CN106323441B - 外差干涉式光纤水听器同步电参考系统及噪声消除方法 - Google Patents

外差干涉式光纤水听器同步电参考系统及噪声消除方法 Download PDF

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Abstract

外差干涉式光纤水听器同步电参考系统及噪声消除方法，同步电参考系统包括声光调制器驱动、混频电路、滤波电路和移相电路，所述的同步电参考系统是将两个声光调制器驱动的移频参考信号进行混频，滤波后获得同步电参考信号及其正交参考信号，这两个参考信号的频率与外差干涉式光纤水听器的传感信号的频率相同，可以消除声光调制器引入的移频噪声，提高光纤水听器的性能。

Description

外差干涉式光纤水听器同步电参考系统及噪声消除方法
技术领域
本发明涉及一种外差干涉式光纤水听器的同步电参考系统及声光调制器移频噪声消除的方法。
背景技术
光纤水听器是现代声纳发展的一个重要方向，它是通过相位载波的方法将水中的声信号转换为干涉光的相位信号，通过解调算法得到光的相位信息，从而获得水声信息。
外差干涉式光纤水听器通过声光调制器产生外差载波信号，将声信号调制到高频，避免低频噪声干扰，具有较大的动态范围。由于声光调制器驱动有一定的移频精度，声光调制器移频频率的不稳定给外差干涉式光纤水听器带来移频噪声，影响光纤水听器的性能。
从载波信号中获取声信号可以通过反正切的解调算法，此算法需要用到一个与外差同频的参考信号及其正交参考信号。参考信号频率的准确度也会影响光纤水听器的性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明为了解决外差干涉式光纤水听器的移频噪声及参考信号频率准确度的技术问题，提供一种用于外差干涉式光纤水听器的同步电参考系统及移频噪声消除方法。
本发明的技术解决方案是：
外差干涉式光纤水听器同步电参考系统，包括：窄线宽激光器、第一耦合器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光纤延时环、第二耦合器、环形器、传感探头、光电探测器、同步电参考装置和数字解调系统；
窄线宽激光器出射的连续激光通过第一耦合器分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器和第二声光调制器，被调制成频率不同的脉冲激光；第一声光调制器输出的脉冲激光经过第一光纤延时环进行延时后输入到第二耦合器，第二声光调制器输出的脉冲激光直接输入到第二耦合器，第二耦合器将两束输入脉冲激光进行耦合后，将输出的脉冲激光经过环形器进入水听器的传感探头，由传感探头反射回的传感光信号经环形器到达光电探测器，光电探测器将输出的电信号送入数字解调系统；同步电参考装置产生同步电参考信号及其正交电参考信号并送入数字解调系统，数字解调系统根据接收到的三路电信号解调出水声信号；
同步电参考装置还给第一声光调制器和第二声光调制器提供驱动信号。
脉冲激光经过所述的第一光纤延时环的时间大于等于脉冲激光的脉宽。
传感探头包括第三耦合器、第一法拉第旋转镜、第二法拉第旋转镜和第二光纤延时环；
进入传感探头的脉冲激光经过第三耦合器后分成两路，一路脉冲激光经过第一法拉第旋转镜反射后回到第三耦合器中，另一路脉冲激光经过第二光纤延时环后，再通过第二法拉第旋转镜进行反射，之后经过第二光纤延时环进入第三耦合器中，第三耦合器将收到的两路反射信号进行耦合，输出传感光信号到环形器。
在第三耦合器处耦合的两路反射信号的光程差与第一光纤延时环的长度相同。
所述同步电参考装置包括第一声光调制器驱动、第二声光调制器驱动、混频电路、滤波电路和移相电路；
第一声光调制器驱动和第二声光调制器驱动分别给第一声光调制器和第二声光调制器提供驱动信号，同时，第一声光调制器驱动和第二声光调制器驱动还生成移频参考信号并送入混频电路；混频电路将两个移频参考信号混频后，输入到滤波电路进行低通滤波，将滤波后的电参考信号分为两路，其中一路电参考信号直接送入数字解调系统，另一路电参考信号送入移相电路，通过移相°得到其正交参考电信号，正交参考信号送入数字解调系统。
所述传感探头的外部设有增敏的封装，用于拾取水声信号。
一种基于所述的外差干涉式光纤水听器同步电参考系统实现的噪声消除方法，步骤如下：
(1)窄线宽激光器出射的频率为f0的连续激光通过第一耦合器分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器和第二声光调制器，被调制成频率为f1′+f0和频率为f2′+f0的脉冲激光，其中，f1′＝f1+δf1(t)，f2′＝f2+δf2(t)，f1，f2为两个声光调制器固有的移频频率，δf1(t)，δf2(t)为频率抖动项；
(2)第一声光调制器输出的频率为f1′+f0脉冲激光经过第一光纤延时环进行延时后输入到第二耦合器，第二声光调制器输出的频率为f2′+f0脉冲激光直接输入到第二耦合器，第二耦合器将两束输入脉冲激光进行耦合，两个脉冲光的光强可以表示为：
其中，V1(t)为第一声光调制器输出的频率为f1′+f0脉冲激光的光强，V2(t)为第二声光调制器输出的频率为f2′+f0脉冲激光的光强，A1和A2表示交流项幅值，t为时间，它们分别代表两个声光调制器移频噪声转化成的相位噪声；是由环境引起的低频噪声项；
(3)第二耦合器输出的一束脉冲激光经过环形器进入水听器传感探头，由传感探头反射回的传感光信号到达环形器，经环形器之后送入光电探测器，光电探测器将输出的电信号送入数字解调系统；
光电探测器输出的电信号为：
其中，B＝2A1A2,外差频率Δf＝f1-f2，ψ(t)为传感探头拾取的水声信号，是待解调的信号；
(4)第一声光调制器驱动输出的移频参考信号与第二声光调制器驱动输出的移频参考信号，信号强度分别表示为：
U1(t)＝C1cos(2πf1t+φ1(t)+φ0)；
U2(t)＝C2cos(2πf2t+φ2(t)+φ0′)；
其中，φ0和φ0′表示两个移频参考信号的初始相位；C1和C2为移频参考信号的交流项幅值；
(5)U1(t)和U2(t)经过混频电路和滤波电路后，其强度表示为：
Iref＝Dcos(2πΔft+(φ1(t)-φ2(t))+φ)
其中D＝2C1C2，φ＝φ0-φ0′为滤波后生成的同步参考信号的初始相位，同步参考信号通过移相电路移相后得到正交参考信号：
I′ref＝Dsin(2πΔft+(φ1(t)-φ2(t))+φ)
(6)在数字解调系统中，将Isig分别与(5)中Iref和I′ref相乘并进行低通滤波后得到：
其中，W1和W2为低通滤波后的结果；
将W1和W2相除，通过反正切运算得到水声信号ψ(t)：
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的优点在于利用了声光调制器驱动的移频参考信号生成频率与载波频率同步变化的电参考信号及正交参考信号，确保了参考信号的频率的准确度，消除了声光调制器带来的移频噪声，简化了外差干涉式水听器的光学系统及数字解调系统，提高外差干涉式光纤水听器的性能。
附图说明
图1是本发明同步电参考系统的原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了外差干涉式光纤水听器同步电参考系统，包括：窄线宽激光器1、第一耦合器2、第一声光调制器3、第二声光调制器4、第一光纤延时环5、第二耦合器6、环形器7、传感探头8、光电探测器9、同步电参考装置10和数字解调系统11；
窄线宽激光器1出射的连续激光通过第一耦合器2分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器3和第二声光调制器4，被调制成频率不同的脉冲激光；第一声光调制器3输出的脉冲激光经过第一光纤延时环5进行延时后输入到第二耦合器6，第二声光调制器4输出的脉冲激光直接输入到第二耦合器6，第二耦合器6将两束输入脉冲激光进行耦合后，脉冲激光经过所述的第一光纤延时环5的时间大于等于脉冲激光的脉宽。这样在第二耦合器6处两个脉冲光不发生干涉，形成具有固定时序的脉冲序列。第二耦合器将输出的脉冲激光经过环形器7进入水听器的传感探头8，由传感探头反射回的传感光信号经环形器7到达光电探测器9，光电探测器9将输出的电信号送入数字解调系统11；同步电参考装置10产生同步电参考信号及其正交电参考信号并送入数字解调系统11，数字解调系统11根据接收到的三路电信号解调出水声信号；
同步电参考装置10还给第一声光调制器3和第二声光调制器4提供驱动信号。
传感探头8包括第三耦合器12、第一法拉第旋转镜13、第二法拉第旋转镜14和第二光纤延时环15；
进入传感探头8的脉冲激光经过第三耦合器12后分成两路，一路脉冲激光经过第一法拉第旋转镜13反射后回到第三耦合器13中，另一路脉冲激光经过第二光纤延时环15后，再通过第二法拉第旋转镜14进行反射，之后经过第二光纤延时环15进入第三耦合器12中，第三耦合器12将收到的两路反射信号进行耦合，输出传感光信号到环形器7。在探头内使用法拉第旋转镜抑制传感光信号的偏振衰落。
在第三耦合器12处耦合的两路反射信号的光程差与第一光纤延时环5的长度相同。这样由第一声光调制器3输出的脉冲光经过第一法拉第旋转镜13反射后与第二声光调制器4输出的脉冲光经过第二法拉第旋转镜14反射后所经历的光程的长度相同，两个不同频率的脉冲光，在第三耦合器12处发生拍频，作为传感光信号。
所述同步电参考装置10包括第一声光调制器驱动16、第二声光调制器驱动17、混频电路18、滤波电路19和移相电路20；
第一声光调制器驱动16和第二声光调制器驱动17分别给第一声光调制器3和第二声光调制器4提供驱动信号，同时，第一声光调制器驱动16和第二声光调制器驱动17还生成移频参考信号并送入混频电路18；混频电路18将两个移频参考信号混频后，输入到滤波电路19进行低通滤波，将滤波后的电参考信号分为两路，其中一路电参考信号直接送入数字解调系统11，另一路电参考信号送入移相电路20，通过移相90°得到其正交参考电信号，正交参考信号送入数字解调系统11。利用此种方式获得的参考信号和同步参考信号的频率与传感信号的频率保持同变，可以消除声光调制器频率抖动带来的噪声，提高水听器系统的性能。
传感探头8的外部设有增敏的封装，用于拾取水声信号。
基于上述外差干涉式光纤水听器同步电参考系统，本发明还提供了一种移频噪声消除方法，步骤如下：
1、窄线宽激光器1出射的频率为f0的连续激光通过第一耦合器2分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器3和第二声光调制器4，被调制成频率为f1′+f0和频率为f2′+f0的脉冲激光，其中，f1′＝f1+δf1(t)，f2′＝f2+δf2(t)，f1，f2为两个声光调制器固有的移频频率，δf1(t)，δf2(t)为频率抖动项；
2、第一声光调制器3输出的频率为f1′+f0脉冲激光经过第一光纤延时环5进行延时后输入到第二耦合器6，第二声光调制器4输出的频率为f2′+f0脉冲激光直接输入到第二耦合器6，第二耦合器6将两束输入脉冲激光进行耦合，两个脉冲光的光强可以表示为：
其中，V1(t)为第一声光调制器3输出的频率为f1′+f0脉冲激光的光强，V2(t)为第二声光调制器4输出的频率为f2′+f0脉冲激光的光强，A1和A2表示交流项幅值，t为时间，它们分别代表两个声光调制器移频噪声转化成的相位噪声；是由环境引起的低频噪声项；
3、第二耦合器6输出的一束脉冲激光经过环形器7进入水听器传感探头8，由传感探头8反射回的传感光信号到达环形器7，经环形器7之后送入光电探测器9，光电探测器9将输出的电信号送入数字解调系统11；
光电探测器9输出的电信号为：
其中，B＝2A1A2,外差频率Δf＝f1-f2，ψ(t)为传感探头8拾取的水声信号，是待解调的信号；待解调的信号中的φ1(t)-φ2(t)是由声光调制器移频噪声带来的相位噪声，它会影响外差干涉式光纤水听器最终的解调结果。
4、利用反正切算法得到水声信号ψ(t)，需要一个与载波同频的参考信号及其正交信号。
如果参考信号及正交参考信号是无频率抖动的理想信号，即参考信号为
cos(2πΔft+φ′)，正交参考信号为sin(2πΔft+φ′)，φ′表示初相位。这两个信号分别与Isig信号做反正切的运算，得到水声信号：
其中M为一个比值。由上式可见声光调制器的移频噪声(φ1(t)-φ2(t))没有被消掉，将会影响水听器的性能。
为消除声光调制器移频噪声提出同步电参考的方案：第一声光调制器驱动16输出的移频参考信号与第二声光调制器驱动17输出的移频参考信号，信号强度分别表示为：
U1(t)＝C1cos(2πf1t+φ1(t)+φ0)；
U2(t)＝C2cos(2πf2t+φ2(t)+φ0′)；
其中，φ0和φ0′表示两个移频参考信号的初始相位；C1和C2为移频参考信号的交流项幅值；
5、U1(t)和U2(t)经过混频电路18和滤波电路19后，其强度表示为：
Iref＝Dcos(2πΔft+(φ1(t)-φ2(t))+φ)
其中D＝2C1C2，φ＝φ0-φ0′为滤波后生成的同步参考信号的初始相位，同步参考信号通过移相电路20移相后得到正交参考信号：
I′ref＝Dsin(2πΔft+(φ1(t)-φ2(t))+φ)
6、在数字解调系统11中，将Isig分别与5中Iref和I′ref相乘并进行低通滤波后得到：
其中，W1和W2为低通滤波后的结果；
将W1和W2相除，通过反正切运算得到水声信号ψ(t)：
上式含有干涉信号的初相位是一个低频慢变量，同步电信号φ的固定初相位，通过高通滤波可以将两者滤掉，得到水声信号ψ(t)。通过同步电参考保证了参考信号的频率与载波信号的频率同变，消除掉由声光调制器引入的移频噪。
实施例：
在实施方式的基础上举例说明同步电参考的实现方式。
对于外差干涉式光纤水听器系统，第一光纤延时环5的长度为30米；传感探头18采用抗弯曲的细径光纤绕制而成，在参考探头18中光信号由第三耦合器12到第一法拉第旋转镜13的距离与光信号由第三耦合器13经第二光纤延时环15到第二法拉第旋转镜14的距离差为15米；这样设计可以保证由第一声光调制器3输出的脉冲光经过第一法拉第旋转镜13反射后与第二声光调制器4输出的脉冲光经过第二法拉第旋转镜14反射后所经历的光程的长度相同，两个不同频率的脉冲光，在第三耦合器12处发生拍频，作为传感光信号。
第一声光调制器3的移频频率为200MHz，第二声光调制器4的移频频率为199.8MHz；脉冲光的频率为1.2MHz，脉冲的宽度为120ns；在第三耦合器12处形成的传感光信号的中心频率为200kHz。
在同步电参考装置10中，所述的第一声光调制器驱动16和第二声光调制器驱动17为Gooch&Housego公司的64020-200-2ADMDFS数字式同源驱动，所述的混频电路18可以选用ADI公司的AD831芯片，所述的滤波电路19由高通滤波电路LTC1068-25与低通滤波电路为LTC1569-7组成，对混频信号进行带通处理；所述的移相电路20以OP37芯片为例作为搭建核心，滤波后的参考信号进行移相90°得到正交参考信号。
与固定频率为200kHz的电参考信号解调结果的噪声相比，以上述参数与器件组成的外差干涉式光纤水听器同步电参考系统将噪声降低了7.8dB，其中主要消除的是声光调制器带来的移频噪声。

Claims (2)

1.外差干涉式光纤水听器同步电参考系统，其特征在于包括：窄线宽激光器(1)、第一耦合器(2)、第一声光调制器(3)、第二声光调制器(4)、第一光纤延时环(5)、第二耦合器(6)、环形器(7)、传感探头(8)、光电探测器(9)、同步电参考装置(10)和数字解调系统(11)；
窄线宽激光器(1)出射的连续激光通过第一耦合器(2)分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器(3)和第二声光调制器(4)，被调制成频率不同的脉冲激光；第一声光调制器(3)输出的脉冲激光经过第一光纤延时环(5)进行延时后输入到第二耦合器(6)，第二声光调制器(4)输出的脉冲激光直接输入到第二耦合器(6)，第二耦合器(6)将两束输入脉冲激光进行耦合后，将输出的脉冲激光经过环形器(7)进入水听器的传感探头(8)，由传感探头反射回的传感光信号经环形器(7)到达光电探测器(9)，光电探测器(9)将输出的电信号送入数字解调系统(11)；同步电参考装置(10)产生同步电参考信号及其正交电参考信号并送入数字解调系统(11)，数字解调系统(11)根据接收到的三路电信号解调出水声信号；
同步电参考装置(10)还给第一声光调制器(3)和第二声光调制器(4)提供驱动信号；
所述同步电参考装置(10)包括第一声光调制器驱动(16)、第二声光调制器驱动(17)、混频电路(18)、滤波电路(19)和移相电路(20)；
第一声光调制器驱动(16)和第二声光调制器驱动(17)分别给第一声光调制器(3)和第二声光调制器(4)提供驱动信号，同时，第一声光调制器驱动(16)和第二声光调制器驱动(17)还生成移频参考信号并送入混频电路(18)；混频电路(18)将两个移频参考信号混频后，输入到滤波电路(19)进行低通滤波，将滤波后的电参考信号分为两路，其中一路电参考信号直接送入数字解调系统(11)，另一路电参考信号送入移相电路(20)，通过移相90°得到其正交参考电信号，正交参考信号送入数字解调系统(11)，获得的参考信号和同步参考信号的频率与传感信号的频率保持同变；
脉冲激光经过所述的第一光纤延时环(5)的时间大于等于脉冲激光的脉宽；传感探头(8)包括第三耦合器(12)、第一法拉第旋转镜(13)、第二法拉第旋转镜(14)和第二光纤延时环(15)；进入传感探头(8)的脉冲激光经过第三耦合器(12)后分成两路，一路脉冲激光经过第一法拉第旋转镜(13)反射后回到第三耦合器(13)中，另一路脉冲激光经过第二光纤延时环(15)后，再通过第二法拉第旋转镜(14)进行反射，之后经过第二光纤延时环(15)进入第三耦合器(12)中，第三耦合器(12)将收到的两路反射信号进行耦合，输出传感光信号到环形器(7)；在第三耦合器(12)处耦合的两路反射信号的光程差与第一光纤延时环(5)的长度相同；所述传感探头(8)的外部设有增敏的封装，用于拾取水声信号。
2.一种基于权利要求1所述的外差干涉式光纤水听器同步电参考系统实现的噪声消除方法，其特征在于步骤如下：
(1)窄线宽激光器(1)出射的频率为f0的连续激光通过第一耦合器(2)分为两路，两束激光分别进入第一声光调制器(3)和第二声光调制器(4)，被调制成频率为f1′+f0和频率为f′2+f0的脉冲激光，其中，f1′＝f1+δf1(t)，f′2＝f2+δf2(t)，f1，f2为两个声光调制器固有的移频频率，δf1(t)，δf2(t)为频率抖动项；
(2)第一声光调制器(3)输出的频率为f1′+f0脉冲激光经过第一光纤延时环(5)进行延时后输入到第二耦合器(6)，第二声光调制器(4)输出的频率为f′2+f0脉冲激光直接输入到第二耦合器(6)，第二耦合器(6)将两束输入脉冲激光进行耦合，两个脉冲光的光强可以表示为：
其中，V1(t)为第一声光调制器(3)输出的频率为f1′+f0脉冲激光的光强，V2(t)为第二声光调制器(4)输出的频率为f′2+f0脉冲激光的光强，A1和A2表示交流项幅值，t为时间，它们分别代表两个声光调制器移频噪声转化成的相位噪声；是由环境引起的低频噪声项；
(3)第二耦合器(6)输出的一束脉冲激光经过环形器(7)进入水听器传感探头(8)，由传感探头(8)反射回的传感光信号到达环形器(7)，经环形器(7)之后送入光电探测器(9)，光电探测器(9)将输出的电信号送入数字解调系统(11)；
光电探测器(9)输出的电信号为：
其中，B＝2A1A2,外差频率Δf＝f1-f2，ψ(t)为传感探头(8)拾取的水声信号，是待解调的信号；
(4)第一声光调制器驱动(16)输出的移频参考信号与第二声光调制器驱动(17)输出的移频参考信号，信号强度分别表示为：
U1(t)＝C1cos(2πf1t+φ1(t)+φ0)；
U2(t)＝C2cos(2πf2t+φ2(t)+φ′0)；
其中，φ0和φ′0表示两个移频参考信号的初始相位；C1和C2为移频参考信号的交流项幅值；
(5)U1(t)和U2(t)经过混频电路(18)和滤波电路(19)后，其强度表示为：
Iref＝Dcos(2πΔft+(φ1(t)-φ2(t))+φ)
其中D＝2C1C2，φ＝φ0-φ′0为滤波后生成的同步参考信号的初始相位，同步参考信号通过移相电路(20)移相后得到正交参考信号：
I′ref＝Dsin(2πΔft+(φ1(t)-φ2(t))+φ) ；
(6)在数字解调系统(11)中，将Isig分别与(5)中Iref和I′ref相乘并进行低通滤波后得到：
其中，W1和W2为低通滤波后的结果；
将W1和W2相除，通过反正切运算得到水声信号ψ(t)：
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