，85 91 95 8 2 0 0 02 6 15 6o 08 96 3 3 o5 5 4 0 0 02 6 05 2 l21 0 45 72 96 8 5 0 0 02 5 85 52 18 26 32 85 8 6 3 0 02 5 75 83 o8 _ 2 8 66 o6 4 8 0 0 ，02 5 59l5 8“11 0 _ 3 4 54 7 1 0 0 0 02 5 37 64 61 3 98 01 1 3 1 8 8 1 6 0 0 02 5 81 90 95 4 471 66 o 2 0 0 0 02 5 61 79 815 、8 8 98 282 综上所述，该单元干涉型光纤水听器系统具有在水声信号频率范围内将 感兴趣的信号检测出来的能力。各光纤水听器之间的声压灵敏度和相位一致 性相差不大，各水昕器加速度灵敏度测量值有些差异。总体性能指标满足设 计要求。 5 2 提高系统性能的途径 通过测试也发现了该光纤水听器存在的一些问题，今后水听器需要改进 的方面主要有： 1 光纤水听器探头体积较大，要方便组成水听器阵列还要减小水听器探 啥衣滨工程大学颚士学饿论文 头的体积。 2 。光纤水滠器搽头的声爨灵敏度较大，鼹声羡号过于敏感，在实隧中这 种探头很容易受噪声的影响，不容易区分有用信号与噪声。在设计中要努力 提高水听器的最小可梭测搬移，适当降低探头灵敏度。 3 光纤水昕器探头的结构有待改进b ”，从测试数据可以褥出光纤水听 器的加速度灵敏度偏离，而且一致性不同。光缛水昕器探头的结构是影响这 些性能的主要鞠素。 4 由于本光纤水昕器系统没有抑制光偏攘引起的信号衰弱的措施，所以 输出绪采受光偏振态酾影响，簿致各探头在搿频段和低频段声凝灵敏废和相 位一致性有些麓异。如何克服光偏振衰弱的影晌是组成水听器阵列必须克服 酶技术难题之一。可以尝试应霜绦偏光纤藕台器帮傈偏先纤；法拉第麓转镜 或3 3 耦合器克服光偏振衰弱瞳钔。 5 由麓擎芯片i c l 8 0 3 8 徽残静载波售号发生毫瓣，萁输潞匏载滚熬频 率有o 3 的漂移，输出的幅度也有小的波动。今后应该考虑应用专门的信号 发生嚣产生频率程幅黢矍稳定瞧载波信号。 6 p g c 解调电路板可检测信号的动态范围还能i 挫一步提高。这需要深 入鳇磅究各黟调单元懿性能以及相互之阕的影昀，综合提裹系统性毵。 7 由于水听嚣阵列要求镑一个p g c 解调电路尽可能一致，在对解调系 统静调试中发现，p g c 检测方寰对电路的对稔性要求极高，鸯干涉信号与一 倍频和二倍频载波的避行混频后，要求两路低通滤波器，微分器，第二级乘 法器完全对称，西则农减法嚣后就不会褥到有关母( f ) ( 如图3 1 所示) 的良 好波形。因此，只有当两路各对应环节的幅灏特性，栩频特性都相同时，才 可能使解调出浓的信号不失真，且幅度稳定。这对由模拟电路缎成的p g c 解 调电路的设计和调试掇出了穰高的要求。谲试工作繁琐，需要极大的辩心。 现在d s p 处理器的运算速度和运算能力不断掇高，可以考虑在今后的水听器 设计中应矮p o c 数字解调渤m 。3 的方法，克服模拟解调电路酌静静不足。 8 应该考虑静电屏蔽克服工频等其它因索的干扰。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 3 系统各环节波形 根据相位载波枪测原理设计和实现的光纤水听嚣光路系统和信母检测电 路梃圈如为图3 1 所示。实际中检；9 1 1 碍到了稳定的解调信号。系统采用的光 源为半导体激光器l d ，波长为1 3 lc o n ，两只光纤藕合器均为3 d b 光纾定两 耦台器。由于采用艇接光源调制，调制信号频率为3 0 k h z ，光纤干涉仪的两 臂长度有4 c m 酶光程差，声源发出频率为彩。的声僚号。 由于在实验室中现有声源不能发出0 到l k h z 的低频声信号，始声源发 出的声信号为l k h z 翁5 k h z 辩，系统均髓无失奏静检测毒该声信号。翔鬟在 m a t h z e t m d e r 和m i c h e l s o n 两种光纤干涉仪的传感臂上缠绕一个p z t 环形光 纾穗位谓裁器来接攘实耩瓣走纾传慧器，粼当瑟魏模拟声舞号在5 0 t t z 到 5 k h z 范围内，系统能无失真的检测出该声信号。 示波嚣实际蕊察婺熬蚤帮分渡影翅墨5 1 躲示。 ( a ) 干涉信号( 上) 与载波信号( 下) ( b ) 干涉信号( 上) 与声信号( 下) 洲i 山删乩删i j | | l 洲l i 酽啊啊聊嗍 孵_w 瓣睬胴 一 隧剐 。l忒? l 激主溉：圣 ( b ) 干涉波形( 上) 与声信号( 下) ( d ) 干涉波形( 上) 与声信芍( 下) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 蛐沁黼剐 撇诫v i ( e ) 一倍混频( 上) 与载波信号( 下) ( f - - 倍混频( 上) 与载波信号( 下) 、 m n n 小 n 撇v m m 6 晰w w ：g ：= 暑黑；= ：= 筌 ( g ) 2 路低通滤波器输出 洲懒洲撇 m m ：! m n m ： ， 一 、 p 、， 撇n n n n n i 叭i a f m m a f h ) 2 路低通滤波器输出 黼 燃僦懒 船翟：盘盘：= 蓝 ( i ) 2 路微分输出( j ) 声信号( 上) 与解调输出信号( 上) 。悄悄删 黼 八：移乃 bvk - v w 弋：厂 ? vv ( k ) 声信号( 上) 与解调输出信号( 下) 声信号( 上) 与解调输出信号( 下) 图5 1示波器实际观察到的各部分波形 6 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图5 2 光纤水听器系统解调箱( 上) 和光源箱( 下) 实物图 图5 - 36 单元光纤水听器解调系统 图5 4 光纤水听器单元解调电路板 哈怎滨工程大学硕士学位论文 5 4 系统调试方法 图5 5 光纤水听器探头 由于光纤水听器信号解调系统复杂，通过课题的研究，总结出了套行 之有效豹调试方法，粪体步骤如下； 首先调节信号发生电路，使输出调制光源的信号m c o s e o o ，同输出到乘法 器豹载波信号g c o s 戤，t ，h c o s 2 缚之阀毒一是懿稷接菠，鼙孵耀延迟，以就 抵消摊干涉信号与载波信号混频前的阐有时间延迟。如果乘法器的两路输入 信号没有薅越差，翻蓑簸出载波形应该是对穆浆，热爨5 1 ( e ) 葶羹( f ) 掰暴。 冀次由第2 节分析可知，只有从电路上克服了影响解调结果稳定性的各 秘困索，a 一黢褥到理恕戆辕出波形。在对解调系统豹调试中发现，p g c 检测 方案对电路的对称性黉求极离，自干涉信号与g c o s 甜。r ，h c o s 2 m o t 进行混频 压，要求两路低通滤波器，微分器，第二级桑法器竞众对旅，否则在减法器 后就不会得到有关妒0 ) 的良好波形。因此，只有当两路各对应环节的幅频特 性，楣频特性都相同时，才可能使解调出来的信号不失真，虽幅度稳定。这 在实际调试中是眈较豳难的，因为电路中所选用的元器件在精度上都商不同 的误藏，尤其是电路所使用的小电容的容值缎不稳定，这种情况下就需要对 电路避行徽谪直至两潞的特髋基本一致。 具体方法为：单独调试各级运算单元电路，在上下两路低通滤波器输入 同一令正弦稿号，改变正弦渡频率，躐察两路低逶滤波器输窭怒否完全一致， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如果有差异，主要是由于电容的差异引起的。只用在组成滤波器的电容两端 并上小电容，改变小电容的大小直到两路低通滤波器输出完全一致即可。调 节微分电路，积分电路的方法同调节低通滤波器相似。最终使两路几乎完全 一致。 然后调节第一路低通滤波器后面的减法器，减去由于直接调制光源产生 的直流项a g m 2 ，见式( 2 5 0 ) 。观察示波器使不加声信号时减法器输出信 号上下对称摆动。 最后观察各运算环节输出波形，并同仿真波形比较，如果同仿真波形不 同就是这一环节存在问题。 以上步骤对电路的设计和调试提出了很高的要求，需要有极大地耐心和 毅力，是直接调制光源的相位载波零差解调技术的难点之一。 5 5 本章小结 从以上测试的各种波形，数据的结果来看，本课题设计的相位载波干涉 型光纤水听器系统能把5 0 h z 到5 k h