CN111579047A - 一种光纤矢量水听器的信号解调方法 - Google Patents

一种光纤矢量水听器的信号解调方法 Download PDF

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腾潢龙
易朗宇
沈燕青
高发仁
陈含芳
杨廷新
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Abstract

本发明公开了一种光纤矢量水听器的信号解调方法，所述信号解调方法包括步骤如下：S1：将施加正弦信号调制的窄线宽光纤激光器输出光波输入干涉型光纤矢量水听器使其产生干涉；S2：光纤矢量水听器输出的干涉信号分别与载波一倍频信号、载波二倍频信号进行混频、低通滤波得到一对正交项L1(t)和L2(t)；S3：分别将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自相乘后再相除，求反正切可得所求相位；S4：再将反正切得到的相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。本发明对参数b进行了校正，使得解调结果线性度好，不存在谐波失真；且已经完全消除光强B值得影响，对光强变化不敏感，在光强快速变化下具有很高的稳定性。

Description

一种光纤矢量水听器的信号解调方法
技术领域
本发明涉及通信信号解调技术领域，更具体的，涉及一种光纤矢量水听器的信号解调方法。
背景技术
光纤矢量水听器具有灵敏度高、可在复杂环境中长期稳定工作、易于复用构成大规模阵列、可在一个点上实现对水声场的探测和获取较大的空间信噪比增益等特点，使其在低频水声探测中具有很高的实用价值。因此，信号解调是实现光纤矢量水听器实现工程化的关键技术。
相位生成载波(PGC)调制解调技术是干涉型光纤水听器工程化阶段常用的解调方法，主要有PGC-DCM(微分交叉相乘Differential-Cross-Multiplexing，DCM)算法和PGC-Arctan反正切算法，PGC-DCM尽管在动态范围之内比PGC-Arctan算法有着相对较低的谐波失真，但随着光强的变化系统稳定性较差。PGC-Arctan本质上与光强无关，但是为了实现低谐波失真要求相位调制深度C值严格等于2.63rad，当C值稍有偏离，算法中即出现非线性，进而导致谐波失真。随着光纤矢量水听器技术的发展，光纤矢量水听器检测信号的低谐波失真和系统对光强变化的高稳定性是高性能解调系统所追求的最终目标。
发明内容
本发明为了解决现有技术无法实现解调信号的低谐波失真和消除光强变化对解调结果的影响的问题，提供一种光纤矢量水听器的信号解调方法，该方法能实现光纤矢量水听器的高稳定信号检测，实现解调信号的低谐波失真，并消除光强变化对解调结果的影响。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种光纤矢量水听器的信号解调方法，所述信号解调方法包括步骤如下：
S1：将施加正弦信号调制的窄线宽光纤激光器输出光波输入干涉型光纤矢量水听器使其产生干涉；
S2：光纤矢量水听器输出的干涉信号分别与载波一倍频信号、载波二倍频信号进行混频、低通滤波得到一对正交项L1(t)和L2(t)；
S3：分别将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自相乘后再相除，求反正切可得所求相位；
S4：再将反正切得到的相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。
优选地，步骤S2，所述的光纤矢量水听器的输出干涉信号为：
I(t)＝ηI0[1+k·cos(Ccos(ωct)+φ(t)]
＝A+B·cos((Ccos(ωct)+φ(t)) (1)
φ(t)＝φS(t)+φ0 (2)
其中，I0为输入光功率，η为光路损耗，k为干涉条纹的可见度，A为干涉条纹的直流项，B为干涉条纹的交流项，C为PGC相位调制幅度，ωc为PGC调制频率；φ(t)为干涉仪相位信号，其包含初始相位φ0和待测相位信号φS(t)；
对式(1)进行三角函数Bessel展开得：
Figure BDA0002484393440000021
式中，i为三角函数Bessel展开阶数，式(3)中载波的奇次频和偶次频分别携带了包含待测相位的一对正交项。
进一步地，将干涉信号与载波一倍频信号cos(ωct)、载波二倍频信号cos(2ωct)分别相乘，再进行低通滤波，得到一对正交项L1(t)和L2(t)，具体如下：
L1(t)＝[I(t)·cos(ωct)]*hLPF(t)＝-BJ1(C)sinφ(t) (4)
L2(t)＝[I(t)·cos(2ωct)]*hLPF(t)＝-BJ2(C)cosφ(t) (5)
式中，hLPF(t)代表低通滤波器的冲激响应函数，Ji(C)是以C为变量的第一类i阶Bessel(贝塞尔)函数。
再进一步地，步骤S3，将正交项L1(t)和L2(t)进行相除，相除后得到：
Figure BDA0002484393440000022
其中，参数b为：
Figure BDA0002484393440000023
再进一步地，为了得到参数b，将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自乘后在相除，将正交项L1(t)和L2(t)微分后与L1(t)和L2(t)自相乘，得到：
Figure BDA0002484393440000031
Figure BDA0002484393440000032
将X1(t)和X2(t)相除得到：
Figure BDA0002484393440000033
式中，K表示
Figure BDA0002484393440000034
的比值。
再进一步地，由于参数K、b均与相位调制度C值有关的量，b一般为正数，则可以表示为：
Figure BDA0002484393440000035
将式(11)与式(6)结合，求反正切可得所求相位为：
Figure BDA0002484393440000036
再将反正切可得所求相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。
本发明的有益效果如下：
本发明对参数b进行了校正，使得解调结果线性度好，不存在谐波失真；且已经完全消除光强B值的影响，对光强变化不敏感，在光强快速变化下具有很高的稳定性，最后再通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果，从而实现光纤矢量水听器的高稳定信号检测，实现解调信号的低谐波失真和消除光强变化对解调结果的影响。
附图说明
图1是实施例1所述信号解调方法的流程图。
图2是实施例1所述干涉型光纤水听器解调系统的结构图。
图3是实施例1所述信号解调方法的第一实验结果。
图4是实施例1所述信号解调方法的第二实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种光纤矢量水听器的信号解调方法，所述信号解调方法包括步骤如下：
S1：将施加正弦信号调制的窄线宽光纤激光器输出光波输入干涉型光纤矢量水听器使其产生干涉；
S2：光纤矢量水听器输出的干涉信号分别与载波一倍频信号、载波二倍频信号进行混频、低通滤波得到一对正交项L1(t)和L2(t)；
S3：分别将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自相乘后再相除，求反正切可得所求相位；
S4：再将反正切得到的相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。
在一个具体的实施例中，步骤S2，所述的光纤矢量水听器的输出干涉信号为：
I(t)＝ηI0[1+k·cos(Ccos(ωct)+φ(t)]
＝A+B·cos((Ccos(ωct)+φ(t)) (1)
φ(t)＝φS(t)+φ0 (2)
其中，I0为输入光功率，η为光路损耗，k为干涉条纹的可见度，A为干涉条纹的直流项，B为干涉条纹的交流项，C为PGC相位调制幅度，ωc为PGC调制频率；φ(t)为干涉仪相位信号，其包含初始相位φ0和待测相位信号φS(t)；
对式(1)进行三角函数Bessel展开得：
Figure BDA0002484393440000041
式中，i为三角函数Bessel展开阶数，式(3)中载波的奇次频和偶次频分别携带了包含待测相位的一对正交项。
在一个具体的实施例中，PGC算法首先需要提取出一对正交项，即分离出一对奇次频和偶次频，将干涉信号与载波一倍频信号cos(ωct)、载波二倍频信号cos(2ωct)分别相乘，再进行低通滤波，截止频率为PGC载波频率的一半，得到一对正交项L1(t)和L2(t)，具体如下：
L1(t)＝[I(t)cos(ωct)]*hLPF(t)＝-BJ1(C)sinφ(t) (4)
L2(t)＝[I(t)·cos(2ωct)]*hLPF(t)＝-BJ2(C)cosφ(t) (5)
式中，hLPF(t)代表低通滤波器的冲激响应函数，Ji(C)是以C为变量的第一类i阶Bessel(贝塞尔)函数。
在一个具体的实施例中，步骤S3，将一对正交项L2(t)和L2(t)进行相除，相除后得到：
Figure BDA0002484393440000051
其中参数b为：
Figure BDA0002484393440000052
在一个具体的实施例中，为了得到参数b，将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自乘后在相除，将正交项L1(t)和L2(t)微分后与L1(t)和L2(t)自相乘，得到：
Figure BDA0002484393440000053
Figure BDA0002484393440000054
将X1(t)和X2(t)相除得到：
Figure BDA0002484393440000055
式中，K表示
Figure BDA0002484393440000056
的比值。
在一个具体的实施例中，由于参数K、b均与相位调制度C值有关的量，b一般为正数，则可以表示为：
Figure BDA0002484393440000057
将式(11)与式(6)结合，求反正切可得所求相位为：
Figure BDA0002484393440000058
再将反正切可得所求相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。
与常规算法相比，本方法解调结果线性度好，谐波失真较低；且已经完全消除光强B值得影响，对光强变化不敏感，在光强快速变化下具有很高的稳定性。
实际应用中，相位提取是通过判断E(t)/b的绝对值进行的，如果|E(t)/b|≤1，计算E(t)/b的反正切值，否则计算b/E(t)的反余切值。相位计算过程中通过比较标识判断其值是否超过了
Figure BDA0002484393440000059
如果超过则根据此刻的标识和上一时间点的标识来判断信号走向，给解调结果加上或者减去π，从而可展宽解调的相位范围。
为验证本实施例所述信号解调方法的可行性，一个实际可行的实验系统，如图2所示。有窄线宽光纤激光器1、非平衡干涉仪2、光电转换器3、光电信号调制解调板4。施加正弦调制信号的激光器输出光波进入非平衡干涉仪，返回光在干涉仪的耦合器部分产生干涉，干涉仪光经光电转换器后进入光电信号调制解调板进行信号解调。
实验中在非平衡迈克尔逊干涉仪的一臂上设置PZT相位调制，信号发生器发射1000Hz正弦信号驱动PZT相位调制；首先调整1000Hz正弦信号幅度，使干涉仪被调制产生π信号，对系统进行标定使其解调结果为π。然后减少1000Hz正弦信号幅度，并对数据进行采集，采用本发明的方法进行解调。解调结果见图3、图4所示，其信号解调结果为幅度稳定度高，解调信号谐波失真较低，验证了本实施例所述信号解调方法的有效性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤矢量水听器的信号解调方法，其特征在于：所述信号解调方法包括步骤如下：
S1：将施加正弦信号调制的窄线宽光纤激光器输出光波输入干涉型光纤矢量水听器使其产生干涉；
S2：光纤矢量水听器输出的干涉信号分别与载波一倍频信号、载波二倍频信号进行混频、低通滤波得到一对正交项L1(t)和L2(t)；
S3：分别将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自相乘后再相除，求反正切可得所求相位；
S4：再将反正切得到的相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。
2.根据权利要求1所述的光纤矢量水听器的信号解调方法，其特征在于：步骤S2，所述的光纤矢量水听器的输出干涉信号为：
I(t)＝ηI0[1+k·cos(Ccos(ωct)+φ(t)]
＝A+B·cos((Ccos(ωct)+φ(t)) (1)
φ(t)＝φS(t)+φ0 (2)
其中，I0为输入光功率，η为光路损耗，k为干涉条纹的可见度，A为干涉条纹的直流项，B为干涉条纹的交流项，C为PGC相位调制幅度，ωc为PGC调制频率；φ(t)为干涉仪相位信号，其包含初始相位φ0和待测相位信号φS(t)；
对式(1)进行三角函数Bessel展开得：
Figure FDA0002484393430000011
式中，i为三角函数Bessel展开阶数，式(3)中载波的奇次频和偶次频分别携带了包含待测相位的一对正交项。
3.根据权利要求2所述的光纤矢量水听器的信号解调方法，其特征在于：将干涉信号与载波一倍频信号cos(ωct)、载波二倍频信号cos(2ωct)分别相乘，再进行低通滤波，得到一对正交项L1(t)和L2(t)，具体如下：
L1(t)＝[I(t)·cos(ωct)]*hLPF(t)＝-BJ1(C)sinφ(t) (4)
L2(t)＝[I(t)·cos(2ωct)]*hLPF(t)＝-BJ2(C)cosφ(t) (5)
式中，hLPF(t)代表低通滤波器的冲激响应函数，Ji(C)是以C为变量的第一类i阶Bessel函数。
4.根据权利要求3所述的光纤矢量水听器的信号解调方法，其特征在于：步骤S3，将正交项L1(t)和L2(t)进行相除，相除后得到：
Figure FDA0002484393430000021
其中参数b为：
Figure 2
5.根据权利要求4所述的光纤矢量水听器的信号解调方法，其特征在于：为了得到参数b，将正交项L1(t)和L2(t)微分并与其自乘后在相除，将正交项L1(t)和L2(t)微分后与L1(t)和L2(t)自相乘，得到：
Figure FDA0002484393430000023
Figure FDA0002484393430000024
将X1(t)和X2(t)相除得到：
Figure FDA0002484393430000025
式中，K表示
Figure FDA0002484393430000026
的比值。
6.根据权利要求5所述的光纤矢量水听器的信号解调方法，其特征在于：由于参数K、b均与相位调制度C值有关的量，b为正数，则可以表示为：
Figure FDA0002484393430000027
将式(11)与式(6)结合，求反正切可得所求相位信号为：
Figure FDA0002484393430000028
再将反正切可得所求相位信号通过带通滤波器滤去外部噪声干扰和低频的初始相位漂移，获得最终的解调结果。
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