（水声工程专业论文）大规模光纤水听器阵列光学外差及时分复用技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 ( a ) 透射式时分复用光纤水听器阵列结构2 图1 1 ( b ) 反射式时分复用光纤水听器阵列结构2 图1 2p m d i 解调方案原理结构5 图1 33 x 3 耦合器检测原理结构图5 图1 4p g c 调制后干涉信号频谱图6 图1 5p g c 频率混叠示意图8 图1 6信号动态范围上限随频率变化曲线8 图1 7干涉仪两臂光脉冲恰好发生干涉示意图8 图2 1光学外差检测原理1 l 图2 2外差信号相位解调算法流程图1 5 图2 3外差信号与参考信号相乘后频谱示意图18 图2 4 。5 0 0 阶低通滤波器幅频、相频响应19 图2 5频率为l k h z ，幅度为0 0 1 r a d 的信号解调结果2 l 图2 6频率为l k h z ，幅度为0 5 r a d 的信号解调结果一2 2 图2 7频率为5 k h z ，幅度为0 5 r a d 的信号解调结果。2 2 图2 8低通滤波截止为ll k h z 的信号解调结果2 3 图2 9采用不同低通截止频率频率对相同信号滤波后信号频谱2 3 图3 1外差式光纤水听器阵列时分复用系统结构示意图2 6 图3 2外差式时分复用系统干涉时序示意图2 7 图3 3电学部分控制原理示意图2 7 图3 41 6 基元复用时输入光消光比与通道串扰的关系3 4 图3 5输入光消光比为5 0 d b 时复用基元数与通道串扰的关系3 5 图4 1 ( a ) 外差式光纤水听器阵列时分复用系统光路、电路实物图3 6 图4 1 ( b ) 实验系统示意图3 6 图4 2参考信号频域图3 7 图4 3参考信号频域图局部放大图3 8 图4 4信号频率l k h z ，幅度1 0 0 m v ，参考信号和传感信号频谱图。3 8 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 信号频率l k h z ，幅度4 0 0 m v ，参考信号和传感信号频谱图一：3 9 信号频率5 k h z ，幅度1 0 0 m v ，参考信号和传感信号频谱图一3 9 信号频率5 k h z ，幅度4 0 0 m v ，参考信号和传感信号频谱图。4 0 l k h z 信号解调结果4 1 5 k h z 信号解调结果j 4 2 1 0 k h z 信号解调结果4 2 5 0 k h z 信号解调结果4 3 5 k h z 1 0 0 m v 信号解调结果4 4 5 k h z 4 0 0 m v 信号解调结果4 4 5 k h z 5 0 0 m v 信号解调结果4 5 国外文献中光纤水听器两通道分别加压电陶瓷信号时的输出频谱4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我- - 匾jt 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：太趣椹造红丞眍墨隍到选堂坌e 差丛盟盆复且拯苤研究 学位论文作者签名：凳二j 牡 日期： 7 年，月彳日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防 科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：太趣搓造红壅咂墨畦到当堂处差丞吐筮复旦堇盔鲤塞 学位论文作者签名： 酝桶 作者指导教师签名：耋牛 日期：纠年7 7 月矽日 醐：岬钉朋7 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章引言 1 1 光纤水听器阵列及其时分复用技术 声波是唯一能够在水下进行远距离传播的能量辐射形式【1 1 。水听器，这一利用 声波对水下目标进行探测、定位和识别的传感器，成为了现代军事中的“水下雷 达 。随着科学技术的不断发展，潜艇制造工艺日益先进，其在水下运行时的噪音 不断降低，探测难度日益增加，这给反潜作战带来巨大挑战。传统结构的压电水 听器由于其结构本质的原因，在灵敏度、响应频带及信号传输能力等方面己逐渐 不能满足水声探测的实战需要。光纤水听器的发展给水声探测技术带来了新的希 望。 光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的一种新型传感器，其原理是 利用声波调制光波的强度、偏振、相位等参量来获取声波的频率、强度等信息。 目前实用的光纤水听器普遍为干涉型光纤水听器，尤其常用的结构是 m a c h z e h n d c r 型和m i c h e l s o n 型。干涉型光纤水听器具有如下突出技术特点：响应 频带宽，声压灵敏度高，形状尺寸小，重量轻、舰船拖曳负担小，耐恶劣环境， 不受电磁干扰，兼具信息传感及信息传输于一身，易于遥测和构成大规模阵列等 垒车【2 】【3 可o 而由于水下声场十分复杂，单元水听器很难获得目标的详细信息，需要把光 纤水听器复接成阵列，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目 标的定位【4 】。多路复用技术可以实现用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，降 低系统成本，同时也降低维护的复杂程度，而且通过对阵列信号的处理可以极大 提高整个系统的探测性能，获取更多有关水下的信息。 目前研究较多的光纤水听器阵列多路复用技术有【4 h 1 3 】：空分复用( s d m ) 、时 分复用( t d m ) 、频分复用( f d m ) 、波分复用( w d m ) 、相干复用( c m ) 、偏振 复用( p m ) 。正是由于各种复用技术的不断进步，光纤水听器正在逐步向大规模 阵列化的方向发展。 在组成大规模光纤水听器阵列的各种复用技术中，时分复用技术是最 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 效的方案，且因其易与波分复用相结合而实现光纤水听器大规模阵列化，倍受各 国研究者的关注。 光纤水听器阵列时分复用的基本原理是将连续光调制成脉冲光，并由耦合器 分光输入到一个透射型或反射型传感阵列中，传感阵列的通道间由延迟光纤相连， 携带上传感信息后的光脉冲耦合进单根光纤后形成光脉冲序列，每一个光脉冲对 应一路探头信号，解调这些脉冲信号，即可以得到每个探头的传感信息。时分复 用只需单个光源就可以实现较大数目的水听器复用，提高了器件的利用率，简化 了系统结构，具有复用效率高，结构简单，相位噪声较小等优点，且与空分复用 或波分复用技术相结合，可以进一步提高系统的复用能力。时分波分混合复用是 光纤水听器阵列的发展趋势【8 h 13 1 。 时分复用有各种各样的结构方案，但可以归结为两大类：透射式时分复用和 反射式时分复用【1 4 】，分别如下图所示： 口j l 二 j “ i?7p “。“。”“i 0 一一 l 二= i ；，奄奄奄奄_ _ t f ： 了m 皿 m “l - 一一一一 一j p v ， +， 。1j 图1 1 ( a ) 透射式时分复用光纤水听器阵列结构 图1 1 ( b ) 反射式时分复用光纤水听器阵列结构 如图1 1 所示，时分复用系统中，由光源发出的一个光脉冲由耦合器进行分光，经 不同的延迟光纤后进入各个探测单元，再经耦合器合成一束光返回，这时光由多 _ - - l l i _ - _ _ i _ _ i - - _ _ 一- 一 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 个脉冲组成，每个脉冲对应一个光纤水听器基元，经光电转换后拾取信号。( a ) 、 ( b ) 这两种结构相比，透射式时分复用系统采用m a c h z e h n d c r 干涉仪结构，需要有 两根传导光纤；反射式时分复用系统采用m i c h e l s o n 干涉仪结构，只需要一根主传 导光纤。反射式时分复用系统因其结构特点，延迟线可重复利用，甚至将延迟光 纤作为m i c h e l s o n 干涉仪的传感臂，这样既降低耦合器数目同时也 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 年严冬暴风雪的考验，表现出了较强的抗恶劣环境干扰的能力u9 1 。国外基于时分 复用技术的光纤水听器阵列已经由实验室研究走向了军事实际应用，并成功发挥 了作用。 国内方面，中科院声学所、哈尔滨工程大学、国防科技大学、西北工业大学、 上海交通大学、厦门大学、浙江大学、中国海洋大学等单位都开展了水听器相关 技术的研究，其中主要是前三个单位开展了光纤水听器阵列的湖试、海试实验。 2 0 0 3 年8 月中科院声学所、国防科技大学等单位在渤海进行的3 2 基元全光光纤水 听器阵列测试，验证光纤水听器应用于海洋石油勘探及水声物理研究的可行性： 电子工业部2 3 所也利用时分复用技术做了1 6 基元的水听器的阵列试验。国防科 技大学有关研究人员已经成功构建了8 路光纤水听器时分复用系统，分析并论证 了系统的光放大技术和偏振衰落的解决方案等问题，取得了阶段性成果。 总体来说，国外的光纤水听器时分复用技术已经趋近成熟，国内人员在这方 面还需继续加快前进步伐，赶超世界先进水平。 1 2 光纤水听器信号解调技术 信号解调技术是光纤水听器研究非常重要的一部分。不同于普通意义上的解 调，它的选择及实现方法不仅关系到检测灵敏度、动态范围等对于光纤水听器来 说十分重要的指标因数，更决定着阵列所采用的光路结构。因此选择好的信号解 调方法对于光纤水听器的大规模阵列化有着很重要的意义。 目前国内外报道的光纤水听器解调方案主要有有源零差、主动相位补偿、路径 匹配( p m d i ) 、3 3 耦合器多相检测、p g c 方法和外差法等。下面分别对前五种 解调技术加以介绍。 1 有源零差检测2 0 】 这是一种闭环测试方案，通过对干涉仪输出的检测推算出两臂相位差的变化， 通过控制参考臂上的相位调制器使干涉仪输出恒定，然后根据加在调制器上的信 号提取声信号。 2 主动相位补偿【2 l 】【矧 该技术是对信号进行分段处理，在主要受环境信号影响的低频信号段，采用 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 5 、相位产生载波( p g c ) 【2 7 】1 3 1 】 这是目前光纤水听器最常用的信号解调方案之一。为了实现光纤水听器无源 化，通常采用基于内调制的p g c 解调方法，即调制光源的p g c 方法。这种方法用 频率为锦的频调制光源，这使光纤水听器两臂的光程不平衡量址转换成调制幅度 为c 的余弦光波的位相差，如式( 1 2 1 ) 、( 1 2 2 ) 所示。 用频率为的高频调制光源后两束光相干后的光强为 ，：么+ b c o s ( 垒翌竺y c o s f + 丸+ 纯)( 1 2 1 ) 令c ：丝y ，则 c j = 4 + b c o s 【c c o s 嘞f + 9 ( f ) 】 ( 1 2 - 2 ) 其中，z 是纤心折射率，c 为光速，矽( ，) = 唬+ 吮。 将( 1 2 2 ) 式以b e s s e l 函数形式展开，得到： 七 ，= 彳+ b 【厶( c ) + 2 ( 一1 ) 以i ( c ) c o s 2 七嘞幻c o s 缈( f ) 扣1 【1 2 3 j 七 一2 ( 一1 ) 以“。( c ) c o s ( 2 七+ 1 ) 嘞f 】s i n 伊o ) ) a 为直流项；b 与光纤水听器的输入光强、光纤耦合器的分光比及干涉信号 的可见度有关；，i ( c ) 为第一类后阶b e s s e l 函数；矽( f ) = 纯+ 纯= 九+ d c o s q f 包括 水听器的低频待测信号和环境扰动引起的相位随机波动，d 为待测信号的幅度。 由( 1 2 3 ) 式可见，经过调制后的干涉信号中，待测信号成为零频、调制信号频 率缈。和。的无穷项高次倍频载波的边带，干涉信号频谱图如图1 4 所示。 图1 4p g c 调制后干涉信号频谱图 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 为减小光强波动对信号检测的影响，一般取和2 纨项进行检测。 将( 1 2 3 ) 式分别乘以g c o s f 和日c o s 2 f ( g 、h 为幅度) ，再进行低通滤波、 微分、积分等运算，最后再经过高通滤波消除低频扰动，即可得到p ，( f ) 项： 鲫丑2 州c ) ，2 ( c ) 织( f )( 1 2 4 ) 由( 1 2 4 ) 式除去系统参数g 、日、b 、c 的影响，可以得到定标后的声信号织( f ) 。 6 、外差法【4 】【1 5 h 1 9 】 该方法是从上世纪末至本世纪以来全球光纤水听器阵列研究领域热点关注的 信号解调方法。它的基本原理是采用移频器使发生干涉的两路光分别产生不同频 移，在干涉仪输出端产生一个外差频率为的载波信号，利用电学鉴频器或光学 方法解调出声信号。具体原理和实现方法将在后文中予以分析和论述。 上述方法中，前两种方法( 有源零差检测、主动相位补偿) 为有源检测，后 四种方法( 路径匹配、3x 3 定向耦合器检测、相位产生载波、外差法) 为无源检 测。 有源检测由于使用相位调制器( 多为p z t ) 进行有源补偿，系统灵敏度较高。 但存在一些缺点：当环境噪声使传感器电路超出其动态范围时，需要复位而引入 了附加噪声；引入反馈电信号降低了系统的安全性和抗电磁干扰能力；引入大相 位调制器增大了传感器体积，降低了可靠性；而且有源系统在湿端每个传感头都 带有有源器件，不利于光纤水听器远程阵列探测。 无源检测方法是大规模光纤水听器阵列中普遍采用的方法，尤以相位产生载 波和外差法在光纤水听器阵列应用中较多。国外方面，美国、英国已经报道了9 6 基元的光纤水听器阵列时分波分混合复用联合试验，并获得了成功，其阵列的时 分复用系统基于外差法构斟1 8 】【1 9 1 。而p g c 方法正面临着一些瓶颈问题。 设( 1 2 3 ) 式中的( f ) 为频率是z 的声信号，由三角公式积化和差将得到，声频 作为边带加载在调制频率的两边。而受光源稳定性和，d 转换速率的限制，内调 制p g c 方法不可能将调制频率做得很高，这就导致在检测高频、大幅度信号时出 现频率混叠问题，如图1 5 所示。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章将从分析光学外差的基本原理入手，在分析声光调制器工作原理的基 础上，提出光纤水听器中外差信号的产生方法，即采用声光调制器对输入光进行 移频，从而使发生干涉的两路信号产生中频段的频差。同时进行脉冲调制，以适 用于时分复用系统。设计了一种外差信号的解调方法，并从理论上分析外差解调 方法与p g c 解调方法相比，其优势所在。 第三章介绍所设计的基于光学外差解调的光纤水听器阵列时分复用系统的结 构及工作原理、系统光路和电路部分的组成器件，给出有关参数的分析；阐述系 统在信号解调部分所采用的一些关键技术，如参考信号的提取方法，数字滤波器、 微分积分器的设计等，并给出解调的仿真结果；然后分析该结构时分复用系统的 串扰。 第四章搭建了第三章所设计的基于外差解调的光纤水听器阵列时分系统，并 进行实验研究。观察和分析采集得到的原始信号中的一些现象及包含的信息；对 不同频率信号和不同幅度信号解调进行实验研究，通过实验结果论证所搭建的系 统及所设计的解调方法的可行性，并得出相关结论。 第五章总结全文，提出仍待解决的问题，展望下一步工作。 _ l l - - _ - l - - l - _ _ - _ - l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i - _ l _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 一 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光纤水听器外差解调技术理论及仿真分析 外差法是光学、电学检测中经常用到的一种方法。当待测信息表现为引起光 波相位变化时，用外差法进行检测可以达到较高的精度。光纤水听器中所涉及的 外差解调是一个广义概念，可理解为以外差检测原理为基础的外差频率信号的产 生、相位解调方法及与这种检测原理相对应的光纤水听器光路结构设计等一系列 内容。在本章中，首先回顾光学外差检测的基本原理，然后论述光纤水听器中产 生外差信号的方法，接下来设计了一套外差信号相位解调的方案，最后从理论上 对这种解调方案相对于p g c 解调方案的优点进行分析。 2 1 光学外差检测的基本原理 光学外差检测是将信息载波到高频信号的相位项上，在接收端令待测信号光 波和参考光波同时入射到探测器上，通过探测器的混频作用，得到频率为二者之 差的中频信号。该信号保持了调制信号的特征，通过检测中频信号能最终解调出 需要的信息【3 2 】【3 3 】。 外差检测基本原理的示意图如图2 1 所示： 图2 1 光学外差检测原理 若信号光和参考光在探测面上光波的电场分量分别是e c o s ( 2 形f + 九) 、 巨c 0 _ s ( 2 石，f + 谚) ，式中下标“s ”和“r 分别表示“信号”和“参考 对 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 方法，但是频率不同的光源线宽、偏振态、光波幅度和频率的波动都不相同，不 利于实现稳定的外差干涉。因此考虑将同一光源的光波分束后，进行不同的移频 来产生外差干涉所需要的不同频率的光波。可以采用声光调制器来实现光波的移 频【矧。 2 2 1 声光调制基本原理 当光波通过声波扰动的介质时，产生衍射现象，称为声光效应。从原理上来 说，声波在介质中传播，导致介质折射率的周期性变化，这等效于一个位相光栅。 入射光波通过这个光栅时产生衍射，致使出射光波只能沿着某些特定的方向。 根据声波波长和光波波长，以及作用长度的相对大小，可以将光的衍射现象 分为喇曼奈斯( r a m a n - n a t h ) 衍射和布喇格( b r a g g ) 衍射两种情况。其中布喇格衍射 形式效率较高，因此声光器件基本都工作在布拉格衍射模式下。 在布喇格衍射情况下，可以把声波造成介质折射率的周期变化看成是一系列 等间距放置的反射镜面，其间距是声波波长a ，而且这些镜面以声速u 运动。由 于多普勒( d o p p l e r ) 效应，衍射光发生频移。可以证明入射光频率和衍射光频率 之间的关系是 = c o + a m ( 2 2 1 ) 其中- 。 嘲警= 等= q ( 2 2 _ 2 ) c 以a s i n = 三2 a 为布喇格衍射角， 旯、人分别是光波和声波的波长。式( 2 2 - 2 ) 表 明，在光以布喇格衍射角入射时，衍射光将产生与声波频率相同的频移【3 3 】【3 4 】。基 于这个原理可以实现对光波频率的调制。 再来看对光强的调制。定义入射光强与衍射光强之比为衍射效率，即 叩= 怒j - 亿2 柳 ，72 丽。 经过计算，可以求得 叩：s i l l z 【车万哮) ；】- s i n z 【拿础他) i i 】 ( 2 2 4 ) l p i t 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 其中l 为声光介质的作用长度，行为声光介质折射率，e 为有效弹光系数，户为介 质密度，k 为介质中的声速，m = 筹称为衍射品质因数，为声波强度。从式 ( 2 2 4 ) 可以看出，衍射效率与声波强度成正比。基于此原理可以实现对光波的强 度调制。 2 2 2 声光调制器实现的光频调制和光脉冲调制 声光调制器件由声光介质和换能器两部分组成。常用的声光介质有钼酸铅晶 体、氧化碲晶体和熔石英晶体等；换能器是利用压电晶体使电压信号转变为超声 波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。本文正是利用声光调制器实现了光 波移频，从而产生外差信号；同时声光调制器也对光强进行调制，产生高消光比 的光脉冲，以适用于大规模光纤水听器阵列时分复用系统。 设声光调制器1 、2 可以分别对入射光移频彳和五，若光源的频率为厂，经耦 合器分束后，分别通过两个声光调制器，则进入到系统中发生干涉的两束光频率 分别变为厂+ 彳、厂+ 左。设所得的外差信号为只( f ) ，由式( 2 1 一1 ) 式( 2 1 5 ) ， 苁( f ) = 彳c o s 2 刀( 彳一石) f + 谚 ，此处略去了不含待测信息的直流项。声光调制器也 同时对入射光进行脉冲调制，产生消光比大于4 0 d b 的光脉冲。 为了满足水声信号的探测范围，需要选择两声光调制器的移频差。外差信号 的拍频不能太小，否则外差信号易受干扰，而且在解调时要进行滤波滤除拍频项， 拍频太小不利于声信号的大动态范围检测；也不能太大，否则会给后续的光电转 换和数字采样工作增加难度。 水声信号的频率一般为几十h z 到几k h z 。这样，拍频信号为几百k h z 到几m h z 可以满足条件。 2 3 相位解调的算法设计 将( 2 1 5 ) 滤去直流项，得到携带相位信息( 声波信息) 的干涉信号以( f ) ： 第l 国防科学技术大学研究生院学位论文 然而在数字信号处理过程中，步长j l l 的值是一定的，和系统的采样率有关。上 式可理解为两个采样点之间的运算，这样，式( 2 4 2 ) 可以改写为 m ，z ，) = 丝堕笪一_ ( 2 4 - 3 ) x：一xi 。 式( 2 4 3 ) 表示函数厂( 工) 在区间【毛，0 】上平均变化率，称之为，( 工) 的一阶差商，差 商又可以分为前向差商、后项差商和中心差商。 接下来讨论这种近似的误差。式( 2 4 3 ) 有截断误差和舍入误差两个误差源。截 断误差来源于泰勒级数展开式中的高阶项。 厂( x + j 1 1 ) 一( 工) = 厂( x ) j i l + 丢 2 厂( x ) + 吉 3 厂一( 工) ( 2 4 4 ) 即半吖畦” 5 ) ，zz 忽略高阶项带来的截断误差为j i l 2 厂。数量级。 舍入误差是由数值运算时机器的有限精度引起的。由于数字化处理中采用定 点运算，乃为可精确表示的数，这时舍入误差的数量级为占i 华i ，其中占为计算 厂( 工) 值时的精度。 如果每次求导时，采用下面中心差商的形式 m = 塑掣 ( 2 4 - 6 ) 得到的舍入误差和前面一样，但 丝掣掣：厂，+ 丢办，厂、 ( 2 4 - 7 ) 2 j l l 。 6 。 、 此时的截断误差为 3 厂”量级，比式( 2 。4 5 ) 带来的截断误差小一个数量级。因此我 o 们采用中心差商来实现数字微分算法。对于连续采样的三点 玉，恐，毛】，艺点的微 分运算可用下式实现： 厂，( 屯) ：盟趔( 2 4 8 ) 3 1 同理，数字积分算法的实现也是要由函数厂( x ) 每个点的值去计算积分 第2 0 页 2 4 3 信号解调的仿真 ( 2 4 9 )出 o 进 一2 础 学 行 ：矗一 斯 札趔 法 系 十 加 芙 曲 的 的 扩 分 列 灭 积 数 l i 形 入 黼埘舻 用 与 采 列 以 数 可 出 们 输 我 的 此 后 为 分 。 积 出 形 跏 梯 。 八 黼腮种删嬲黼 箩m 燃 m 6 守 舶晰邮即啪舢娜咙 觥黝担郴躺狗一聪号 z m 1 b 兰口 量觥酣 率 亿 佩 孵叫 删姻 ：墼些垒鲨望茎坠笪墼坠一 d e m o d u l a t e ds i g n a l 一2 0 罟0 弓 三2 0 e - 4 0 s a m p i ep o i n t s p e c t r u m 大。j fr e q u e n c y ( h z ) 图2 6 频率为l k h z ，幅度为0 5 r a d 的信号解调结果 将信号的频率提高为5 k h z ，幅度为0 5 r a d ，解调的结果如图2 7 所示，利用 本文所设计的解调方法，该信号也可以准确解调出来。 d e m o d u l a t e ds i g n a l 言 舌 堇 互 三 罟0 刁 3 羞5 0 e 互1 0 0 s a m p l ep o i n t s p e c t r u m 一l f r e q u e n c y ( h z ) x10 4 图2 7 频率为5 k h z ，幅度为0 5 r a d 的信号解调结果 由以上仿真可以看出，对于不同频率、不同幅度的信号，利用本文所设计的 解调方案，均可以将信号解调出来，对于高频大信号的解调也能达到很好的效果， 解调信号的频率信息准确，幅度为原信号幅度的丢彳2 c 2 倍。因此可以初步得出结 第2 2 页 论，运用外差解调，设计合理的相位解调方案，可以实现信号在宽频率、大幅度 范围内的解调。 值得注意的是，低通滤波器截止频率的设置会影响到解调结果。同样是对5 k h z 幅度为0 5 r a d 的信号解调，如果设置低通滤波器的截至频率为ll k h z ，则解调所 得的信号频谱图如图2 8 所示。 号2 0 善0 三- 2 0 互- 4 0 6 0 s p e c t r u m ， 7 l弋 2 34 f r e q u e n c y ( h z ) 5 x1 0 4 图2 8 低通滤波截止为l l k h z 的信号解调结果 图2 9 给出了采用5 0 k h z 截止频率的低通滤波器滤波后信号频谱示意图。对比 这两幅图，可以发现滤波器截止频率较低时( 图( a ) 所示) ，很多高阶倍频项被滤掉 掉，损失了信号的部分信息，从而导致解调所得到的信号失真。 sd ectr um 苟 已 。 弓 羔 a e o 511 5 frequency ( hz ) ( a ) 低通滤波器截止频率为1i k h z sde ctrum 0 511 5 fr equ e ncy ( hz ) ( b ) 低通滤波器截止频率为5 0 k h z 图2 9 采用不同低通截止频率频率对相同信号滤波后信号频谱 第2 3 页 o o o 5 o1 一击d一口n1盖 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章基于光学外差解调的光纤水昕器阵列时分复用系统 设计及分析 这一章将着重介绍我们所设计的基于外差解调的时分复用系统，分析其工作 原理；提出一种2 3 节所设计的相位解调方案中参考信号的提取方法，并证明利 用这种方法得到的参考信号对传感信号进行解调的合理性；最后分析系统的串扰 及其对大规模阵列的影响。 3 1 系统结构设计 在设计光纤水听器时分复用系统时，首先要考虑所采用的解调方法对应的光 路结构，例如采用p g c 解调方案，如1 2 节所述，探头要采用非平衡的m i c h e l s o n 干涉仪结构，发生干涉的两臂之间的臂差为z 。这样会导致两信号发生干涉时， 在时间上不能完全重合，因此脉冲宽度、阵列复用基元数目也受到了限制。本文 给出的这种基于外差检测的时分复用系统可以有效地使发生干涉的两个信号在时 间上吻合，并设计了一种通过光学拍频引出解调参考信号的方法，这种方法在国 内外均未见报道。 3 1 1 系统结构示意图及工作原理分析 光学外差式光纤水听器阵列时分复用系统结构图如图3 1 所不。从图3 1 司以 看出，由光源发出的光经耦合器q 分束后，分别经过两个声光调制器( a o m ) 。a o m 经由双通道a o m 驱动器控制，分别对输入光移频z 和五，同时将连续光调制成 脉冲光。从两个a o m 输出的脉冲光分别再经耦合器乞、岛分束。分束后，乞的一 路光经过长度为2 l 的延迟光纤后输入到耦合器龟，而q 的一路光不经延迟直接输 入到g ，这样，当两路光脉冲经过耦合器c 5 注入到一根光纤时，便形成了频率分 别为厂+ 彳和频率为厂+ 正的双脉冲注入到传感阵列中，双脉冲之间的时间间隔为 第2 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 l 图3 1 外差式光纤水听器阵歹0 时分复用系统结构不恿图 丁= 2 ，z 叫c 。c 2 、巳的另一路输入到耦合器c 4 合束，产生频率为彳一以的拍频信号， 将在后续过程中作为参考信号，解调从阵列返回的传感信号。时分复用传感阵列 采用同轴反射式结构，探头为m i c h e l s o n 结构，反射端面为法拉第旋转镜( f r m ) ， 以消除光波的偏振衰落。每个探头的输入端都接到前一个探头的传感臂上，这样， 每个探头的传感光纤也成为了通道间的延迟光纤。延迟光纤长度精确设定为l ，对 于每一个传感基元( 以第一个探头为例) ，由反射回的频率为厂+ 以的光脉冲与 由所：反射回的频率为厂+ z 的携带了传感信息的光脉冲在时间上恰好重合，发牛干 涉，形成了拍频为石一五的外差信号。精确设计好脉冲宽度及周期，则对于每一个 注入阵列的脉冲对，在接收端将收到个脉冲串，其脉冲数目等于n + 2 ，n 为探 头数目，第一个脉冲和最后一个脉冲的光频率分别厂+ 石、厂+ 五，中间n 个脉冲 为频率等于石一正的外差信号。返回的信号经光电探测器进行光电转换，同时在软 件上实现控制声光开关和高速a d 器件开始采样的同步，最终完成对各通道光脉 冲的区分和采集，将数据送进计算机中，进行外差信号的解调。 各通道信号发生干涉的时序原理如图3 2 所示： 第2 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 缺点是在消光比较低时可能引入较大的通道间串扰。如果声光调制器消光比足够 大，则通道间串扰较低，采用高相干光源可以降低系统噪声。 2 、声光调制器及其驱动 这是实现外差式时分复用系统比较关键的部分之一。在选择时应重点注意以 下两点：( 1 ) 两声光调制器要有一定的移频差。该移频差是探头外差信号的拍频， 因此要适合水声信号的宽频范围检测。一般在几百k h z 到几m i t z 可以满足要求。( 2 ) 要有足够高的消光比，以适应大规模时分复用系统的要求。一般要在4 0 d b 以上。 3 、光纤的选择及偏振态的控制 两束光发生稳定干涉的条件之一是具有相同的偏振态，否则就会产生偏振衰 落现象3 5 l 。消除偏振衰落的方法有很多，主要的有光路全保偏法【3 6 1 ，电光调制消 偏振法【9 】以及法拉第旋转镜法吲等。本系统文所设计的时分复用传感光纤较长， 采用光路全保偏方法造价比较昂贵，而电光调制消偏振法实现起来较复杂，相比 之下，采用法拉第旋转镜( f r m ) 消偏振衰落是最简单也最经济的方法。法拉第旋转 镜消偏振衰落法适用于m i c h e l s o n 干涉仪系统，其消偏振的基本原理是在于涉仪 的反射端接入法拉第旋转镜，旋转的角度为4 5 。，这样反射光的偏振态变化正好抵 消入射光的偏振态变化，从而使干涉仪的可见度保持为1 【35 1 。而传感光纤( 通道间 的延迟光纤) 全部采用单模光纤，这样就降低了成本。参考通道光路较短，可以 全部采用保偏光纤，使输出的参考光信号更稳定。 4 、延迟光纤长度、脉冲周期、脉宽及采样率之间的关系 延迟光纤长度l 、脉冲信号的周期、宽度，以及a d 卡的采样率之间有着密切 的关系 若阵列传感器数目为，输入脉冲周期为t ，脉宽为f ，为了确保时分复用系 统每个传感基元的探测信号能够被有效提取而不发生混叠，必须满足以下关系式： 2 n l c f( 3 1 - 1 ) t ( n + 2 ) r ( 3 1 2 ) 刀为光纤折射率a 若接收端a d 卡的采样率为l d ，则输入脉冲频率为： 1 六伽= _ 1 = 厶d 州 ( 3 1 3 ) k = l 、2 为返回脉冲串每个脉冲的采样点数。 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 设光纤折射率”，则在输入端，2 l 的延迟光纤使c 5 输出的脉冲对产生的时间 延迟为： f ：丝 ( 3 1 4 ) c 5 、耦合器分束比 为了产生较好效果的光波干涉，需要设计耦合器的分束比，以保证注入每个 探头的光功率大致相等。 损耗和复用的基元数目一起决定耦合器的分束比。在我们所设计的系统中，损 耗的来源主要是：( 1 ) 熔接点带来的损耗届，平均每熔接点0 3 d b ；( 2 ) 传输光纤带 来的损耗，设每段传输光纤损耗为履，大约为每千米0 3 d b ；( 3 ) 耦合器的插入损耗 屈，为0 3 d b 。 定义耦合器的分束比为c = 五厶，、厶分别为从耦合器输出的两路光的光功 率，则 最后一个耦合器的分束比可以根据以下公式计算： l o l g , = 2 ( 层+ 岛) ( 3 1 - 5 ) 第1 一1 个耦合器的分束比可以根据下式计算： 1 0 1 9 q = 2 1 2 f l l + 屐+ 屈+ 1 0 l g ( q + l l + c , + 1 ) 】 ( 3 1 - 6 ) 其中f _ l 、2 、n - 1 。代入届、屐、屈的数值，即可得到每个耦合器的分束 比。 3 2 参考信号提取方法 如2 3 节所述，欲得到声波信号，需要用频率与干涉得到的拍频v 相同的 信号去解调传感信号的相位。这个信号的获取方法一种是由a o m 驱动器的电学驱 动信号经过拍频得到。但是经过与生产a o m 驱动器的b r i m r o s e 公司联系，如 果从电学端引出频率为鲈的参考信号，会导致a o m 输出光脉冲的消光l l t 降。 对于大规模光纤水听器阵列来说，消光比的不足将会导致通道间的串扰，给信号 第2 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 解调带来很大困难，故不能以牺牲消光比为代价。因此本文设计了从光学端得到 参考信号的结构，如图3 1 中，耦合器c 4 的输出光经过光电转换和信号采集后，即 作为解调传感信号的参考信号。因为输入厶、e 5 的信号均由c 2 、c 3 分束得来，因 此经过巳后干涉得到的信号与从阵列端返回的携带信息的干涉信号拍频相同，从 以下的理论分析即可看出： 设经声光调制器后，输入到耦合 c 4 的两路光信号分别为： c e o s 2 z c ( f + f ) t + 如 ( 3 2 一1 ) c c o s 2 厅( 厂+ 五) f + 鹾】 ( 3 2 - 2 ) 由式( 2 3 1 ) 得，参考通道信号为 以l = ce o s ( 2 r a l f i + )( 3 2 3 ) 其中a f = z 一正，= 办7 一欢。进入传感阵列发生干涉的两路光分别为： 信号臂：a c o s 2 z c ( f + f 1 ) t + # , + 吮】 ( 3 2 4 ) 参考臂：a c o s 2 ，r ( f + f 2 ) t + # 2 】( 3 2 - 5 ) 同样由式( 2 2 1 ) ( 2 3 1 ) ，传感通道信号为 儿= 彳c o s ( 2 屈驴+ 谚) ( 3 2 6 ) 其中谚= 绣+ ( 磊一九) 。 由2 3 节可知，还需得到参考信号只：= c s i n ( 2 r , a f i + ) 才能对传感信号进行 解调。可以采用4 种方法在数字端得到该信号： ( 1 ) 对采集的传感通道信号 。做f f t 变换到其频域，然后移项要，即乘以 e x p ( j i 7 1 ) ，再做逆变换变回到时域； ( 2 ) 采用移点的方法，首先计算出采集的参考信号中每个周期的点数，然后移 动这些点数的四分之一，即相当于原信号移项要，得到”：； ( 3 ) 对信号y 。取微分； 第3 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 4 ) 做h i l b e r t 变换。 1 其中，采用移点的方法会损失原信号的周期信息，取微分会损失一个点的信息， 珥 但理论上对解调的影响都不会很大。 这样提取参考信号还有一个优点，就是可以消除由频率波动对信号解调的影 响。假设某一时刻，由于光源或声光调制器的原因造成了频率的波动，使得拍频 由矽变为，则式( 2 3 5 ) 、( 2 3 6 ) 分别变为 以= 4 c o s ( 2 7 砼厂+ 谚) ( 3 2 - 7 ) ”i = c c o s ( 2 硝 + 痧) ( 3 2 8 ) 只”i = 彳c o s ( 2 7 彤 + 谚) c c o s ( 2 群 + 九) = 吉删c o s ( 2 舻+ 谚+ 吮) + c o s ( 破一删 ( 3 2 9 ) 依据上述参考信号提取方法，”：由只。在数字端变化得到，因此 ：的拍频也 为矽，则 只”2 = 彳c o s ( 2 蟛+ 谚) c s i n ( 2 7 彤 + ) = 丢彳c 【s i n ( 2 厅2 厂 + 谚+ ) 一s i n ( 破一) 】 ( 3 2 - 1 。 经过低通滤波，( 3 2 9 ) 、( 3 2 1 0 ) 中拍频厂的变化将被滤除，因此光频的变化 不会影响到解调结果。 3 3 系统串扰分析 串扰是光纤水听器阵列时分复用系统的一个重要影响因素3 引。时分复用通道 间串扰过大，将导致系统复用能力下降，使水声信息检测出现偏差。 3 3 1 串扰的形成原因 在光纤水听器时分复用系统中，光源输出光通过调制器后产生光脉冲，光脉 冲由耦合器分光，经延迟光纤进入各个通道，输出的光经耦合器合光后形成一组 携带水声信息的时分复用光脉冲序列，理想情况下，每个脉冲只对应一个通道的 第3 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 信息。 但在实际中，由于光脉冲调制器的非理想特性，消光比有限，使得光脉冲调 制器在关断时不完全，即有少许光泄漏，这些连续的泄漏光把某一个通道或多个 通道接收到的水声信息带入到别的通道，从而形成了串扰f 3 9 】。 在时分复用系统光路某一通道为选通状态下，即输入脉冲光，其探头内的传 感臂、参考臂的光信号电矢量幅度为易；同时，其余通道输入泄漏的连续光，其 探头内干涉仪两臂中的光信号电矢量幅度为毛。不考虑系统附加损耗的情况下， 有： 7 7 = 鲁_ 1 0 等 ( 3 3 - 1 ) e r 为消光比， 胁g 笔 3 埘 3 3 2 系统串扰分析 时分复用系统中的串扰可以分为强度叠加串扰和相干叠加串扰两种情况。 本系统中所用的光源为低噪声高相干光源，因此通道间串扰表现为相干叠加 形式。系统最终输出光强为： nn p = ( 云如+ 面，。) ( 面捃+ 吾配) ( 3 - 3 3 ) f = i 扛l 其中n 为探头数目，云豇为各探头中传感臂电矢量，西耙为各探头中参考臂电矢量。 考察其中第号探头在系统工作过程中其他探头对该探头的串扰，该通道为脉 冲光输入，其余通道为泄漏光。 第号探头传感臂和参考臂的幅度为： 点02ec o s 2 7 r ( 厂+ z ) f + 啦+ 嘭o 】 点名2ec o s 2 万( 厂+ 五) f + 屯+ 。】 ( 3 3 - 4 ) ( 3 3 - 5 ) i l l - - l _ _ - - _ - _ i - _ l _ - i _ i l _ l - - _ 一 _ 第3 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第七号探头传感臂和参考臂的电矢量幅度为： 瓦= b c o s 2 万( 厂+ 石y + 九+ 噍o 】 e 乙= 易c o s 2 万( + 正弦+ 屯+ 以o 】 将( 3 3 3 ) ( 3 3 6 ) 代入( 3 3 2 ) 中，得： 弓= 三e c o s 2 石( z 一正弦+ ( 啦一九) + ( 办。一。) 】 1 = 寺e 岛c o s 2 万( z 一五) f + ( 靠一九) + ( 彩。一以。) 】 七= l = 去局乜c o s ( 靠一九+ 蜘一欢。) 七= i ( 3 3 - 6 ) ( 3 3 - 7 ) ( 3 3 8 ) ( 3 3 - 9 ) ( 3 3 1 0 ) = 寺e 也 c o s 2 万( 以一石) f + ( 屯一九) + ( 蛎一识。) 】 ( 3 3 1 1 ) 厶 七= i 七， 1 = 去已岛c o s ( 九一丸+ 形。一磷。) ( 3 3 1 2 ) 厶 七= l i 其中( 3 3 8 ) 式为探头的干涉信号； ( 3 3 9 ) 式为第j 号探头传感臂与其余探头参考臂干涉串扰信号； ( 3 3 1 0 ) 式为第j 号探头传感臂与其余探头传感臂干涉串扰信号； ( 3 3 1 1 ) 式为第j 号探头参考臂与其余探头传感臂干涉串扰信号； ( 3 3 1 2 ) 式为第j 号探头参考臂与其余探头参考臂干涉串扰信号； ( 3 3 一1 1 ) 、( 3 3 - 1 2 ) 式不含有信号九项，可以忽略，这样，( 3 3 3