CN112697256A - 一种基于声波调制的pgc解调系统及其解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于声波调制的PGC解调系统及其解调方法，其中，PGC解调系统中的调制解调模块通过声源驱动线缆与高频声源相连，调制解调模块包括PGC解调单元，调制解调模块配置为驱动高频声源产生携带载波信号的声波，同时调制解调模块产生光信号并通过光缆传递至水听器基元阵列，并接收水听器基元阵列传回的干涉信号传递至PGC解调单元。本发明仅使用一个高频声源就可以同时对水听器基元阵列的多个水听器基元进行调制，效率高，并且用于调制的高频声源位于水听器基元外，水听器基元数量庞大，而本发明不需要在水听器基元内设置压电调制器调节相位，减小水听器基元体积，减少成本。不需要对光源进行调制，光源噪声小。

Description

一种基于声波调制的PGC解调系统及其解调方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种PGC解调系统及其解调方法，特别是一种成本低、效率高、光源噪声小的PGC解调系统及其解调方法。

背景技术

光纤水听器是基于光纤通信与光纤传感技术发展起来的新型水下声呐技术。与传统的压电式、电容式水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高，响应频带宽，可探测50Hz以下的低频信号，采用被动方式(隐蔽性好)等优势，是现代反潜作战先进探测手段。干涉式光纤水听器的工作原理是将水声信号通过换能结构作用到光纤干涉仪的传感臂中，改变其与参考臂的相位差，通过高灵敏度的相位解调算法将声波信号还原，由于光干涉仪产生的干涉信号为三角函数形式，而一个干涉强度可对应多个相位，因此无法通过实时干涉强度直接计算出实时相位，需要使用特定的光相位解调算法来解调。

目前主流的光相位解调方法有外差解调法、PGC解调法。这两种方法的核心思想都是将干涉信号调制成两个正交三角函数形式，再通过简单的数学运算即可实现相位信号还原。

外差解调法是通过频移器使激光在参考光路和传感光路产生不同的频移差来对干涉信号进行调制，受调制的干涉信号再通过一定数学运算获得干涉信号两个正交三角函数形式。外差解调方法中，使用频移器在对输出激光进行频移会产生激光线宽展宽，这在一定程度上限制了光纤水听系统的噪声抑制能力。

基于内调制的PGC解调法是通过对激光器中心频率调制，来实现对干涉信号的PGC调制，通过一定数学运算获得相位信号两个正交三角函数形式。基于光源内调制的PGC解调法是使用调制器直接对激光输出频率进行调制，与外差解调法一样存在激光线宽展宽的问题，另一方面，对激光输出频率进行调制会对原本相对稳定的激光输出功率引入一个随注入电流周期变化的幅度调制，即引入伴生调幅，导致输出功率抖动并影响解调系统性能。而基于参考臂外调制的PGC解调法，由于不存在对激光的频率调制，其噪声水平相对前两者要低，这种方案一般是通过在参考臂上加入光相位调制器来实现。然而光纤水听器阵列中，水听器基元数量庞大，对每个基元进行电调制的话会极大增加系统复杂程度，增加成本。

综上所述，现有技术的光相位解调方法噪声大、系统复杂、成本高，所以需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明提供了一种基于声波调制的PGC系统及其解调方法，用以解决现有技术光相位解调方法噪声大、系统复杂、成本高等至少一个前述问题。

一种基于声波调制的PGC解调系统，包括调制解调模块、水听器基元阵列、光缆，所述调制解调模块通过所述光缆与所述水听器基元阵列相连，所述调制解调模块包括光源，所述光源发出的光信号经过所述光缆传输到所述水听器基元阵列并产生干涉信号，还包括高频声源、声源驱动线缆，

所述调制解调模块通过所述声源驱动线缆与所述高频声源相连，并被配置为驱动所述高频声源产生携带载波信号的声波，所述声波对所述干涉信号进行调制得到调制过的干涉信号；所述调制解调模块还包括PGC解调单元，所述PGC解调单元接收所述水听器基元阵列传回的所述调制过的干涉信号。

进一步，所述调制解调模块包括鉴相器，所述鉴相器用于提取所述载波信号中的时延t和相移φ。

进一步，所述水听器基元阵列包括多个等距直线分布的水听器基元，所述水听器基元阵列长度为第一个所述水听器基元到最后一个所述水听器基元的长度；所述高频声源与所述光缆的垂直距离大于所述水听器基元阵列长度的三倍；所述高频声源位于所述水听器基元阵列的垂直中线上。

进一步，所述高频声源包括水下膜片式喇叭和压电水声发生器。

进一步，所述调制解调模块还包括滤波结构，所述滤波结构用于滤除所述干涉信号中的干扰信号得到调制部分M_n，将所述调制部分M_n和所述载波信号输入所述鉴相器提取时延t和相移φ。

进一步，所述声源驱动线缆包括防水缆皮和通过防水缆皮进行水密封装的供电电缆、音频信号线和凯夫拉绳。

进一步，所述光缆包括防水缆皮和通过防水缆皮进行水密封装的光纤和凯夫拉绳。

进一步，所述调制解调模块还包括放大器，所述调制解调模块产生的载波信号通过所述放大器加载在所述高频声源上。

进一步，所述光缆上设置有固定桩，所述固定桩用于将所述光缆固定于水底。

进一步，所述声源驱动线上设置有沉块，所述沉块配置为能够将所述高频声源固定于水底。

一种基于声波调制的PGC解调方法，包括以下步骤：

步骤S1，调制解调模块产生光信号并通过光缆发送至水听器基元阵列产生干涉信号；所述调制解调模块通过声源驱动线缆驱动高频声源产生携带载波信号的声波；

步骤S2，所述声波对所述干涉信号进行调制，得到调制过的干涉信号；

步骤S3，将所述调制过的干涉信号传输到所述调制解调模块，通过所述PGC解调单元进行解调得到待测声信号。

进一步，在所述步骤S3之前，将所述载波信号输入鉴相器提取时延t和相移φ。

进一步，所述PGC解调单元应用有PGC解调算法，将所述时延t和相移φ加入所述PGC解调算法中，对产生的一倍频(ω₀)信号和二倍频(2ω₀)信号进行混频处理，实现所述M_n和与其进行混频计算的倍频信号之间的相位匹配；

通过PGC解调算法，对所述干涉信号进行混频、低通滤波、微分交叉相乘、相减、积分与高通滤波后得到所述待测声信号。

本发明至少具有以下有益效果：本发明仅使用一个高频声源就可以同时对水听器基元阵列的多个水听器基元进行调制，效率高，并且用于调制的高频声源位于水听器基元外，水听器基元数量庞大，而本发明不需要在水听器基元内设置压电调制器调节相位，减小水听器基元体积，减少成本。另外，本发明不需要对光源进行调制，光源噪声小，不会使待测信号产生较大的失真。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的PGC解调系统结构示意图。

图2为本发明光缆的结构示意图。

图3为本发明声源驱动线缆的结构示意图。

图4为本发明解调方法流程图。

图5为本发明载波信号时延与相移计算流程图。

图6为本发明解调的具体步骤流程图。

图中：1-调制解调模块、2-高频声源、3-水听器基元阵列、31-水听器基元、4-沉块、5-声源驱动线缆、51-供电电缆、52-音频信号线、53-凯夫拉绳、54-防水缆皮、6-光缆、61-光纤、62-凯夫拉绳、63-防水缆皮、7-固定桩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

PGC解调系统组成

参见说明书附图1，为本发明的PGC解调系统结构示意图，包括调制解调模块1、高频声源2、水听器基元阵列3、沉块4、声源驱动线缆5、光缆6和固定桩7。调制解调模块1通过声源驱动线缆5与高频声源2相连，声源驱动线缆5上设置有沉块4，通过沉块4的重量将高频声源2固定于水底。调制解调模块1通过光缆6连接水听器基元阵列3，光缆6上设置有固定桩7，通过固定桩7将水听器基元阵列3固定于水底。

本发明所用到的高频声源2由水下膜片式喇叭和压电水声发生器构成。调制解调模块1向高频声源2传递载波信号M，高频声源2用于接收调制解调模块1的载波信号M，并在调制解调模块1的驱动下产生携带载波信号M的声波。水听器基元阵列3通过光缆6接收调制解调模块1产生的光信号，并产生干涉信号光，同时水听器基元阵列3同时接收外界声波和高频声源2产生的携带载波信号M的声波，并将携带有外界声信号和载波信号M的干涉信号光通过传回调制解调模块1，并通过调制解调模块1里的光电探测器进行光电转换。调制解调模块1通过PGC解调算法，最终将待测声信号还原出来。其中调制解调模块1还包括放大器和激光光源，调制解调模块1产生的载波信号M通过放大器加载在高频声源2上；调制解调模块1产生的相干激光为激光光源产生的窄线宽激光。

由于调制解调模块1布设于水上，高频声源2和水听器基元阵列3布设于水下，高频声源2通过声源驱动线缆5与调制解调模块1进行连接，水听器基元阵列3通过光缆6与调制解调模块1进行连接，因而这两种线缆均需具有水密功能。其中，光缆6可以为充油缆线或固体缆线，在水下作业时不容易破损，并且光缆6的等效密度大于水的密度，使得光缆6能够沉入水中。具体地，光缆6包括光纤61、凯夫拉绳62和防水缆皮63。光纤61位于光缆6中，通过防水缆皮63进行水密封装，使光纤61与外界水体隔绝且处于松弛状态，以防止被拉断。进一步，光缆6中设置有凯夫拉绳63，保证光缆6的抗拉和抗扭曲强度。优选地，光缆6中的凯夫拉绳63有三条。

声源驱动线缆5可以为固体缆线，在水下作业时不容易破损，并且声源驱动线缆5的等效密度大于水的密度，使得声源驱动线缆5能够沉入水中。具体地，声源驱动线缆5包括供电电缆51、音频信号线52和凯夫拉绳53，并通过防水缆皮54进行水密封装，凯夫拉绳53用于保证声源驱动线缆5抗拉强度，使供电电缆51、音频信号线52不受到拉力。

水听器基元阵列3包括多个在光缆6上等距直线分布的水听器基元31，水听器基元31通过光纤61与调制解调模块1进行光路连接，实现光信号的传输，水听器基元31外部结构固定于凯夫拉绳62上，以保证水听器基元阵列3位置稳定。为了实现水听器基元31对声波的调制，其结构和尺寸需要满足条件，即使得待测声波和调制声波频率都处于水听器基元31响应带宽之内。水听器基元31的长度需要小于载波信号波长的1/4，并且水听器基元31的工作环境在水下，需要进行耐压设计，能够在实际水深对应的水压下不发生形变。水听器基元31可采用开腔或闭腔的结构。对于闭腔基元结构，光纤预绕的应力应大于水压导致的应力减少量的两倍，以保证水听器基元31在水下仍能保持较的灵敏度响应。

由于高频声源2无指向性，即每个方向的响应一致。为了使每个水听器基元31收到的载波信号M的强度和相位接近，将高频声源2置于水听器基元阵列3的垂直中线上，且优选地，高频声源2与光缆6的垂直距离大于水听器基元阵列3长度的三倍以上。

解调过程

如图4所示，为本发明解调方法流程图，包括以下步骤：

步骤S1，调制解调模块产生光信号并通过光缆发送至水听器基元阵列产生干涉信号；所述调制解调模块通过声源驱动线缆驱动高频声源产生携带载波信号的声波；

步骤S2，所述声波对所述干涉信号进行调制，得到调制过的干涉信号；

步骤S3，将所述调制过的干涉信号传输到所述调制解调模块，通过所述PGC解调单元进行解调得到待测声信号。

调制解调模块1产生载波信号M通过放大器加载在高频声源2上，控制高频声源2发出频率为ω₀的正弦波水声信号作用于m个水听器基元31上，并将其调制到干涉信号的相位上，形成已调的干涉信号S_n{1,2,…,m}，其包含被载波信号M调制的部分M_n{1,2,…,m}和被外界待测声信号A调制的部分A_n{1,2,…,m}，传输到调制解调模块1进行解调。

由于高频声源2到各个水听器基元的距离不同，导致载波信号M调制到各个基元时具有不同的时延t_n{1,2,…,m}和相移φ_n{1,2,…,m}，给解调结果带来误差。为了消除误差，在使用PGC算法进行信号解调之前，通过滤波结构滤除噪声，获得干涉信号S_n{1,2,…,m}中的调制部分M_n{1,2,…,m}，与声源载波信号M一起输入鉴相器提取时延t_n{1,2,…,m}和相移φ_n{1,2,…,m}，具体步骤如如图5所示。

如图6所示，为本实施例解调的具体步骤流程图。PGC解调单元应用有PGC解调算法，将时延t_n{1,2,…,m}和相移φ_n{1,2,…,m}加入PGC解调算法中，对产生的一倍频(ω₀)信号和二倍频(2ω₀)信号进行混频处理，实现M_n{1,2,…,m}和与其进行混频计算的倍频信号之间的相位匹配。之后再通过PGC解调算法，对水听器基元31干涉信号S_n{1,2,…,m}进行混频、低通滤波、微分交叉相乘、相减、积分与高通滤波后得到待测声信号A_n{1,2,…,m}。

由此，本发明提供了一种基于声波调制的PGC解调系统及其解调方法，本发明仅使用一个高频声源就可以同时对水听器基元阵列的多个水听器基元进行调制，效率高，并且用于调制的高频声源位于水听器基元外，水听器基元数量庞大，本发明不需要在水听器基元内设置压电调制器调节相位，减小水听器基元体积，减少成本。另外，本发明不需要对光源进行调制，光源噪声小，不会使待测信号产生较大的失真。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种基于声波调制的PGC解调系统，包括调制解调模块、水听器基元阵列、光缆，所述调制解调模块通过所述光缆与所述水听器基元阵列相连，所述调制解调模块包括光源，所述光源发出的光信号经过所述光缆传输到所述水听器基元阵列并产生干涉信号，其特征在于，还包括高频声源、声源驱动线缆，

所述调制解调模块通过所述声源驱动线缆与所述高频声源相连，并被配置为驱动所述高频声源产生携带载波信号的声波，所述声波对所述干涉信号进行调制得到调制过的干涉信号；所述调制解调模块还包括PGC解调单元，所述PGC解调单元接收所述水听器基元阵列传回的所述调制过的干涉信号。

2.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述调制解调模块包括鉴相器，所述鉴相器用于提取所述载波信号中的时延t和相移φ。

3.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述水听器基元阵列包括多个等距直线分布的水听器基元，所述水听器基元阵列长度为第一个所述水听器基元到最后一个所述水听器基元的长度；所述高频声源与所述光缆的垂直距离大于所述水听器基元阵列长度的三倍；所述高频声源位于所述水听器基元阵列的垂直中线上。

4.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述高频声源包括水下膜片式喇叭和压电水声发生器。

5.根据权利要求2所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述调制解调模块还包括滤波结构，所述滤波结构用于滤除所述干涉信号中的干扰信号得到调制部分M_n，将所述调制部分M_n和所述载波信号输入所述鉴相器提取时延t和相移φ。

6.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述声源驱动线缆包括防水缆皮和通过防水缆皮进行水密封装的供电电缆、音频信号线和凯夫拉绳。

7.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述光缆包括防水缆皮和通过防水缆皮进行水密封装的光纤和凯夫拉绳。

8.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述调制解调模块还包括放大器，所述调制解调模块产生的载波信号通过所述放大器加载在所述高频声源上。

9.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述光缆上设置有固定桩，所述固定桩用于将所述光缆固定于水底。

10.根据权利要求1所述的基于声波调制的PGC解调系统，其特征在于，所述声源驱动线上设置有沉块，所述沉块配置为能够将所述高频声源固定于水底。

11.一种基于声波调制的PGC解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，调制解调模块产生光信号并通过光缆发送至水听器基元阵列产生干涉信号；所述调制解调模块通过声源驱动线缆驱动高频声源产生携带载波信号的声波；

步骤S2，所述声波对所述干涉信号进行调制，得到调制过的干涉信号；

步骤S3，将所述调制过的干涉信号传输到所述调制解调模块，通过所述PGC解调单元进行解调得到待测声信号。

12.根据权利要求11所述的基于声波调制的PGC解调方法，其特征在于，在所述步骤S3之前，将所述载波信号输入鉴相器提取时延t和相移φ。

13.根据权利要求12所述的基于声波调制的PGC解调方法，其特征在于，所述PGC解调单元应用有PGC解调算法，将所述时延t和相移φ加入所述PGC解调算法中，对产生的一倍频(ω₀)信号和二倍频(2ω₀)信号进行混频处理，实现所述M_n和与其进行混频计算的倍频信号之间的相位匹配；

通过PGC解调算法，对所述干涉信号进行混频、低通滤波、微分交叉相乘、相减、积分与高通滤波后得到所述待测声信号。

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