CN103595489B - 一种基于光纤传感技术的水下对讲系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤传感技术的水下对讲系统，该系统包括包含音频信号输入单元、发射信号处理电路以及发射换能器的发射端和包含接收信号处理电路和音频信号输出单元的接收端，接收端具有一包含光纤探头的光纤光路，由其完成对水声信号的探测，接收信号处理电路分别与音频信号输出单元以及光纤光路相连；由发射端将声音信号放大后驱动发射换能器，发射换能器将其发射出去并经过水的传播达到接收端，该接收端的光纤探头完成信号接收，实现信号的单向发送；由发射端发射声波，经水的传播到达接收端，完成信号的单向接收，实现对讲过程。本发明利用光纤传感技术实现水声信号的接收，在接收端利用光纤探头来取代接收换能器，形成新的接收模式，以提高水下对讲系统的多方面性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤传感技术的水下对讲系统。
背景技术
水下对讲系统是以水作为传播介质的通信系统。在诸多利用液体作为传输媒介的能量形式中，以声波方式传输所引起的能量损失最小，传输距离最远。所以，目前水下对讲通信系统都是先将声信号放大，以驱动发射端换能装置来发射大功率的声波，然后再利用接收端换能装置接收声信号，进行信号分析处理，实现水下对讲功能。然而，传统的水下对讲方案存在许多技术缺点：
1、换能器作为敏感元件，是水声通信的关键器件，从目前的技术来看，换能器的灵敏度很难提高，这也是影响水声对讲系统接收灵敏度的重要因素。
2、发射端和接收端共用一组换能器，无法满足发射过程和接收过程同时工作的需求，只能实现半双工通信，而不能做到全双工通信，影响通信效率。
3、由于接收换能器灵敏度较低，所以在发射端需要大幅度提高发射换能器的发射功率，才能在一定距离内接收到发射声波，这便耗费大量电能。而在水下环境，系统无法及时得到电能补充，所以，很大程度上缩短了对讲时长。
4、受接收换能器的灵敏度影响，系统接收灵敏度较低，影响了接收端和发射端之间的有效通信距离。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
1、在水下对讲系统的接收端，利用光纤探头取代接收换能器，提高系统的接收灵敏度。
2、将水下对讲系统的接收端与发射端换能装置分离，使信号的接收过程与发射过程互不影响，进而可以实现全双工通信，提高系统的通信效率。
3、在不影响系统通信距离的前提下，降低发射端的发射功率，节省能耗，延长系统的续航时间。
4、在保持与原本发射功率相同的条件下，扩大系统的通信距离。
本发明的目的采用下述的技术方案来实现：
一种基于光纤传感技术的水下对讲系统，所述系统包括设置在本地的发射端和设置在远离所述发射端（这里称之为远处）的接收端，所述发射端包含音频信号输入单元、发射信号处理电路以及发射换能器，所述的接收端包含接收信号处理电路和音频信号输出单元，其特征在于：所述的接收端具有一包含光纤探头的光纤光路，由其完成对水声信号的探测，所述的接收信号处理电路分别与所述的音频信号输出单元以及所述的光纤光路相连；首先由所述设置在本地的发射端将声音信号放大后驱动发射换能器，发射换能器将其以机械波的能量形式发射出去，经过水的传播后达到设置在远处的所述接收端，该接收端的光纤探头受机械波的振动影响，发生形变，进而引起其中传输光的特性改变，完成信号接收，实现信号的单向发送；然后由所述远处的接收端发射声波，经过水的传播后到达设置在本地的发射端，完成信号的单向接收，进而实现整个对讲过程。
本发明基于光纤传感技术的水下对讲系统的特征还在于：所述的光纤光路包括：
光纤探头，用以感受外界声信号的加载，使其中的光纤发生形变，改变折射率，进而改变传输光的特性，形成声光调制；
光纤激光器，用以发射一定波长的激光，是整个光纤光路的光源；
光纤干涉仪，用以提供光隔离、分光、耦合、反射、干涉等功能，使具有相位差的传感光和参考光在这里发生干涉，其输出的干涉光记录了外界变化的声信号，具体反映在光强的变化上；
所述的光纤干涉仪的输入端连接光纤激光器，该光纤干涉仪的一条光纤臂连接所述的光纤探头；所述的光纤激光器发射的光波经过光纤干涉仪的分光作用，分为两束相同的光波，其中一束光波经过光纤探头所在的光纤臂，感受外界信号作用，另一束光波由另一条光纤臂传播，保持原光特性，两束光波再经过光纤干涉仪的耦合作用，发生干涉，形成干涉光强，即为光纤干涉仪的输出。
进一步的，所述的接收信号处理电路包含光电转换电路、振荡电路、差分放大电路、模数转换电路（AD转换电路）以及DSP最小系统电路，其中：所述的DSP最小系统电路分别与所述的AD转换电路以及所述的音频信号输出单元相连，光电转换电路将光信号转换成电信号并经过差分放大电路差分放大后传输至AD转换电路；所述的振荡电路产生特定频率的正弦信号，并作差分放大、AD转换后传输至所述的DSP最小系统电路，用以信号的解调，该DSP最小系统电路解调出的信号由音频信号输出单元输出。
进一步的，所述的光纤探头是由光纤盘绕而成的单层光纤圆盘。
所述的光纤干涉仪是Michelson光纤干涉仪。
所述的振荡电路与所述的光纤激光器相连。
所述的音频信号输出单元与所述的DSP最小系统电路中的数字信号处理器（DSP）相连，用以将由该数字信号处理器（DSP）处理后的数字信号转换成模拟信号，并由耳机输出。
本发明所提供的方案是利用光纤传感技术实现水声信号的接收。在接收端利用光纤探头来取代水声对讲机中的接收换能器，再配以适当的数字信号处理电路，形成新的接收模式。然后，与现有的发射端相结合，组成新的水下对讲系统，以提高系统的多方面性能。
本发明提供的基于光纤传感技术的水下对讲系统具有如下的技术效果和优点：
1、本发明利用光纤光路取代传统的接收换能器，提高了系统的灵敏度。
2、本发明所设计的水下对讲系统将接收端与发射端换能装置进行分离，使信号的接收与发射互不影响，实现全双工通信。
3、本发明中所用的光纤探头比传统的水声换能器具有更高的灵敏度，在不影响系统通信性能的条件下，可以降低发射端的发射功率，节省能耗，延长系统的续航时间。
4、本发明所设计的水下对讲系统可以在更远的区域探测到发射端所发射的振动信号，有效地扩大了系统的通信距离。
附图说明
图1是本发明水下对讲系统功能模块结构示意图；
图2是本发明发射信号处理电路的功能模块结构图；
图3是本发明光纤光路结构示意图；
图4是本发明接收信号处理电路示意图；
图5是解调过程的数学模型；
图6是光电转换电路；
图7是单端转差分电路；
图8是振荡电路；
图9是本发明系统信号流程图。
具体实施方式
为使公众进一步了解本发明所采用之技术、手段及其有益效果，特举实施例并配合附图详细说明如下，相信当可由之得以深入而具体的了解。
本发明所阐述的水下对讲系统整体框图如图1所示，其将整个系统分为发射端和接收端两大部分。其中，所述的发射端设置在本地，而所述的接收端设置在远离发射端（这里称之为远处）的接收端。所述发射端包含音频信号输入单元、发射信号处理电路以及发射换能器。音频信号输入单元利用麦克风来实现对空气中声音信号的拾取与转换；发射信号处理电路对信号作发射前的预处理；发射换能器的作用是将携带声信号的电信号转换成振动信号，产生声场。所述的接收端包含光纤光路、接收信号处理电路以及音频信号输出单元，所述的接收信号处理电路分别与所述的音频信号输出单元以及所述的光纤光路相连，用于将光信号转换成电信号，以及对信号的后续处理；所述的光纤光路用于探测水下声信号；音频信号输出单元利用耳机进行输出。整个电源模块为发射端和接收端提供所需的各种电源需求。通过上述环节即可实现语音信号的发射与接收，完成对讲过程。
图2是发射信号处理电路的功能模块结构示意图，包括了模数转换电路（AD转换电路）、数字信号处理电路、数模转换电路（DA转换电路）以及功率放大电路，整个电路完成将麦克风输入的声音信号调制到一定频率的载波信号上，以满足发射需求，并通过功率放大将已完成调制的模拟信号进行放大，来驱动发射换能器。所述的数字信号处理电路分别与AD转换电路和DA转换电路相连，所述的DA转换电路的输出经所述的功率放大电路放大后驱动发射换能器。
本实施例所述的光纤光路如图3所示，包括光纤探头、光纤激光器以及Michelson光纤干涉仪。光纤探头是接收端的敏感元件，用以感受水中声信号的加载，使所在光路的光波特性发生改变，改变折射率，进而改变传输光的特性，形成声光调制，本实施例光纤探头采用由光纤盘绕而成的单层光纤圆盘。所述的光纤激光器是整个光路的光源，用以发射特定频率的光波。所述的Michelson光纤干涉仪将受外界信号加载的光波与未受外界信号加载的光波进行耦合，发生干涉效应，记录外界变化的声信号。所述的光纤干涉仪的输入端连接光纤激光器，该光纤干涉仪的一条光纤臂连接所述的光纤探头；所述的光纤激光器发射的光波经过光纤干涉仪的分光作用，分为两束相同的光波，其中一束光波经过光纤探头所在的光纤臂，感受外界信号作用，另一束光波由另一条光纤臂传播，保持原光特性，两束光波再经过光纤干涉仪的耦合作用，发生干涉，形成干涉光强，即为光纤干涉仪的输出。
本实施例所述的接收信号处理电路如图4所述，其包含光电转换电路、振荡电路、差分放大电路、模数转换电路（AD转换电路）以及DSP最小系统电路，所述的DSP最小系统电路包括数字信号处理器（DSP）、复位模块、DDR2存储器、JTAG接口、时钟源、FLASH存储器，其中：所述的光电转换电路与所述的光纤干涉仪相连，由光电转换电路将所述的干涉光信号转换成电流信号并经过差分放大电路差分放大后传输至AD转换电路；所述的振荡电路产生特定频率的正弦信号，与所述的光纤激光器相连，一方面传输给光纤激光器，调节其发射一定频率的光波，另一方面产生本地信号，以完成后续的混频操作；所述的差分放大电路用于提供AD转换电路所需要的差分信号输入，以获得较高的采样精度和采样速率；所述的AD转换电路用于实现信号的模数转换，以待后续的数字信号处理；所述的数字信号处理器（DSP）分别与所述的AD转换电路以及所述的音频信号输出单元相连，用于完成信号解调算法的实现，由该数字信号处理器（DSP）处理后的数字信号转换成模拟信号，并由耳机输出。所述的复位模块用于防止DSP程序跑飞，及时复位；所述的DDR2存储器是DSP外扩的数据存储单元，用于在解调过程中对实时数据的存储；所述的JTAG接口用于DSP程序的烧入；所述的时钟源为DSP提供时钟信号需求；所述的FLASH存储器是DSP外扩的程序存储模块。
以下，进一步说明本发明的作用原理：
一、信号发射端
信号的发射端完成对麦克风信号的接收、AD转换、信号调制，DA转换以及功率放大。
首先，通过麦克风将语音信号转换成电信号，电信号经过AD转换成数字信号。数字信号处理电路利用DSP对语音信号进行调制，将其调制到某一频率的载波上，再通过DA转换为模拟信号，形成待发射信号。然后将待发射信号放大输出并驱动发射换能器产生足够的声场，继而完成语音信号的发送。
二、信号接收端
信号接收端实现信号的接收、声光调制、光电转换、解调以及信号输出。如图3、图4所示。整个信号接收端包括光纤光路、接收信号处理电路两大部分，进一步阐述如下：
（一）光纤光路
根据光的干涉理论可知，当两束频率相同、相位差恒定、振动方向也一致（偏振方向一致）的光波在空间中相遇时，便会形成一组明暗相间的干涉条纹，说明这两束光发生了干涉。假设两束干涉光的光强分别为I 1和I 2，当一路光束受外界信号干扰，产生相位差后，就会同另一路光束在相遇时发生干涉，那么，干涉场中的光强随之发生变化，由此可见，由于外界物理信号引起了相位差的改变，从而引起干涉光强的改变。所以，只要我们能够处理接收到的光纤干涉仪中的光强变化信息，就可以确定相干光的相位差，从而确定被测物理量的变化。换句话说，干涉光记录了相干光的相位信息，也就是记录了外界物理量。
如图3所示，为Michelson光纤干涉仪的结构图。激光光源为光纤激光器，OI是光隔离器，OC是2x2的光纤耦合器，用以分光及耦合，FRM1和FRM2分别是两个光路末端的法拉第旋转镜，DE是光电管。光纤激光器发射特定频率的光波，经光隔离器后进入耦合器，由耦合器分成两束完全相同的光波。其中一路经过L1光路，去接收外接声信号的振动作用，然后由法拉第旋转镜FRM1反射回光路。由于此路光波受外界振动信号作用，光波的相位发生了变化，携带外界待测声信号，我们把这路光纤臂叫做信号臂（或叫传感臂）；另一路光波经过L2光路，经法拉第旋转镜FRM2反射回来，此路光波并未受到外界声信号的作用，将保持原有的光波特性，所以把这一路光纤臂叫做参考臂。反射回来的两束光经过耦合器后发生干涉。由于光隔离器的隔离作用，干涉光并不会从OI路经过，而是直接进入光电管DE，进行光电转换。
光波在光纤中传播时，其相位受光纤波导的三个因素影响：物理长度、折射率的分布情况以及光纤波导的横向尺寸。在图四结构中，当光波通过干涉仪后，由于两臂的长度L1和L2不等，所以由长度差L=L1-L2引起的出射光波的相位相对延迟量为：
（1）
其中，n是光纤纤芯的折射率，由于光波要在参考臂和传感臂来回传播两次，所以l=2L，v是光波的频率，nl为光程差。由上式可以看出，出射光相位的延迟将会受到v、l和n的影响，所以，可得：
（2）
本发明在传感臂上连接了光纤探头，并受到外界声信号的振动作用后，引起光纤探头部分光纤的形变，从而引起了折射率的变化，导致传感光（经过传感臂的光波）的相位发生变化，与参考光（经过参考臂的光波）之间存在相位差。
根据图3所示，设光纤激光器发射出频率为的光波，输出载波为，传感臂检测到的声信号频率为，G、H分别为和的振幅。由干涉的基本原理，我们将Michelson干涉仪的输出光强经光电转换后的电信号表示为：
（3）
常数A和B与输入的光强成正比，表示由待测声信号和环境漂移共同引起的相位改变，即：
（4）
D为待测信号的幅度。
下面对式（3）作进一步分析，将其用Bessel函数展开如下：
（5）
由于中包含外界待测的声信号，将和也作Bessel函数展开：
（6）
（7）
解调的目的就是从（5）、（6）、（7）式中获取的量。
（二）接收信号处理电路
1、语音信号的解调方法
先给出解调过程的数学模型，如图5所示，然后对其进一步分析。
首先分别将信号和与光电转换器的输出信号进行混频，则可以得到：
（8）
（9）
设定低通滤波器的截止频率，使通过LPF1和LPF2的信号分别变为：
（10）
（11）
上面两式中都含有外部环境干扰，不能直接从中提取出待测声信号。为了消除干涉信号随外部干扰信号而出现的畸变和消隐现象，我们采用微分交叉相乘（DCM）方法。下面进一步分析，通过LPF1和LPF2的信号要分别进行微分运算，可得：
（12）
（13）
经过交叉相乘运算后得到：
（14）
（15）
上面两路信号经过差分放大器后，得到：
（16）
经过积分运算后，得到：
（17）
将式（4）代入式（17），可得：
（18）
式（18）包含了待测声信号的幅度和频率信息以及环境造成的相位扰动（噪声），通常情况下后者都是低频信号，可以利用高通滤波器滤除噪声项，便可得到待测信号，所以系统的最后输出可改写为：
（19）
经过上述的一系列信号处理后，待测声信号便可被解调出来，理论上，与原信号相比只是变化了系数。
2、接收信号处理电路的搭建
如图4所示，整个接收信号处理电路由以下部份组成：光电转换电路、振荡电路、差分放大电路、AD转换电路、数字信号处理电路以及音频信号输出单元。
光电转换将光强信息转换成电流信号。利用光电管完成光信号到电流信号的转换，再配合OPA2209实现电压跟随和放大，放大倍数可以通过反馈电阻来调节，见图6所示。
由于系统需求较高的采样速率和采样精度，我们选用AD7986作为AD转换芯片，它最高可以达到18-bit的采样精度、2MSPS的采样速率。
因为AD7986需要差分信号输入，故需在其前端进行单端转差分处理，可以使用AD8138来实现，见图7所示。
DSP最小系统包含复位模块、DDR2存储器、JTAG接口、时钟源以及FLASH存储器。选用K4T51163QE来外扩DDR2数据存储空间，选用AM29LV033C外扩FLASH程序存储空间。
振荡电路由单片机STC12C5204AD及信号发生器AD9833组成，产生所需的正弦波形，在输出端用两个电容来滤除噪声及阻断直流信号。如图8所示。
图9是本发明系统信号流程图。
Claims (6)
1.一种基于光纤传感技术的水下对讲系统，所述系统包括设置在本地的发射端和设置在远离所述发射端的接收端，所述发射端包含音频信号输入单元、发射信号处理电路以及发射换能器，所述的接收端包含接收信号处理电路和音频信号输出单元，其特征在于：所述的接收端具有一包含光纤探头的光纤光路，由其完成对水声信号的探测，所述的接收信号处理电路分别与所述的音频信号输出单元以及所述的光纤光路相连；首先由所述设置在本地的发射端将声音信号放大后驱动发射换能器，发射换能器将其以机械波的能量形式发射出去，经过水的传播后达到设置在远处的所述接收端，该接收端的光纤探头受机械波的振动影响，发生形变，进而引起其中传输光的特性改变，完成信号接收，实现信号的单向发送；然后由所述远处的接收端发射声波，经过水的传播后到达设置在本地的发射端，完成信号的单向接收，进而实现整个对讲过程；其中，所述的光纤光路包括：
光纤探头，用以感受外界声信号的加载，使其中的光纤发生形变，改变折射率，进而改变传输光的特性，形成声光调制；
光纤激光器，用以发射一定波长的激光，是整个光纤光路的光源；
光纤干涉仪，用以提供光隔离、分光、耦合、反射、干涉等功能，使具有相位差的传感光和参考光在这里发生干涉，其输出的干涉光记录了外界变化的声信号，具体反映在光强的变化上；
所述的光纤干涉仪的输入端连接光纤激光器，该光纤干涉仪的一条光纤臂连接所述的光纤探头；所述的光纤激光器发射的光波经过光纤干涉仪的分光作用，分为两束相同的光波，其中一束光波经过光纤探头所在的光纤臂，感受外界信号作用，另一束光波由另一条光纤臂传播，保持原光特性，两束光波再经过光纤干涉仪的耦合作用，发生干涉，形成干涉光强，即为光纤干涉仪的输出。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的水下对讲系统，其特征在于：所述的接收信号处理电路包含光电转换电路、振荡电路、差分放大电路、模数转换电路（AD转换电路）以及DSP最小系统电路，其中：所述的DSP最小系统电路分别与所述的AD转换电路以及所述的音频信号输出单元相连，光电转换电路将光信号转换成电信号并经过差分放大电路差分放大后传输至AD转换电路；所述的振荡电路产生特定频率的正弦信号，并作差分放大、AD转换后传输至所述的DSP最小系统电路，用以信号的解调，该DSP最小系统电路解调出的信号由音频信号输出单元输出。
3.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的水下对讲系统，其特征在于：所述的光纤探头是由光纤盘绕而成的单层光纤圆盘。
4.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的水下对讲系统，其特征在于：所述的光纤干涉仪是Michelson光纤干涉仪。
5.根据权利要求2所述的基于光纤传感技术的水下对讲系统，其特征在于：所述的振荡电路与所述的光纤激光器相连。
6.根据权利要求2所述的基于光纤传感技术的水下对讲系统，其特征在于：所述的音频信号输出单元与所述的DSP最小系统电路中的数字信号处理器相连，用以将由该数字信号处理器处理后的数字信号转换成模拟信号，并由耳机输出。
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