CN105606194B - 一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，本发明涉及基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。本发明是要解决现有方法缺乏机动性，很难满足水下大范围活动声源的探测，只能对水下声源的静态特性进行检测，无法实现水下声信号的实时提取。构建无源零差干涉仪系统；建立初始坐标系；激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P光；S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，P光作为探测光，光电探测器探测信号，采用解调方式得到探测信号的相位。本发明应用于水下信号领域。
Description
技术领域
本发明涉及基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。
背景技术
光学手段是水下声信号探测的主流技术手段，由于光波在水中传播时的功率衰减很大，光学技术在水下声场的探测中受到一定的限制，包括激光干涉等技术方法无法直接应用到水环境中，但激光技术依然能够间接地应用到水下声场的探测中。目前借助激光技术实现水下声信号的探测主要实现形式有三类：一是利用各种结构的光纤水听器及多元素光纤水听器阵列来直接探测水下声场；二是通过水下声源引起的水表面声波的激光探测来实现水下声场信息的获取；三是利用水中或者水表面的被水下声场调制的散射体对探测激光的散射作用，从散射激光中解调出水下声场的信息。光纤水听器目前发展得较为成熟，已经应用到水下声场探测的实战中，但其需要在监测水域事先架设传感器才能实现水下声场的探测，缺乏机动性，很难满足水下大范围活动声源的探测。后两类目前只能对水下声源的静态特性(例如发声频率、声压等参数)进行检测，无法实现水下声信号的实时提取。
发明内容
本发明是要解决现有方法缺乏机动性，很难满足水下大范围活动声源的探测，只能对水下声源的静态特性进行检测，无法实现水下声信号的实时提取，而提供了一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。
一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，它按以下步骤实现：
一、构建无源零差干涉仪系统：
无源零差干涉仪系统包括激光正交偏振干涉光路、探测信号处理电路和计算机终端；
其中，所述激光正交偏振干涉光路包括激光器、准直透镜、起偏器、偏振分光棱镜1、偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜3、非偏振分光镜、接收透镜、1/4波片1、1/4波片2、1/4波片3、1/2波片、光衰减片和反射镜；
所述探测信号处理电路包括光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测器4、差分放大器1和差分放大器2；
所述计算机终端包括数据采集模块和计算机；
二、建立初始坐标系：
设X轴方向为平行纸面向右，Y轴方向为垂直纸面向外，Z轴则为平行纸面向下，激光光束沿着Z轴方向传输，起偏器和3枚1/4波片放置于X-Y平面内，其中起偏器的透光轴与X轴成45°，波片的快轴与X轴成45°；1/2波片放置在X-Y平面内，其快轴与X轴成22.5°；偏振分光棱镜和非偏振分光镜放置在X-Z平面内，分光面与X轴成45°，探测信号处理电路由光电探测器、差分放大器组成；
三、激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P光；
四、S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，参考光经45°放置的1/4波片1后变成圆偏振光，再经由光衰减片和反射镜返回穿透1/4波片又变成振动方向沿着X轴的P光，参考光回到偏振分光镜1后完全透射，进入1/2波片；
五、P光作为探测光，它经过1/4波片2和接收透镜后出射到被探测的水域，接收透镜接收水面的反射光，该反射光再穿过1/4波片2后变为S光，S光回到偏振分光镜1后实现完全反射，进入1/2波片；
六、参考光和探测光经过1/2波片后振动方向旋转了45°，然后被非偏振分光镜分为均匀的两束激光反射光束与透射光束：
其中，所述反射光束被偏振分光镜2分解到同一振动方向，产生两束干涉光束，分别被光电探测器1和光电探测器2接收；
其中，所述透射光束经过1/4波片3后，在快慢轴之间产生π/2相移，再过偏振分光镜3将测量光和参考光分解到同一振动方向，同样产生两束干涉光束，分别被光电探测器3和光电探测器4接收；
七、设光电探测器1接收到的探测信号为f1，光电探测器2接收到的探测信号为f2，光电探测器3接收到的探测信号为f3，光电探测器4接收到的探测信号为f4；
八、水表面的波动为：Ansin(2πfnt+φn)+Assin(2πfst+φs)，它由两部分构成：自然水表面波动Ansin(2πfnt+φn)和水下声信号引起的水表面声波Assin(2πfst+φs)；
其中，An，fn和Фn分别为自然水表面波动的振幅、频率和初相位；As，fs和Фs分别为水下声信号引起的水表面声波的振幅、频率和初相位，t表示时间；
根据光路原理分析得探测信号可由式(1)表示：
式中I0为直流增益大小，ΔL为参考光路与探测光路在水面绝对静止时的初始光程差，k为激光的波数，k＝2π/λ，λ为激光波长；
探测信号f1和f4输入到差分放大器1的两个输入端，探测信号f2和f3输入到差分放大器2的两个输入端，探测信号f1和f4经差分放大后输出信号fI被数据采集模块采集后送入上位机，探测信号f2和f3经差分放大后输出信号fQ也被数据采集模块采集后送入上位机；
那么信号fI和信号fQ由下式表示：
式中，K为放大器增益；
九、采用解调方式得到探测信号的相位，即完成了一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。
发明效果：
本发明所采用的光路结构比较紧凑，光能量能够被光路系统充分利用，获得的4路正交的干涉信号，经过差动放大后，可以极大抑制共模噪声，从而大幅提高探测系统的稳定性。利用DCM解调方法可以快速地得到探测信号的相位，经过低通滤波后可得到一个与水下声信号声压成正比的声信号，整个探测方法具有实时性。
本发明提出了一种能在水面之上探测水下声信号的方法，能够灵活转换探测位置，满足水下大范围活动声源的探测，对水下声信号的探测具有实时性。
附图说明
图1是本发明原理图；
图2是两路正交差分信号处理流程图；
图3上位机读取的正交干涉信号fI图；
图4上位机读取的正交干涉信号fQ图；
图5微分、交叉相乘以及差分放大图；
图6消除比例系数图；
图7最终提取的信号图；
图8最终解调信号的傅里叶频谱分布图；
图9最终解调信号的时频分布图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，它按以下步骤实现：
二、构建无源零差干涉仪系统：
无源零差干涉仪系统包括激光正交偏振干涉光路、探测信号处理电路和计算机终端；
其中，所述激光正交偏振干涉光路包括激光器、准直透镜、起偏器(例如格兰泰勒棱镜)、偏振分光棱镜1、偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜3、非偏振分光镜、接收透镜、1/4波片1、1/4波片2、1/4波片3、1/2波片、光衰减片和反射镜；
所述探测信号处理电路包括光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测器4、差分放大器1和差分放大器2；
所述计算机终端包括数据采集模块和计算机；
二、建立初始坐标系：
设X轴方向为平行纸面向右，Y轴方向为垂直纸面向外，Z轴则为平行纸面向下，激光光束沿着Z轴方向传输，起偏器和3枚1/4波片放置于X-Y平面内，其中起偏器的透光轴与X轴成45°，波片的快轴与X轴成45°；1/2波片放置在X-Y平面内，其快轴与X轴成22.5°；偏振分光棱镜和非偏振分光镜放置在X-Z平面内，分光面与X轴成45°，探测信号处理电路由光电探测器、差分放大器组成；
三、激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P光；
四、S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，参考光经45°放置的1/4波片1后变成圆偏振光，再经由光衰减片和反射镜返回穿透1/4波片又变成振动方向沿着X轴的P光，参考光回到偏振分光镜1后完全透射，进入1/2波片；
五、P光作为探测光，它经过1/4波片2和接收透镜后出射到被探测的水域，接收透镜接收水面的反射光，该反射光再穿过1/4波片2后变为S光，S光回到偏振分光镜1后实现完全反射，进入1/2波片；
六、参考光和探测光经过1/2波片后振动方向旋转了45°，然后被非偏振分光镜分为均匀的两束激光反射光束与透射光束：
其中，所述反射光束被偏振分光镜2分解到同一振动方向，产生两束干涉光束，分别被光电探测器1和光电探测器2接收；
其中，所述透射光束经过1/4波片3后，在快慢轴之间产生π/2相移，再过偏振分光镜3将测量光和参考光分解到同一振动方向，同样产生两束干涉光束，分别被光电探测器3和光电探测器4接收；
七、设光电探测器1接收到的探测信号为f1，光电探测器2接收到的探测信号为f2，光电探测器3接收到的探测信号为f3，光电探测器4接收到的探测信号为f4；
八、水表面的波动为：Ansin(2πfnt+φn)+Assin(2πfst+φs)，它由两部分构成：自然水表面波动Ansin(2πfnt+φn)和水下声信号引起的水表面声波Assin(2πfst+φs)；
其中，An，fn和Фn分别为自然水表面波动的振幅、频率和初相位；As，fs和Фs分别为水下声信号引起的水表面声波的振幅、频率和初相位，t表示时间；
根据光路原理分析得探测信号可由式(1)表示：
式中I0为直流增益大小，ΔL为参考光路与探测光路在水面绝对静止时的初始光程差，k为激光的波数，k＝2π/λ，λ为激光波长；
探测信号f1和f4输入到差分放大器1的两个输入端，探测信号f2和f3输入到差分放大器2的两个输入端，探测信号f1和f4经差分放大后输出信号fI被数据采集模块采集后送入上位机，探测信号f2和f3经差分放大后输出信号fQ也被数据采集模块采集后送入上位机；
那么信号fI和信号fQ由下式表示：
式中，K为放大器增益；
九、采用解调方式得到探测信号的相位，即完成了一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中所述S光的振动方向沿着Y轴，P光的振动方向沿着X轴。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤九采用解调方式得到探测信号的相位具体为：
(一)采用如图2所示的处理流程(即DCM解调流程)：两路正交信号fI与fQ具有相同相位，两路信号的相位记为那么两路正交信号fI与fQ经过微分和交叉相乘后得到两路可表示为：和
(二)两路微分交叉相乘得到的信号再做差分放大以及积分运算，得到与探测信号相位成正比一个信号，比例系数为K2，或两路正交探测信号fI与fQ经平方相加运算可得到前述的比例系数K2；
(三)将前面经过微分交叉相乘再做差分放大后得到的信号除以比例系数K2；
(四)经过高通滤波滤除探测信号相位的0频率项2kΔL以及低频的自然水表面波动项2kAn sin(2πfnt+φn)，得到水表面声波信号KsAssin(2πfst+φs)，即一个声压与水下声信号成正比例的声信号，实现了水下声信号的实时解调；其中，Ks表示经过高通滤波后的相位解调信号的增益系数。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
实施例：
用给定的信号驱动水下扬声器，给定信号为分段变频信号，驱动信号在不同的时间段内有不同的频率，分别为2000Hz和1500Hz。利用本发明所述系统探测水下声信号。上位机读取的两路正交干涉信号fI和fQ如图3和图4所示。
对两路正交干涉信号进行微分、交叉相乘以及差分放大后的输出信号如图5所示。
对微分交叉相乘差分放大后的信号，除以比例系数k2后的信号如图6所示。
消除比例系数后，对信号进行高通滤波，滤除低频分量，得到的信号即为我们所需要的一个与水下声信号成正比的信号。如图7所示。
观察最终解调得到的信号的傅里叶频谱分布，如图8所示，其主频位于1500Hz和2000Hz，与我们输入的水下扬声器驱动信号一致，也即与水下声信号频谱一致。
对最终解调得到信号进行小波变换，观察时频分布，小波系数分布如图9所示，可以观察到在时刻0.8s左右时，信号的主频发生了跃变，由2000Hz变化为1500Hz。这与设定的水下扬声器驱动信号的变化规律一致。综合傅里叶频谱分析结果可知，系统探测解调得到的水下声信号与实际水下声信号的时频分布一致，说明系统能够实时解调水下声信号。
Claims (2)
1.一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，其特征在于它按以下步骤实现：
一、构建无源零差干涉仪系统：
无源零差干涉仪系统包括激光正交偏振干涉光路、探测信号处理电路和计算机终端；
其中，所述激光正交偏振干涉光路包括激光器、准直透镜、起偏器、偏振分光棱镜1、偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜3、非偏振分光镜、接收透镜、1/4波片1、1/4波片2、1/4波片3、1/2波片、光衰减片和反射镜；
所述探测信号处理电路包括光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测器4、差分放大器1和差分放大器2；
所述计算机终端包括数据采集模块和计算机；
二、建立初始坐标系：
设X轴方向为平行纸面向右，Y轴方向为垂直纸面向外，Z轴则为平行纸面向下，激光光束沿着Z轴方向传输，起偏器和3枚1/4波片放置于X-Y平面内，其中起偏器的透光轴与X轴成45°，波片的快轴与X轴成45°；1/2波片放置在X-Y平面内，其快轴与X轴成22.5°；偏振分光棱镜和非偏振分光镜放置在X-Z平面内，分光面与X轴成45°，探测信号处理电路由光电探测器、差分放大器组成；
三、激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P光；
四、S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，参考光经45°放置的1/4波片1后变成圆偏振光，再经由光衰减片和反射镜返回穿透1/4波片又变成振动方向沿着X轴的P光，参考光回到偏振分光镜1后完全透射，进入1/2波片；
五、P光作为探测光，它经过1/4波片2和接收透镜后出射到被探测的水域，接收透镜接收水面的反射光，该反射光再穿过1/4波片2后变为S光，S光回到偏振分光镜1后实现完全反射，进入1/2波片；
六、参考光和探测光经过1/2波片后振动方向旋转了45°，然后被非偏振分光镜分为均匀的两束激光反射光束与透射光束：
其中，所述反射光束被偏振分光镜2分解到同一振动方向，产生两束干涉光束，分别被光电探测器1和光电探测器2接收；
其中，所述透射光束经过1/4波片3后，在快慢轴之间产生π/2相移，再过偏振分光镜3将测量光和参考光分解到同一振动方向，同样产生两束干涉光束，分别被光电探测器3和光电探测器4接收；
七、设光电探测器1接收到的探测信号为f1，光电探测器2接收到的探测信号为f2，光电探测器3接收到的探测信号为f3，光电探测器4接收到的探测信号为f4；
八、水表面的波动为：Ansin(2πfnt+φn)+Assin(2πfst+φs)，它由两部分构成：自然水表面波动Ansin(2πfnt+φn)和水下声信号引起的水表面声波Assin(2πfst+φs)；
其中，An，fn和φn分别为自然水表面波动的振幅、频率和初相位；As，fs和φs分别为水下声信号引起的水表面声波的振幅、频率和初相位，t表示时间；
根据光路原理分析得探测信号可由式(1)表示：
式中I0为直流增益大小，ΔL为参考光路与探测光路在水面绝对静止时的初始光程差，k为激光的波数，k＝2π/λ，λ为激光波长；
探测信号f1和f4输入到差分放大器1的两个输入端，探测信号f2和f3输入到差分放大器2的两个输入端，探测信号f1和f4经差分放大后输出信号fI被数据采集模块采集后送入上位机，探测信号f2和f3经差分放大后输出信号fQ也被数据采集模块采集后送入上位机；
那么信号fI和信号fQ由下式表示：
式中，K为放大器增益；
九、采用解调方式得到探测信号的相位，即完成了一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，其具体过程为：
(一)采用DCM解调流程：两路正交信号fI与fQ具有相同相位，两路信号的相位记为那么两路正交信号fI与fQ经过微分和交叉相乘后得到两路可表示为：和
(二)两路微分交叉相乘得到的信号再做差分放大以及积分运算，得到与探测信号相位成正比一个信号，比例系数为K2，或两路正交探测信号fI与fQ经平方相加运算可得到前述的比例系数K2；
(三)将前面经过微分交叉相乘再做差分放大后得到的信号除以比例系数K2；
(四)经过高通滤波滤除探测信号相位的0频率项2kΔL以及低频的自然水表面波动项2kAnsin(2πfnt+φn)，得到水表面声波信号KsAssin(2πfst+φs)，即一个声压与水下声信号成正比例的声信号，实现了水下声信号的实时解调；其中，Ks表示经过高通滤波后的相位解调信号的增益系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，其特征在于步骤三中所述S光的振动方向沿着Y轴，P光的振动方向沿着X轴。
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Also Published As
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