陸旻 張自麗

（第七一五研究所，杭州，310012）

基于參考干涉儀的光纖水聽(tīng)器解調(diào)技術(shù)研究

陸旻 張自麗

（第七一五研究所，杭州，310012）

提出了一種基于參考干涉儀的光纖水聽(tīng)器解調(diào)技術(shù)方案，對(duì)其性能進(jìn)行了分析和研究。通過(guò)對(duì)光纖水聽(tīng)器光源相位噪聲的機(jī)理分析，得出其與解調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的相互關(guān)系；提出基于參考干涉儀的解調(diào)算法，利用兩個(gè)干涉儀OPD相等的原理，抵消系統(tǒng)的光源相位噪聲，降低系統(tǒng)噪聲本底，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍；提出此解調(diào)方案在工程應(yīng)用中的兩種方法，對(duì)兩者的利弊進(jìn)行了理論分析。根據(jù)提出的解調(diào)方案進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)噪聲本底降低了約50 dB，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論的正確性。

光纖水聽(tīng)器；參考干涉儀； PGC；光源相位噪聲；動(dòng)態(tài)范圍

光纖水聽(tīng)器是通過(guò)接收水中的聲波信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和識(shí)別的一種傳感器，具有靈敏度高、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾、適于遠(yuǎn)距離傳輸與成陣等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的一種新型水聽(tīng)器。在工程應(yīng)用中，光纖水聽(tīng)器信號(hào)解調(diào)技術(shù)有兩個(gè)重要指標(biāo)，即動(dòng)態(tài)范圍和頻帶寬度。增大信號(hào)解調(diào)的動(dòng)態(tài)范圍必須以低的解調(diào)噪聲為基礎(chǔ)。一方面，動(dòng)態(tài)范圍本身即為最大不失真信號(hào)和最小可檢測(cè)信號(hào)之差，解調(diào)噪聲的升高將減小動(dòng)態(tài)范圍；另一方面，只有足夠低的信號(hào)解調(diào)噪聲才能保證聲吶對(duì)弱信號(hào)的探測(cè)性能。在同樣等效自噪聲壓的要求下，降低信號(hào)解調(diào)噪聲，可以降低對(duì)光纖水聽(tīng)器靈敏度的要求，有利于高強(qiáng)度聲壓信號(hào)的探測(cè)，增大動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)也有利于光纖水聽(tīng)器耐靜水壓性能及減小尺寸。信號(hào)解調(diào)噪聲的來(lái)源包括激光器、調(diào)制器、光纖放大器、探測(cè)器、A/D采樣電路等，甚至包括傳輸光纖鏈路的不均勻反射、溫度擾動(dòng)及應(yīng)變擾動(dòng)等。但所有噪聲均可等效為兩類：光強(qiáng)度噪聲及光相位噪聲。光強(qiáng)度噪聲一般由激光器、調(diào)制器、A/D采樣電路、光纖放大器等引入，其抑制方法主要通過(guò)器件的改進(jìn)。隨著光器件和電子器件發(fā)展，光強(qiáng)度噪聲已得到大幅度改善。激光器、調(diào)制器等不可避免引入頻率或相位噪聲，在光纖水聽(tīng)器輸出中均表現(xiàn)為光相位噪聲。

國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)針對(duì)光纖水聽(tīng)器信號(hào)解調(diào)噪聲進(jìn)行了深入的機(jī)理分析，并提出了相應(yīng)的抑制方法。本文以光源內(nèi)調(diào)制的PGC解調(diào)方法為例，提出一種基于參考干涉儀的光相位噪聲抑制方法。

1 光源噪聲對(duì)解調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍影響分析

在內(nèi)調(diào)制無(wú)源PGC解調(diào)技術(shù)中，激光器產(chǎn)生的噪聲對(duì)解調(diào)信號(hào)有較大影響。要得到不失真的解調(diào)信號(hào)，需要詳細(xì)研究光源噪聲對(duì)解調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，主要是對(duì)動(dòng)態(tài)范圍下限值的影響。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的下限由系統(tǒng)本底噪聲決定，影響系統(tǒng)本底噪聲的因素很多[1]，其中光源作為本底噪聲的主要來(lái)源之一，可分為光強(qiáng)度噪聲和光相位噪聲兩方面[2]。光源相位噪聲作用在非平衡干涉儀上產(chǎn)生相位φn，不考慮光功率起伏，探測(cè)器輸出如下[3]：

其中ωc為載波角頻率，φ(t)為聲信號(hào)作用于干涉儀上產(chǎn)生的相位差。從（1）式可知，φn的存在與聲信號(hào)相混合，當(dāng)φn的頻段與聲信號(hào)頻段不重疊時(shí)，可通過(guò)帶阻濾波的方式消除；當(dāng)φn的頻段與聲信號(hào)頻段重疊時(shí)，需其他方法來(lái)抑制φn。

在非平衡干涉儀中，影響干涉儀系統(tǒng)噪聲本底的光源相位噪聲是由于光源存在線寬而產(chǎn)生的。盡管窄線寬低噪聲激光器技術(shù)已取得很大進(jìn)展，但仍存在一定的頻率噪聲，其經(jīng)過(guò)干涉儀轉(zhuǎn)化為光相位噪聲。以Michelson干涉儀為例，假定光源線寬為δv，通過(guò)調(diào)制光頻，相位調(diào)制輸出為：

其中n為光纖纖芯折射率，c為光速，l為干涉儀兩臂差，Δv為頻移最大量。

由（2）式可知，相位噪聲φn：

φn與nl·δv成正比，減少干涉儀兩臂光程差或者降低激光器線寬均可抑制φn。在系統(tǒng)中光源光頻調(diào)制范圍一定，光程差nl不可能無(wú)限制減小，因此該方法抑制φn的程度有限。下面進(jìn)行數(shù)字仿真。

為討論方便，假設(shè)噪聲為白噪聲，根據(jù)（1）式，取A=1V，B=1V，C=2.37rad，ωc=10kHz，φ(t)=0，φn分別為10?2、10?4、10?6radHz，輸入聲信號(hào)為0，采樣率100 kHz。PGC解調(diào)輸出信號(hào)功率譜如圖1～3所示。

圖1φn=10?2radHz時(shí)PGC解調(diào)輸出頻譜分析

圖2φn=10?4radHz時(shí)PGC解調(diào)輸出頻譜分析

圖3φn=10?6radHz時(shí)PGC解調(diào)輸出頻譜分析

由上述分析可知，PGC解調(diào)噪聲隨著光相位噪聲幅度變化而線性變化。為了得到系統(tǒng)所能解調(diào)的動(dòng)態(tài)范圍下限值，加入頻率為500 Hz，幅值為0.000001～0.01 rad等間隔變化的聲信號(hào)，取光相位噪聲φn=10?2radHz，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4，局部放大見(jiàn)圖5，圖中橫坐標(biāo)為聲信號(hào)幅值，縱坐標(biāo)為PGC解調(diào)噪聲。

圖4 聲信號(hào)輸入輸出對(duì)應(yīng)圖

圖5 局部放大圖

如圖所示，由于PGC解調(diào)噪聲的存在，當(dāng)輸入聲信號(hào)幅度較小時(shí)，基本被噪聲所覆蓋，當(dāng)輸入信號(hào)幅度增大時(shí)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處即能檢測(cè)得到信號(hào)幅度最小值，為0.0001 rad，計(jì)算可得動(dòng)態(tài)范圍下限值20lg(0.0001)=?80 dB。同樣的方法，可計(jì)算nφ值不同時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍下限值，如圖6。要想切實(shí)提高水聽(tīng)器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，抑制光源相位噪聲是有效的途徑之一。

圖6 光源相位噪聲與動(dòng)態(tài)范圍下限關(guān)系曲線圖

2 理論研究

本文研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，最大的不同就是在原有的水聽(tīng)器的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)參考干涉儀。參考干涉儀置于安靜環(huán)境中（減隔振降噪處理），與水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)完全相同，輸出信號(hào)中均包含光源或光調(diào)制引入的光相位噪聲。兩者光程差相等，由此可得兩者光相位噪聲一致。原理如圖7所示。

圖7 基于參考干涉儀的光相位噪聲抑制原理框圖

水聽(tīng)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換：

其中，φs為聲信號(hào)引起的相位變化；δsφ是光相位噪聲；η為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；ks為條紋可見(jiàn)度；I0是光源平均光強(qiáng)，將（4）式Bessel展開(kāi)：

（5）式中包含ω的基波和二倍頻項(xiàng)，進(jìn)行混頻濾波的鎖相過(guò)程，得到：

同理，參考干涉儀信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)處理得到：

其中，φr為參考干涉儀相位變化；δφr是光相位噪聲。根據(jù)三角公式和差化積原理，Ss(ω)、Ss(2ω)、Sr(ω)、Sr(2ω)進(jìn)一步處理可得到：

原理框圖見(jiàn)圖8。

圖8 信號(hào)處理原理框圖

（10）式和（11）式滿足δφs=δφr，信號(hào)處理后可以不含光源及光調(diào)制引起的光相位噪聲項(xiàng)的正交項(xiàng)。之后采用微分交叉項(xiàng)成的信號(hào)處理方式提取聲信號(hào)φs?φr，φr相比于φs來(lái)講，其數(shù)值較小。算法框圖如圖9。

圖9 微分交叉相乘算法框圖

3 仿真結(jié)果分析

為了更真實(shí)的模擬實(shí)際系統(tǒng)噪聲本底，噪聲信號(hào)采用白噪聲經(jīng)過(guò)濾波處理產(chǎn)生粉紅噪聲，其功率譜密度隨著頻率的增加而降低，在低頻段的干擾更加明顯。聲信號(hào)頻率400 Hz，幅值取10?2rad。圖10為常規(guī)PGC解調(diào)仿真輸出的頻譜分析，圖11為加入了參考干涉儀的PGC解調(diào)仿真輸出。分析圖10和圖11，在系統(tǒng)中加入了參考干涉儀之后，噪聲抑制作用明顯，小幅度聲信號(hào)提取效果增強(qiáng)。提取各頻率點(diǎn)的噪聲幅度，得兩組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。根據(jù)表1，可繪制噪聲幅度分布圖，見(jiàn)圖12。

圖10 常規(guī)PGC解調(diào)輸出頻譜圖

圖11 基于參考干涉儀的PGC解調(diào)輸出頻譜圖

圖12 噪聲幅度分布對(duì)比圖

基于參考干涉儀的PGC解調(diào)噪聲輸出在所需頻段內(nèi)比常規(guī)PGC解調(diào)噪聲輸出降低了50 dB左右，隨著頻率超過(guò)5 kHz，噪聲幅度變化趨于一致。仿真結(jié)果分析可知此方法有效地抑制了系統(tǒng)的光相位噪聲，降低了系統(tǒng)的噪聲本底，對(duì)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍下限有明顯的作用。

4 應(yīng)用分析

在實(shí)際系統(tǒng)中，參考干涉儀必須置于安靜環(huán)境才能起到比較好的效果，一般來(lái)說(shuō)，有兩種途徑，一種是置于干端，一種是置于水下聲基陣中。位于干端的優(yōu)點(diǎn)是不受體積重量限制，可以采用將參考干涉儀封裝在隔振真空腔中以屏蔽外界振動(dòng)和噪聲干擾[4,5]。試驗(yàn)結(jié)果表明，參考干涉儀采用此種封裝方法可有效抑制環(huán)境噪聲干擾（見(jiàn)圖13）。其缺點(diǎn)是：傳輸光纖將引入時(shí)延，使參考干涉儀光相位噪聲和光纖水聽(tīng)器相位噪聲之間存在顯著時(shí)延差，影響噪聲抵消效果。參考干涉儀位于基陣中的優(yōu)點(diǎn)是可以避免傳輸時(shí)延差的影響，缺點(diǎn)是難以采取復(fù)雜的隔振降噪方案。如何選擇和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，需要在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步研究和分析。

圖13 隔振真空腔對(duì)干涉儀環(huán)境噪聲的抑制效果

5 結(jié)論

分析研究了光源相位噪聲對(duì)解調(diào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的影響，對(duì)基于參考干涉儀的PGC解調(diào)技術(shù)方案進(jìn)行了理論研究和應(yīng)用分析。通過(guò)在系統(tǒng)中添加與傳感干涉儀光程差相同的參考干涉儀，利用參考干涉儀的噪聲輸出來(lái)抵消系統(tǒng)的光源相位噪聲，降低系統(tǒng)的噪聲本底，擴(kuò)大了解調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。仿真結(jié)果表明，基于參考干涉儀的解調(diào)技術(shù)方案在降低光路相位噪聲、抑制噪聲本底上有明顯的作用，能夠有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)小幅度聲信號(hào)的檢測(cè)和提取。

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