CN102680072B - 用于光纤水听器pgc时分复用系统降噪的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，包括：光源、脉冲调制器、水听器阵列、用于将输入的脉冲信号反射后形成时间上错开的至少三路参考信号的参考单元、补偿干涉仪、探测器、解调模块以及通过至少三路参考信号对水听器阵列生成的传感信号进行降噪处理降噪模块。本发明还公开了一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的方法，包括：得到传感信号和至少三路参考信号；对所述传感信号和参考信号进行干涉后转换为电信号，根据转换后的至少三路参考信号中三项的线性组合值，消除传感信号中直流项光强噪声；解调转换后的传感和参考信号；去除解调后传感信号中的相位噪声和交流光强噪声。本发明提高了系统整体的噪声性能。

Description

用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统及方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统及方法。

背景技术

现有的基于匹配干涉仪的光纤水听器PGC(Phase GeneratedCarrier，相位生成载波，是系统的调制方式)时分复用系统主要包括光源输入、脉冲调制、传感阵列、补偿干涉仪和解调部分。其中水听器探头和补偿干涉仪都采用非平衡的分光比为1∶1的2×2耦合器Miche1son干涉仪，光纤尾端安装FRM(法拉第旋镜)。补偿干涉仪的长臂绕制在PZT(压电陶瓷)上，通过调制PZT上的电压达到信号调制的目的。

时分复用系统的噪声特性决定动态范围和最小可检测精度，是系统性能的重要指标之一，当前时分复用系统噪声源主要为光强噪声，因此需要找到一种有效去除时分复用系统的光强噪声的方法，以改善光纤水听器系统的噪声性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统及方法，以改善光纤水听器系统的噪声性能。

(二)技术方案

为解决上述问题，一方面，本发明提供了一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，包括：

光源，用于发出初始信号；

脉冲调制器，用于将光源发出的初始信号调制成脉冲信号；

水听器阵列，用于根据环境声信号生成传感信号；

参考单元，用于将输入的脉冲信号反射后形成时间上错开设置的至少三路参考信号；

补偿干涉仪，用于对所述传感信号和参考信号进行干涉得到干涉后传感信号和参考信号；

探测器，用于探测所述干涉后的传感信号和参考信号；

解调模块，用于对探测到的信号进行解调得到解调后的传感信号和参考信号；

降噪模块，用于根据解调后的参考信号对解调后的传感信号进行降噪处理。

优选地，所述光源和脉冲调制器之间还设有对光源发出的初始信号进行放大的光放大器。

优选地，所述系统还包括光纤环形器，用于将所述脉冲调制器调制后形成的脉冲信号输入至所述水听器阵列，以及将所述水听器阵列反射的传感信号输出至所述补偿干涉仪。

优选地，水听器阵列包括：

若干水听器探头，包括传感臂和参考臂，位于传感臂和参考臂末端的法拉第旋镜，以及将输入的信号分路至所述传感臂和参考臂、并将传感臂和参考臂反射回的传感信号合路后输出的耦合器；

若干阵列耦合器，分别与每个水听器探头对应，用于将输入的信号分路至对应的水听器探头和下一个阵列耦合器，以及将对应水听器探头和下一个阵列耦合器返回的信号合路后输出；其中最后一个阵列耦合器将输入的信号分路至对应的水听器探头和参考单元，并将对应水听器探头和参考单元返回的信号合路后输出。

优选地，相邻两个阵列耦合器之间通过延时光纤连接。

优选地，所述参考单元包括：

第一参考耦合器，用于将经过所述水听器阵列后输入的信号分路至各传输臂，并将所述传输臂返回的信号合路后输出；

至少三路传输臂，其中一路传输臂用于将所述第一参考耦合器输入的信号传输至参考探头，所有传输臂将所述参考探头返回的信号分别在不同时间返回至第一参考耦合器；

参考探头，包括传感臂和参考臂，位于传感臂和参考臂末端的法拉第旋镜，以及将输入的信号分路至所述传感臂和参考臂、并将传感臂和参考臂反射回的参考信号合路后输出的耦合器。

优选地，所述至少三路传输臂除了一路传输臂以外，其余各路传输臂上均设有隔离器，用于阻止信号由第一参考耦合器向参考探头传输。

优选地，所述至少三路传输臂通过相互之间的臂长差实现在不同时间分别返回参考信号。

另一方面，本发明还提供了一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的方法，包括以下步骤：

S1：将光源发出的初始信号调制成脉冲信号并输入水听器阵列和参考单元，分别得到传感信号和至少三路参考信号；

S2：对所述传感信号和参考信号进行干涉得到干涉后的传感信号和参考信号；

S3：将干涉后的传感信号和参考信号转换为电信号，并计算转换后的至少三路参考信号中的三项的线性组合值；

S4：将转换后的传感信号和参考信号分别减去所述线性组合值，消除直流项光强噪声；

S5：解调步骤S3转换后的传感信号和参考信号；将步骤S3转换后的两路参考信号进行线性组合，使得得到的组合信号的相位中包含解调后的传感信号的相位信息，再对所述组合信号进行解调，得到组合信号的相位值；

S6：对传感信号解调后得到的相位信号进行去相关运算去除解调后的传感信号中的相位噪声和交流光强噪声，得到最终输出的传感信号。

优选地，所述步骤S5中采用数字化反正切解调方法进行解调。

(三)有益效果

本发明通过在光纤水听器PGC时分复用系统中引入参考单元，对参考单元输出的参考信号进行线性组合等运算，消除了传感信号中的直流项光强噪声，使得最终消除了传感信号中的相位噪声和光强噪声，改善了系统的噪声性能。

附图说明

图1为根据本发明实施例系统的结构示意图；

图2为图1中A处水听器探头的结构示意图；

图3为图1中B处参考水听器探头的结构示意图；

图4为图1中C处补偿干涉仪的结构示意图；

图5为根据本发明实施例系统同一探头的传感臂和参考臂返回的两个信号在补偿干涉仪中发生干涉的示意图；

图6为根据本发明实施例方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。

实施例一：

如图1所示，本实施例记载了一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，包括：

光源，用于发出初始信号；

光放大器，用于对光源发出的初始信号进行放大；

脉冲调制器，用于将经过光放大器放大后的初始信号调制成脉冲信号；

水听器阵列，用于根据环境声信号生成传感信号；

参考单元，用于将输入的脉冲信号反射后形成时间上错开设置的至少三路参考信号；本实施例中，为三路参考信号；

补偿干涉仪，用于对所述传感信号和参考信号进行干涉得到干涉后传感信号和参考信号；

光纤环形器，用于将所述脉冲调制器调制后形成的脉冲信号输入至所述水听器阵列，以及将所述水听器阵列反射的传感信号输出至所述补偿干涉仪；

探测器，用于探测所述干涉后的传感信号和参考信号；

解调模块，用于对探测到的信号进行解调得到解调后的传感信号和参考信号；

降噪模块，用于根据解调后的参考信号对解调后的传感信号进行降噪处理。

本实施例中，所述水听器阵列包括：

若干水听器探头，如图2所示，包括传感臂和参考臂，位于传感臂和参考臂末端的法拉第旋镜，以及将输入的信号分路至所述传感臂和参考臂、并将传感臂和参考臂反射回的传感信号合路后输出的耦合器；在本实施例中，该耦合器为2×2耦合器。

若干阵列耦合器，分别与每个水听器探头对应，用于将输入的信号分路至对应的水听器探头和下一个阵列耦合器，以及将对应水听器探头和下一个阵列耦合器返回的信号合路后输出；其中最后一个阵列耦合器将输入的信号分路至对应的水听器探头和参考单元，并将对应水听器探头和参考单元返回的信号合路后输出，在本实施例中，所述阵列耦合器也为2×2耦合器。

本实施例中，相邻两个阵列耦合器之间通过延时光纤连接，以产生适合的时间差，使得各水听器探头返回的信号错开。

本实施例中，所述参考单元包括：

第一参考耦合器，用于将经过所述水听器阵列后输入的信号分路至各传输臂，并将所述传输臂返回的信号合路后输出；

三路传输臂，其中第一路传输臂用于将所述第一参考耦合器输入的信号传输至参考探头，第一至第三路传输臂将所述参考探头返回的信号分别在不同时间返回至第一参考耦合器；本实施例中，所述第二和第三路传输臂上均设有隔离器，用于阻止信号由第一参考耦合器向参考探头传输，防止输入脉冲经过第二、三路传输臂输入参考探头中与第一路参考臂输入的脉冲发生混叠；所述三路传输臂通过相互之间的臂长差实现在不同时间分别返回参考信号，在本实施例中，通过在第二和第三传输臂上分别设置50米和100米的延时光纤实现。

参考探头，如图3所示，包括传感臂和参考臂，位于传感臂和参考臂末端的法拉第旋镜，以及将输入的信号分路至所述传感臂和参考臂、并将传感臂和参考臂反射回的参考信号合路后输出的耦合器，在本实施例中，该耦合器为3×2耦合器。

如图4所示，本实施例中，所述补偿干涉仪包括干涉仪耦合器、干涉仪参考臂、具有压电陶瓷的补偿干涉仪传感臂、以及位于所述干涉仪参考臂和干涉仪传感臂末端的法拉第旋镜。

本实施例中，所述水听器探头、参考探头以及补偿干涉仪的传感臂和参考臂之间的臂长差都相等(在本实施例中为10.6米)，灵敏度低于200dB rad/μPa。

本实施例的工作原理如下：

光源发出的初始信号经过光放大器放大后，被脉冲调制器调制成脉冲，脉冲进入光纤环行器，经光纤环行器的1端口入、2端口出，进入水听器阵列，每经过一个阵列耦合器，都有一部分光进入相应的水听器探头，并发生反射。由于水听器探头中形成干涉仪的传感臂和参考臂长度不同，两臂反射的脉冲会在时域上分开，也即射入一个脉冲，返回两个传感信号脉冲。反射回去的传感信号脉冲沿引导光纤进入光纤环行器，从光纤环行器的2端口入、3端口出，进入补偿干涉仪，补偿干涉仪与水听器探头具有相同的臂长差，每个水听器探头反射回来的两个传感信号脉冲分别经过反射又各自产生两个脉冲，并且同一个水听器探头第一个返回的传感信号脉冲产生的后一个反射脉冲与第二个返回的传感信号脉冲产生的前一个反射脉冲在时域上刚好重合，形成干涉，如图5所示。同样的，由光纤环形器输出的脉冲除了进入各水听器探头外，还进入参考单元，由第一传输臂a输入至参考探头，并经过参考探头的传感臂和参考臂分别反射后形成时域上分开的两个参考信号脉冲，该两个参考信号脉冲分别经过第一路传输臂a、第二路传输臂b以及第三路传输臂c返回，由于第二路传输臂b和第三路传输臂c上分别设有长度不同的延时光纤，因此，该三路传输臂分别返回的两个参考信号脉冲在时域上也是分开的。时域上分开的三组参考信号脉冲也经由光纤环形器进入补偿干涉仪，形成三组干涉信号。

探测器分别将传感信号形成的干涉信号和参考信号形成的干涉信号转换为电信号，送入后续的解调系统进行解调。

实施例二：

如图6所示，本实施例记载了一种通过实施例一所述的系统实现的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的方法，包括以下步骤：

S1：将光源发出的初始信号调制成脉冲信号并输入水听器阵列和参考单元，分别得到传感信号和至少三路参考信号；本实施例中，参考信号为三路；

S2：对所述传感信号和参考信号进行干涉得到干涉后的传感信号和参考信号；

S3：将干涉后的传感信号和参考信号转换为电信号，并计算转换后的三路参考信号的线性组合值；

本实施例中，所述第一至三路干涉信号经过解时分提取后分别为：

这里i_r1、i_r2、i_r3表示三路信号，n_i是光强噪声，是相位噪声，是三路信号的电路噪声，C^r是调制信号的幅度，称为调制深度，A～F是各路信号的交、直流强度，B＝κD，κ为耦合器分光比，之间有固定的相位差(2π/3)。

将三者进行线性组合得到：

$i_n=H_1{i}_{r1}+H_2{i}_{r2}+H_3{i}_{r3}=G(1+n_i)+n_c^H---\left(2\right)$

其中

$n_c^H=H_1{n}_c^1+H_2{n}_c^2+h_3{n}_c^3---\left(3\right)$

是各路电路噪声的线性组合。

S4：将转换后的传感信号和参考信号分别减去所述线性组合值i_n，可消除直流项光强噪声；

S5：解调步骤S3转换后的传感信号和参考信号；将步骤S3转换后的两路参考信号进行线性组合，使得得到的组合信号的相位中包含解调后的传感信号的相位信息，再对所述组合信号进行解调，得到组合信号的相位值；

本实施例中，对每一干涉后的传感信号和参考信号i_r1进行解调，以第n个水听器探头返回的传感信号为例，干涉后的传感信号i_sn以及干涉后的第一路参考信号i_r1的解调结果为：

(4)

其中，为干涉后传感信号的相位信息，为干涉后传感信号的噪声，是相位噪声交流光强噪声n_i、电路噪声在所述系统的参数下经过数字化反正切解调的结果；为干涉后的第一路参考信号的相位信息，为干涉后的第一路参考信号中的噪声，是相位噪声交流光强噪声n_i、电路噪声在所述系统的参数下经过数字化反正切解调的结果，后面类似的符号有相同的意思；

对第一路参考信号i_r1和第二路参考信号i_r2进行线性组合得到组合信号i，使得组合信号i的相位中包含干涉后的传感信号的相位的信息：

其中是第一路参考信号i_r1分别在理想情况下和考虑噪声的情况下的相位信息；是第二路参考信号i_r2分别在理想情况下和考虑噪声的情况下的相位信息，κ为耦合器的分光比。

然后对所述组合信号i进行解调，得到组合信号i的相位值为：

由于C^r≈C^s，于是简化有：

S6：对传感信号解调后得到的相位信号进行去相关运算去除解调后的传感信号中的相位噪声和交流光强噪声，得到最终输出的传感信号：

上述实施例最终消除了电路中的相位噪声和光强噪声，代价是使得电路噪声最多提高了11.5dB，由于通常系统的电路噪声很低，因此本实施例提高了系统整体的噪声性能。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，包括：

光源，用于发出初始信号；

脉冲调制器，用于将光源发出的初始信号调制成脉冲信号；

水听器阵列，用于根据环境声信号生成传感信号；

参考单元，用于将输入的脉冲信号反射后形成时间上错开设置的至少三路参考信号；

补偿干涉仪，用于对所述传感信号和参考信号进行干涉得到干涉后传感信号和参考信号；

探测器，用于探测所述干涉后的传感信号和参考信号；

解调模块，用于对探测到的信号进行解调得到解调后的传感信号和参考信号；

降噪模块，用于根据解调后的参考信号对解调后的传感信号进行降噪处理；

水听器阵列包括：

若干水听器探头，包括传感臂和参考臂，位于传感臂和参考臂末端的法拉第旋镜，以及将输入的信号分路至所述传感臂和参考臂、并将传感臂和参考臂反射回的传感信号合路后输出的耦合器；

若干阵列耦合器，分别与每个水听器探头对应，用于将输入的信号分路至对应的水听器探头和下一个阵列耦合器，以及将对应水听器探头和下一个阵列耦合器返回的信号合路后输出；其中最后一个阵列耦合器将输入的信号分路至对应的水听器探头和参考单元，并将对应水听器探头和参考单元返回的信号合路后输出。

2.如权利要求1所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，所述光源和脉冲调制器之间还设有对光源发出的初始信号进行放大的光放大器。

3.如权利要求1所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，所述系统还包括光纤环形器，用于将所述脉冲调制器调制后形成的脉冲信号输入至所述水听器阵列，以及将所述水听器阵列反射的传感信号输出至所述补偿干涉仪。

4.如权利要求1所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，相邻两个阵列耦合器之间通过延时光纤连接。

5.如权利要求1所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，所述参考单元包括：

第一参考耦合器，用于将经过所述水听器阵列后输入的信号分路至各传输臂，并将所述传输臂返回的信号合路后输出；

至少三路传输臂，其中一路传输臂用于将所述第一参考耦合器输入的信号传输至参考探头，所有传输臂将所述参考探头返回的信号分别在不同时间返回至第一参考耦合器；

参考探头，包括传感臂和参考臂，位于传感臂和参考臂末端的法拉第旋镜，以及将输入的信号分路至所述传感臂和参考臂、并将传感臂和参考臂反射回的参考信号合路后输出的耦合器。

6.如权利要求5所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，所述至少三路传输臂除了一路传输臂以外，其余各路传输臂上均设有隔离器，用于阻止信号由第一参考耦合器向参考探头传输。

7.如权利要求5所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的系统，其特征在于，所述至少三路传输臂通过相互之间的臂长差实现在不同时间分别返回参考信号。

8.一种用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将光源发出的初始信号调制成脉冲信号并输入水听器阵列和参考单元，分别得到传感信号和至少三路参考信号；

S2：对所述传感信号和参考信号进行干涉得到干涉后的传感信号和参考信号；

S3：将干涉后的传感信号和参考信号转换为电信号，并计算转换后的至少三路参考信号中的三项的线性组合值；

其中，第一至第三路干涉信号经过解时分提取后分别为：

i_r1、i_r2、i_r3表示三路信号，n_i是光强噪声，是相位噪声，是三路信号的电路噪声，i＝1,2,3，Cr是调制深度，A～F是各路信号的交、直流强度，B＝κD，κ为耦合器分光比，之间有固定的相位差(2π/3)；

将三者进行线性组合得到：

$i_n=H_1{i}_{r1}+H_2{i}_{r2}+H_3{i}_{r3}=G(1+n_i)+n_c^H$

其中，

$n_c^H=H_1{n}_c^1+H_2{n}_c^2+H_3{n}_c^3$

是各路电路噪声的线性组合；

S4：将转换后的传感信号和参考信号分别减去所述线性组合值，消除直流项光强噪声；

S5：解调步骤S3转换后的传感信号和参考信号；将步骤S3转换后的两路参考信号进行线性组合，使得得到的组合信号的相位中包含解调后的传感信号的相位信息，再对所述组合信号进行解调，得到组合信号的相位值；

对每一干涉后的传感信号和参考信号i_r1进行解调，干涉后的传感信号i_sn以及干涉后的第一路参考信号i_r1的解调结果为：

其中，为干涉后传感信号的相位信息，为干涉后传感信号的噪声，是相位噪声交流光强噪声n_i、电路噪声在所述系统的参数C^s下经过数字化反正切解调的结果；为干涉后的第一路参考信号的相位信息，为干涉后的第一路参考信号中的噪声，是相位噪声交流光强噪声n_i、电路噪声在所述系统的参数C^r下经过数字化反正切解调的结果；

对第一路参考信号i_r1和第二路参考信号i_r2进行线性组合得到组合信号i，使得组合信号i的相位中包含干涉后的传感信号的相位的信息：

其中，是第一路参考信号i_r1分别在理想情况下和考虑噪声的情况下的相位信息；是第二路参考信号i_r2分别在理想情况下和考虑噪声的情况下的相位信息，κ为耦合器的分光比；

然后对所述组合信号i进行解调，得到组合信号i的相位值为：

由于C^r≈C^s，于是简化有：

S6：对传感信号解调后得到的相位信号进行去相关运算去除解调后的传感信号中的相位噪声和交流光强噪声，得到最终输出的传感信号；

得到最终输出的传感信号：

9.如权利要求8所述的用于光纤水听器PGC时分复用系统降噪的方法，其特征在于，所述步骤S5中采用数字化反正切解调方法进行解调。