CN102072761A - 一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法，该校准系统是基于OPD4000光相位解调仪而建立，用于干涉型光纤水听器的相移灵敏度校准，校准系统由控制和管理系统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四个子系统组成。光相位解调子系统是基于相位生成载波外调制解调技术的原理组成，能够对干涉光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果。本发明有益的效果是：能精确实时地得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度频率响应，并能提供模拟和数字两种数据形式的输出，适用于各类不同臂长差的相位干涉型光纤水听器相移灵敏度校准，且具有校准频带宽、动态范围大、操作简便和测量不确定度低等特点。

Description

一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法

技术领域

本发明属于水声传感器参数计量领域，主要是一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法。

背景技术

由于光纤传感器所具有的独特优越性，它在国防领域的应用越来越广，主要用于导航和安全防卫等方面。其中，在水声领域应用的光纤传感器主要是光纤水听器及其阵列。光纤水听器是一种新型的声传感器，相对于传统的压电水听器，光纤水听器具有探测灵敏度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声纳的一个重要发展方向。所以，在1976年美国海军研究室的Bucaro等人发表第一篇有关光纤水听器的论文后，各军事强国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤水听器的研究和试验。目前中国国内还没有建立有关光纤水听器灵敏度校准方面的系统。

光纤水听器是一种新型的声传感器，相对于传统的压电水听器，光纤水听器具有灵敏度高、频带响应宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声纳的一个重要发展方向。根据其传感原理，大致可分为强度调制型、偏振调制型、相位调制型和波长调制型四种光纤水听器类型，这四种光纤水听器中，强度型和偏振型光纤水听器由于其探测灵敏度远不如相位干涉型，目前已基本不再研究；以FBG为核心元件的波长调制型光纤水听器近年来正在不断研究发展，但主要还停留在实验室或者试验阵列的研究阶段；目前工程实用化的光纤水听器均采用相位调制型。

通常压电水听器校准的电声参数主要是灵敏度，而光纤水听器根据其工作原理的不同，其主要的电声参数有可能是灵敏度，也有可能是相移灵敏度，如目前研究最为成熟的相位调制型光纤水听器的电声参数就是相移灵敏度。两种灵敏度在光信号的处理上是不同的。其中，相移灵敏度的检测则比较复杂。对相位干涉型光纤水听器相移灵敏度的校准，通常采用的方法有：干涉条纹计数法和贝塞尔函数比值法。干涉条纹计数法非常直观，但在信号较小且有干扰时误差偏大；在信号较大干涉条纹数较多时精度较高。贝塞尔函数比值法利用贝塞尔函数比值求得相位干涉型光纤水听器光相移，从而得到光纤水听器相移灵敏度的方法，在信噪比不高时校准精度较差。而目前最先进的是利用光纤水听器信号解调技术如相位载波(PGC)调制解调技术校准光纤水听器的相移灵敏度。这样的测量具有很高的精度。

PGC方法的基本思想是通过在干涉仪输出相位中生成一个相位载波，使输出信号可以分解为两个正交分量，通过对两者分别处理，可以得到信号的线性表达式。通过相位载波，使光源输出的光波相位随载波信号有规律的变化，从而实现了相位调制。PGC解调则是通过信号处理的方法，从光纤水听器的输出信号中解调出被测信号。

发明内容

本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法，用于对新型水听器——相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度校准和测量。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统，由控制和管理系统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四个子系统组成，控制和管理系统是计算机及其外设，通过通用接口管理与控制水声信号发射系统，光相位解调系统和电信号接收系统三部分工作，并进行参数设置和信号处理计算；水声信号发射系统由信号源、功率放大器、发射换能器和声管组成，用于得到光纤水听器校准所需要的声场；信号源的信号通过功率放大器放大后，输入发射换能器，发射换能器发出特定频率的声信号，以水为声波传播媒质，在声管中形成稳定的声场；光相位解调系统用于解调光纤水听器输出的光干涉信号，光纤水听器感应声场中的声波，并输出光干涉信号进入解调仪处理；电信号接收系统由滤波器，示波器和数字采集卡组成，采集卡采集被测光纤水听器光信号解调系统的模拟输出信号和标准水听器的输出信号。

光相位解调子系统由OPD4000相位解调仪、窄线宽激光光源和外调制器组成，用于对干涉光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果，从光纤水听器出来的光干涉信号经过解调处理以后得到所需要的光相位数值。

本发明所述的这种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准方法，步骤如下：首先窄线宽激光光源经过外调制器的高频调制后进入光纤水听器，输入光在光纤水听器内部分成感应臂光路和参考臂光路两路，光纤水听器处在声场中，声波作用在光纤水听器上，使得水听器内部的感应臂光纤产生变化，而水听器的参考臂不感应声场，感应臂和参考臂干涉后的干涉光输入到解调仪中，采用PGC信号处理技术解调出的干涉光的光相位，该光相位的数值与声波的大小成固定比例，得到声波大小和光相位大小，然后依据公式得到光纤水听器的相移灵敏度。

作为优选，校准系统采用比较法，将相位干涉型光纤水听器和标准水听器分别或同时置于校准声场中进行测量，标准水听器是指其灵敏度已知的水听器，用于测量声场大小，在声压作用下光纤水听器输出受调制的光信号，经光电转换后变成电信号，相位解调后对它进行测量得到其光相移值为φ；再测得标准水听器输出的开路电压信号U₀；利用已知的标准水听器的灵敏度M₀，灵敏度通常采用对数的表达方式，由下列公式进行计算，即可得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度级M_φ，式中，相移灵敏度级Mφ的基准值为1rad/μPa。

本发明有益的效果是：精确校准相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度，为衡量相位干涉型光纤水听器的性能优劣提供科学依据。本发明采用OPD4000相位解调仪、窄线宽激光光源和外调制器组成干涉型光纤水听器的光相位解调系统。本发明能精确实时地得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度频率响应，并能提供模拟和数字两种数据形式的输出，适用于各类不同臂长差的相位干涉型光纤水听器相移灵敏度校准，且具有校准频带宽、动态范围大、操作简便和测量不确定度低等特点。

附图说明

图1为OPD4000解调仪信号处理原理过程图。

图2为相位干涉型光纤水听器相移灵敏度通用校准系统中的光信号解调子系统连接示意图。

图3为相位干涉型光纤水听器相移灵敏度通用校准系统构成框图。

图4为相位干涉型光纤水听器相移灵敏度通用校准系统连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本发明涉及一种于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统，校准系统能够精确校准相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度。该系统用于相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度校准，校准系统由控制和管理系统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四个子系统组成。本发明中的光相位解调子系统采用OPD4000解调仪进行光信号处理，OPD4000内部信号处理原理过程如图1所示，能够对干涉光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果，从光纤水听器出来的光干涉信号经过解调处理以后得到所需要的光相位数值。光干涉信号的PGC解调通常采用软解调来实现。软解调是指采集光电转换后的电信号，采用计算机通用信号处理软件编写处理过程，进行分析提取，处理过程全部数字化，但不能实现实时解调。本发明系统中的解调子系统采用OPD4000解调仪解调光干涉信号，是属于硬件解调，主要是采用DSP板制作，带有光电接收转换放大、A/D转换、滤波器、D/A转换等硬件部分，采用FPGA编写处理过程，自动采集处理，能够实现实时解调，采用模拟信号输出。该OPD4000解调仪功能强大，性能优越，由其组成的解调系统能够在较大声频带内实现精确解调。

相移灵敏度的定义为M＝φ/P，其中的φ是光相位大小，P是声压大小。光相位解调子系统是光纤水听器相移灵敏度校准装置的核心部分，采用相位生成载波外调制解调技术(PGC)，具有快速解调输出和较高的相位解调精度等特点，主要由光源部分、载波部分和解调输出部分组成。光源部分采用窄线宽激光光源，载波部分采用外调制器，外调制器受OPD4000控制，解调输出部分采用OPD4000解调仪，解调系统连接图如图2所示，首先光源的窄线宽激光经过外调制器的高频调制后进入干涉型光纤水听器，输入光在光纤水听器内部分成感应臂光路和参考臂光路两路，水听器处在声场中，声波作用在光纤水听器上，使得水听器内部的感应臂光纤产生变化，而水听器的参考臂不感应声场，从而感应臂和参考臂干涉后的干涉光输入到解调仪中，采用PGC信号处理技术解调出的干涉光的光相位，原理过程如图1所示，该光相位的数值与声波的大小成固定比例，从而得到声波大小和光相位大小后就可以依据公式得到光纤水听器的相移灵敏度。

校准系统采用比较法，将相位干涉型光纤水听器和标准水听器分别或同时置于校准声场中进行测量，标准水听器是指其灵敏度已知的水听器，用于测量声场大小。在声压作用下光纤水听器输出受调制的光信号，经光电转换后变成电信号，相位解调后对它进行测量得到其光相移值为φ；再测得标准水听器输出的开路电压信号U0；利用已知的标准水听器的灵敏度M0，灵敏度通常采用对数的表达方式，由下列公式进行计算，即可得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度级Mφ。

$M_{\mathrm{\φ}}=20\lg \left(\frac{\mathrm{\φ}}{U_0}\right)+M_0$

式中，相移灵敏度级Mφ的基准值为1rad/μPa。

本方案中基于OPD4000解调仪的光相位解调系统有两大特点：一是载波频率较高，能达到70kHz，从而能够解调较高频率的声信号(达到35kHz)，并且声信号有较大的动态范围；二是光源线宽窄(1kHz)，相干性良好，能够适用于各类不同臂长差的相位干涉型光纤水听器的灵敏度校准，臂长差范围可达20cm～200m。

相位干涉型光纤水听器电声参数校准系统构成模块如图3所示，具体连接方式如图4所示。各仪表为市场上通用的商业仪表，系统分别由控制和管理系统、水声信号发射系统、光信号解调系统和电信号接收系统四部分组成，其中光信号解调系统是核心部分。

(1)控制和管理系统主要是计算机及其外设，它通过通用接口管理与控制水声信号发射系统，光信号解调系统和电信号接收系统三部分工作。并进行参数设置和信号处理计算。

(2)水声信号发射系统主要由信号源、功率放大器、发射换能器和声管组成，用于得到光纤水听器校准所需要的声场。信号源的信号通过功率放大器放大后，输入发射换能器，发射换能器发出特定频率的声信号，以水为声波传播媒质，在声管中形成稳定的声场。

(3)光信号解调系统用于解调光纤水听器输出的光干涉信号。干涉型光纤水听器感应声场中的声波，并输出光干涉信号进入解调仪处理。

(4)电信号接收系统主要由滤波器，示波器和数字采集卡组成。采集卡采集被测光纤水听器光信号解调系统的模拟输出信号和标准水听器的输出信号。

测量时，由计算机控制信号源输出一正弦电压信号，信号频率范围在20Hz～20kHz，通过功率放大器放大后激励发射换能器工作，换能器两端的电压在0～15Vpp范围内，产生测量所需的声场条件。被校光纤水听器和标准水听器分别置于声场中接收声信号。窄线宽激光光源输出光信号经过外调制器后输入光纤水听器，受声压信号调制后的光信号由光纤水听器输出，由光相位解调系统进行接收并解调，相位解调系统直接输出反映光相移的电压信号，经过数据采集器进行信号采集。同时，标准水听器的输出开路电压信号也由测量放大器进行放大后，输入数据采集器进行采集，再由计算机进行处理，最后得到被校光纤水听器的相移灵敏度。

1、首先连接装置，放置发射换能器和水听器，并达到稳定状态，稳定时间15分钟以上。

2、然后打开各仪表的电源(功放电源不打开)，预热15分钟左右。

3、打开OPD4000解调仪的控制程序进行参数设定，载波频率范围在5kHz～75kHz，外调制器驱动电压在0～100Vpp；调整窄线宽激光光源输出光功率(0～20mW范围)，使得干涉信号的调制度要达到2π锋峰值，其次调整载波相位(0～3.14范围)，使得干涉信号的相位要与载波相位相同；然后调整OPD4000控制程序中的输入光功率控制选项(0～100％)，使得输入光最强，能有较好的信噪比，同时保证不使得解调仪光输入端口过载。这样就满足了解调仪的工作状态。

4、打开系统控制程序，设定好频率和信号幅度等参数后就可以开始测量，信号频率在20Hz～20kHz范围内，信号幅度0～15Vpp。采用数据采集卡分别采集标准水听器和被测光纤水听器的模拟电压信号，在进行计算后得出结果。OPD4000解调仪的D/A转换比例可调(0.25～1024)，因此能够测量较大的声信号。在声信号较小时采用较小的D/A转换比例，可以得到较大的模拟信号；在声信号较大时采用较大的D/A转换比例，可以保证D/A不过载。

测得标准水听器输出开路电压值U₀与被测光纤水听器光相位φ后，利用已知的标准水听器的灵敏度M₀，由公式M_φ＝20lg(φ/U₀)+M₀(单位为rad/μPa)就可以求得光纤水听器的相移灵敏度。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统，其特征是：由控制和管理系统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四个子系统组成，控制和管理系统是计算机及其外设，通过通用接口管理与控制水声信号发射系统，光相位解调系统和电信号接收系统三部分工作，并进行参数设置和信号处理计算；水声信号发射系统由信号源、功率放大器、发射换能器和声管组成，用于得到光纤水听器校准所需要的声场；信号源的信号通过功率放大器放大后，输入发射换能器，发射换能器发出特定频率的声信号，以水为声波传播媒质，在声管中形成稳定的声场；光相位解调系统用于解调光纤水听器输出的光干涉信号，光纤水听器感应声场中的声波，并输出光干涉信号进入解调仪处理；电信号接收系统由滤波器，示波器和数字采集卡组成，采集卡采集被测光纤水听器光信号解调系统的模拟输出信号和标准水听器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统，其特征是：光相位解调子系统由OPD4000相位解调仪、窄线宽激光光源和外调制器组成，用于对干涉光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果，从光纤水听器出来的光干涉信号经过解调处理以后得到所需要的光相位数值。

3.一种采用如权利要求1所述的基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统的校准方法，其特征是：首先窄线宽激光光源经过外调制器的高频调制后进入光纤水听器，输入光在光纤水听器内部分成感应臂光路和参考臂光路两路，光纤水听器处在声场中，声波作用在光纤水听器上，使得水听器内部的感应臂光纤产生变化，而水听器的参考臂不感应声场，感应臂和参考臂干涉后的干涉光输入到解调仪中，采用PGC信号处理技术解调出的干涉光的光相位，该光相位的数值与声波的大小成固定比例，得到声波大小和光相位大小，然后依据公式得到光纤水听器的相移灵敏度。

4.根据权利要求3所述的基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准方法，其特征在于：校准系统采用比较法，将相位干涉型光纤水听器和标准水听器分别或同时置于校准声场中进行测量，标准水听器是指其灵敏度已知的水听器，用于测量声场大小，在声压作用下光纤水听器输出受调制的光信号，经光电转换后变成电信号，相位解调后对它进行测量得到其光相移值为φ；再测得标准水听器输出的开路电压信号U₀；利用已知的标准水听器的灵敏度M₀，灵敏度通常采用对数的表达方式，由下列公式进行计算，即可得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度级M_φ，

式中，相移灵敏度级Mφ的基准值为1rad/μPa。

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