水面聲光耦合光纖水聽器的抗波浪解調(diào)方法

李棟，周金海，瞿柯林，祝艷宏，金曉峰*

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

摘要：為了減弱基于水面聲光耦合的光纖水聽器水面波動(dòng)對解調(diào)信號造成的幅度衰落，采用了利用檢測信號臂光強(qiáng)度信息補(bǔ)償解調(diào)信號幅度的方法。從理論上推導(dǎo)了該方法修正解調(diào)信號的過程，并對該過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，同時(shí)實(shí)際搭建光纖水聽器探測系統(tǒng)，利用π/2相位解調(diào)法對水面恒定振動(dòng)信號進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，相比原始解調(diào)信號，修正后的信號幅度基本穩(wěn)定，幅度值整體提高5dB，解調(diào)信號失真度減小，相位噪聲得到抑制，信噪比得到提高，可辨認(rèn)信號時(shí)間長度擴(kuò)展為原來的3.5倍。該方案能有效克服由水面波動(dòng)引起的解調(diào)信號衰落現(xiàn)象，信號質(zhì)量得到優(yōu)化，系統(tǒng)抗波浪解調(diào)能力得到提高。

關(guān)鍵詞：光纖光學(xué)；光纖水聽器；水聲測量；抗波浪解調(diào)；π/2相位解調(diào)法

*通訊聯(lián)系人。E-mail:jinxf00@zju.edu.cn

引言

20世紀(jì)70年代，伴隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)越性，迅速發(fā)展成為一種新型的傳感技術(shù)，而光纖水聽器作為光纖傳感器的一個(gè)典型研究領(lǐng)域，更是受到了研究者的青睞[1-2]，其在資源勘探、海洋環(huán)境測量以及軍事潛艇等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[3-4]。目前研究的重點(diǎn)之一是水聲測量，其關(guān)鍵技術(shù)是盡可能無失真地檢測水下振動(dòng)信號[5]。

傳統(tǒng)的光纖水聽器需要依靠浸入水中的傳感頭將聲波信號轉(zhuǎn)化為光信號，但因此也限制了光纖水聽器在大范圍海底表面遙感以及復(fù)雜海底情況下的使用[6-8]。為了提高光纖水聽器的靈活性和機(jī)動(dòng)性，美國海軍水下作戰(zhàn)中心BLACKMON等人提出了基于水面聲光耦合技術(shù)的光纖水聽器，并利用激光多普勒原理進(jìn)行水下聲波的檢測[9]。然而，在水面波動(dòng)時(shí)，解調(diào)信號會(huì)出現(xiàn)衰落甚至消隱現(xiàn)象，這對探測結(jié)果造成了很大影響。為此，BLACKMON等人又提出了增大激光束直徑和接收端面積的方法，并且采用基于激光的反射跟蹤系統(tǒng)來減弱信號衰落，但是在水面較大波動(dòng)情況下仍然無法實(shí)時(shí)跟蹤反射光，而且該跟蹤系統(tǒng)的引入會(huì)給原有檢測系統(tǒng)帶來額外噪聲，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)固有的調(diào)制頻率和附加的多普勒頻移[10]。

針對上述情況，作者在本文中探究了信號臂光強(qiáng)度和解調(diào)信號幅度之間的關(guān)系，繼而提出了一種通過實(shí)時(shí)測量信號臂光強(qiáng)度信息來補(bǔ)償解調(diào)信號幅度的方案。

1水面聲光耦合光纖水聽器π/2相位解調(diào)法基本原理

水面聲光耦合的光纖水聽器π/2相位解調(diào)法是近年來提出的一種新型零差解調(diào)方法[11]，圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

Fig.1Structure diagram of the π/2 phase demodulation method for fiber hydrophone based on the acousto-optic coupling on the water surface,C1—1×2 coupler; C2—2×2 coupler; PM—phase modulator; FD—frequency divider; SG—signal generator; PD— photodetector; DAQ—device-data acquisition device

參考臂和信號臂光信號在分光比為50∶50的2×2耦合器中發(fā)生干涉效應(yīng)，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，得到的電壓信號形式為:

式中，fs(t)為需要檢測的水聲振動(dòng)信號，ps(t)為光相位調(diào)制器的相位調(diào)制方波信號，φ(t)為總相位噪聲，A1為干涉輸出直流分量大小，A2為:

式中，k為光電探測器的電壓光譜響應(yīng)度，I為激光器的輸出光強(qiáng)，P1為C1耦合器分信號臂光功率百分比，L1和L2分別為參考臂和信號臂的光功率衰減系數(shù)。

將兩路電信號送入數(shù)據(jù)采集器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將(1)式和(2)式兩式相減，得到的數(shù)據(jù)中奇數(shù)點(diǎn)和偶數(shù)點(diǎn)分別取出，即為兩路正交信號，為了使兩路信號對應(yīng)點(diǎn)在時(shí)間上保持一致，對其中一路信號相鄰兩點(diǎn)取平均值做近似處理，最后采用微分交叉相乘法(differentiate and cross multiply,DCM)，將所需的信號fs(t)解調(diào)出來，解調(diào)結(jié)果形式如下：

2信號幅度補(bǔ)償原理

將上述解調(diào)系統(tǒng)用于實(shí)際檢測，設(shè)定水下振動(dòng)信號恒定不變，當(dāng)水面波動(dòng)時(shí)，解調(diào)信號會(huì)出現(xiàn)幅度衰落、甚至消隱，這將嚴(yán)重影響解調(diào)信號的質(zhì)量，干擾了對解調(diào)信號的判斷，給后期的數(shù)據(jù)分析造成了極大的困難。

造成信號衰落的主要原因是，光纖準(zhǔn)直器位于水面上方，且其出射激光方向垂直向下并保持不變。水面波動(dòng)時(shí)，反射光不能原路返回，準(zhǔn)直器接收到水面反射光功率不斷變化，可以反映在信號臂衰減系數(shù)L2的變化上。由(3)式和(4)式兩式可知，L2的變化引起A2的變化，最終使得解調(diào)信號產(chǎn)生幅度失真。

如果在原有信號臂上分出一部分光，并進(jìn)行光電探測，就得到信號臂的光強(qiáng)度信息，可以根據(jù)這一路信號的大小來補(bǔ)償解調(diào)信號幅度的衰落，稱這一光路為檢測臂。

設(shè)信號臂耦合器分檢測臂光功率百分比為P2，那么經(jīng)過光電探測后輸出檢測臂光強(qiáng)信號為:

而兩路干涉信號經(jīng)過光電探測后形式仍為(1)式和(2)式，但是A1和A2被B1和B2代替，其中，B1為干涉輸出直流分量大小，B2為:

那么重復(fù)上述解調(diào)過程，得到的解調(diào)結(jié)果形式仍然如(4)式所示，其中的A2也相應(yīng)地被B2代替。將(6)式代入解調(diào)信號中:

(7)式除以(5)式，得到:

這時(shí)，水面波動(dòng)情況下解調(diào)信號中的變量L2被消掉了，由于剩下的參量可以認(rèn)為是基本恒定不變的，因此就得到了無失真的解調(diào)信號。

Fig.2Resultsofnumericalsimulation(samplingrate: 200kHz;signalfrequency: 3.6kHz)

a—originalsignalandoutputofPD3(PD3:photodetectorofthedetectionarm)b—amendedsignalc—spectrumoforiginalsignald—spectrumofamendedsignal

3數(shù)值仿真

下面對恒定振幅的單頻水下信號進(jìn)行數(shù)值仿真。水面波動(dòng)較劇烈時(shí)，在很長一段時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)直器接收不到或者只接收到極少量的水面反射光，這段時(shí)間解調(diào)信號會(huì)淹沒在系統(tǒng)的基底噪聲中，信噪比很差。由于修正過程會(huì)將噪聲同步放大，為了使修正結(jié)果獲得更高的信噪比，需要選取一段有效時(shí)間?，F(xiàn)定義最小信號幅度系數(shù)為實(shí)際可以接收的最小信號幅度與一固定信號幅度的比值，這個(gè)固定的信號幅度就是解調(diào)信號補(bǔ)償之后最終得到的穩(wěn)定幅度，同時(shí)將解調(diào)信號幅度大于最小可接收信號幅度的這段時(shí)間稱為修正信號的有效時(shí)間。根據(jù)(5)式和(7)式可知，原始解調(diào)信號幅度和檢測臂信號幅度是成正比的，為了方便信號處理，現(xiàn)將檢測臂信號歸一化，其中的歸一化電壓值對應(yīng)解調(diào)信號修正后的穩(wěn)定幅度。下面對水面波動(dòng)較大情況下的修正過程進(jìn)行仿真。

仿真中設(shè)采樣率為200kHz，水下振動(dòng)信號頻率為3.6kHz，選取最小信號幅度系數(shù)為0.04，在有效時(shí)間段內(nèi)得到圖2的仿真結(jié)果。時(shí)域上，由于水面波動(dòng)造成解調(diào)信號幅度出現(xiàn)衰落，補(bǔ)償之后的信號幅度在有效時(shí)間內(nèi)基本保持恒定;頻域上，修正后解調(diào)信號幅度整體比原始信號高5dB，而且信號帶寬有所減小，信號頻率更加集中，說明修正后信號的相位噪聲得到抑制，信噪比得到提高。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面搭建采用抗波浪解調(diào)方案的光纖水聽器π/2相位解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。和圖1相比，信號臂上多了一個(gè)1×2耦合器，將準(zhǔn)直器移至水面之上，并調(diào)節(jié)其出射的激光方向垂直向下，同時(shí)壓電換能器產(chǎn)生3.6kHz恒定振幅的水下振動(dòng)信號。信號發(fā)生器輸出200kHz的方波觸發(fā)采樣，并通過分頻器驅(qū)動(dòng)光相位調(diào)制器。將3路光電探測器輸出的電信號送入數(shù)據(jù)采集器中，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)處理。

Fig.3Structurediagramofanti-wavedemodulationexperiment(C3:1×2coupler)

取水面波動(dòng)較劇烈時(shí)刻采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并選取最小信號幅度系數(shù)為0.04的一段有效時(shí)間進(jìn)行分析，如圖4所示。

Fig.4Experimentalresults(samplingrate: 200kHz;signalfrequency: 3.6kHz)

a—originalsignalandoutputofPD3(PD3:photodetectorofthedetectionarm)b—amendedsignalc—spectrumoforiginalsignald—spectrumofamendedsignal

圖4a中原始解調(diào)信號中間時(shí)刻的幅值較大，兩端幅值較小，信號衰落現(xiàn)象嚴(yán)重，并且和檢測臂信號變化情況相同。圖4b是采用抗波浪解調(diào)方法對原始解調(diào)信號進(jìn)行幅度補(bǔ)償?shù)玫降臅r(shí)域結(jié)果，可以看出，修正后信號幅度較原始信號有了很明顯改觀，在有效時(shí)間段內(nèi)基本保持穩(wěn)定。圖4c、圖4d兩圖所示的是頻域結(jié)果，對比幅度補(bǔ)償前后，補(bǔ)償后信號幅度比之前整體提高5dB，而且由于幅度的不穩(wěn)定造成的3.6kHz單頻信號出現(xiàn)頻帶展寬等現(xiàn)象，也得到了很好的改善，信號頻率更加純凈。

另外，通過計(jì)算得到如下數(shù)據(jù)，原始解調(diào)信號的3dB帶寬為80Hz，修正后為25Hz，相位噪聲得到很好的抑制；原始解調(diào)信號和水下振動(dòng)信號的互相關(guān)系數(shù)為0.6689，修正后為0.7237；如果設(shè)幅度減小到無失真信號的1/2為幅度失真下限，幅度大于這一下限的時(shí)間為可辨認(rèn)信號時(shí)間，那么原始解調(diào)信號的可辨認(rèn)信號時(shí)間長度為0.005s,而修正后可辨認(rèn)信號時(shí)間長度為0.0175s，擴(kuò)展為原來的3.5倍。

雖然修正后解調(diào)信號幅度較原始信號有了很大改觀，但是仍然存在一定程度的幅度波動(dòng)，其主要原因有以下幾點(diǎn)：(1)由于實(shí)驗(yàn)室水池有限，水面回波會(huì)對水面振動(dòng)產(chǎn)生干擾；(2)在(8)式的修正結(jié)果中，所示的k,I,P1,P2,L1等參量在上述分析中都認(rèn)為是恒定不變的，而實(shí)際上，因?yàn)榄h(huán)境影響、器件本身都會(huì)造成這些參量的不穩(wěn)定；另外，數(shù)據(jù)采集、解調(diào)過程和修正處理過程均會(huì)存在一定的誤差。

以上分析的是水面波動(dòng)比較劇烈的情況，這種情況相對復(fù)雜，對于水面波動(dòng)較弱的情況，在所有時(shí)間段內(nèi)均可以進(jìn)行幅度補(bǔ)償，修正過程和上述過程類似，在此不做詳細(xì)闡述。

5結(jié)論

由于水面波動(dòng)對解調(diào)信號造成的衰落現(xiàn)象和信號臂光功率變化密切相關(guān)，因此通過實(shí)時(shí)檢測信號臂光強(qiáng)度信息，并據(jù)此對解調(diào)信號進(jìn)行幅度補(bǔ)償在理論上是可行的。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果是一致的，表明該方案不僅能夠改善水面波動(dòng)對解調(diào)信號造成的影響，還能在一定程度上減弱解調(diào)信號相位噪聲，擴(kuò)大可辨認(rèn)信號的時(shí)間范圍、提高信號質(zhì)量、增大系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，是一種簡便有效的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]HOUJF,PEIL,LIZX, et al.Developmentandapplicationofopticalfibersensingtechnology[J].Electro-OpticTechnologyApplication, 2012, 27(1): 49-53 (inChinese).

[2]LINZH,LICF,LIUJC.Opticalfibersensingtechnologyanditsapplicationinmilitarily[J].OpticalCommunicationTechnology, 2011, 35(7): 4-6 (inChinese).

[3]KIRKENDALLCK,DANDRIDGEA.Overviewofhighperformancefibre-opticsensing[J].JournalofPhysics, 2004,D37(18):197-216.

[4]ZHANGRH,NIM.Principleandapplicationsofthefiberoptichydrophone[J].Physics, 2004, 33(7): 503-507 (inChinese).

[5]WANGZL,LUOH,HUYM.Signaldetectiontechniqueforfiber-opticinteferometricsensors[J].JournalofAppliedOptics, 2007, 28(1): 86-91 (inChinese).

[6]CAMPOPIANOS,CUTOLOA,CUSANOA, et al.UnderwateracousticsensorsbasedonfiberBragggratings[J].Sensors, 2009, 9(6): 4446-4454.

[7]MOCCIAM,PISCOM,CUTOLOA, et al.Opto-acousticbehaviorofcoatedfiberBragggratings[J].OpticsExpress, 2011, 19(20): 18842-18860.

[8]NIM,LIXL,ZHANGRH, et al.Seatestsofanall-opticalfiber-optichydrophonesystem[J].ActaAcustica, 2004, 29(6): 539-543 (inChinese).

[9]BLACKMONF,ANTONELLIL.Experimentaldetectionandreceptionperformanceforuplinkunderwateracousticcommunicationusingaremote,in-air,acousto-opticsensor[J].OceanicEngineering, 2006, 31(1): 179-187.

[10]ANTONELLIL,BLACKMONF.Experimentaldemonstrationofremote,passiveacousto-opticsensing[J].AcousticalSocietyofAmerica, 2004, 116(6): 3393-3403.

[11]JINXF,OUJH,HAOR, et al.Noveldemodulationmethodforfiber-opticinterferometersbasedonπ/2phasemodulation[J].PhotonicsTechnology, 2012, 24(22): 1981-1983.

Anti-wave demodulation method for acousto-optic coupling

fiber hydrophones on the water surface

LIDong,ZHOUJinhai,QUKelin,ZHUYanhong,JINXiaofeng

(Department of Information & Electronics Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract：A novel method was put forward to weaken the signal fading phenomenon of an acousto-optic coupling fiber optic hydrophone on the water surface when the water fluctuates. The method compensated the signal amplitude by detecting the light intensity of the signal arm. The amendment process of demodulation signal was analysed in theory and bynumerical simulation. A fiber optic hydrophone system based on π/2 phase demodulation technique was constructed to test the water constant vibration signal. The results show that, compared with the original demodulation signal, the amplitude of the amended signal is stabilized and increased by 5dB wholly. The distortion degree is reduced, the phase noise is suppressed, the signal to noise ratio is improved and the time range of the identifiable signal is extended to 3.5 times. This method can overcome the signal fading phenomenon caused by surface fluctuation effectively, optimize the signal quality and enhance the ability of anti-wave demodulation for the system.

Key words:fiber optics; fiber optic hydrophone;underwater acoustic measurement; anti-wave demodulation; π/2 phase demodulation method

收稿日期：2014-03-31；收到修改稿日期：2014-04-02

作者簡介：李棟(1987-)，男，碩士研究生，主要從事光纖水聲傳感技術(shù)的研究。

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAH34B03)

中圖分類號：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.001

文章編號：1001-3806(2015)01-0001-05