CN113503956B - 一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感和海洋技术领域，涉及到一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法，所述装置包括光源光发射模块、链路模块、传感模块和调制解调模块；本发明中将对水下平台自振动信号和外界声信号的拾取集成为一套光纤相位型传感装置，通过安装设计和抗干扰信号提取方法，巧妙利用链路光纤加载平台自身振动信号，解决了多个参量传感需要多套传感器的问题，同时由于两种信号的提取都采取了光学相干检测方式，具备灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，对小型化水下平台的适装性良好。

Description

一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感和海洋技术领域，涉及到一种可用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取方法及装置。

背景技术

在水下，很多平台，例如潜艇、水下无人潜航器等,需要加装各种类型的传感载荷来满足自身信息获取需求，同时自身结构的变形、航行过程中的振动等信息也需要同步监测。传感载荷和状态自监测载荷是水下平台的两种基本载荷配置。

为满足这两种信号的拾取需求，通常的做法是根据传感信息的获取要求加装不同类型的传感器。例如，在水下平台外壳上加装振动传感器来感知平台在运动过程中自身的结构振动和形变状态；平台加装传感器来满足水下信息获取的需求，如加装各种小型拖曳声纳、舷侧或艇艏声纳来满足水下声学信息获取的需求，如加装磁传感器来满足获取水下磁场异常信息的需求等。通常而言，由于传感要素不同导致不同传感器的原理不同，水下平台的传感载荷和状态自监测载荷都是分立的传感系统，由于每套传感系统的舱内存储、舱外安装、系统功耗等都需占用独立的资源，导致水下平台中可加装的载荷数量和种类受限，最终导致水下平台的性能受限。特别地，当面对小型化水下平台的应用需求时，如水下滑翔机、AUV等，各自独立的传感系统会存在适装性差甚至无法安装应用的问题。

文献“水下无人作战系统装备现状及发展趋势(舰船科学技术，2017,39(1)，DOI:10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.001)”提出拓展平台的搭载能力是水下无人作战能力提升的重要方向之一。文献“美国水下无人航行器发展及其对美军作战思想的影响(飞航导弹，2020,(6)，DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.20190293)”分析了水下无人航行器载荷能力提升对美军作战理念的影响情况。文献“水下机器人多传感器组合系统在船体检测的应用(机床与液压，2019,47(23)，DOI:10.3969/j.issn.1001-3881.2019.23.013)”研究了水下多传感器信息组合系统,利用多种传感器的特殊功能,使得水下机器人拥有等同于人类的"看、触、听"感觉,并指出了水下传感器的小型化、低功耗等未来的研究方向。不难看出，针对水下平台，提升水下平台的载荷能力是水下平台运用的核心技术之一，而多要素集成传感是水下平台载荷研究的重要发展趋势，也是发展前沿。

光纤传感技术由于良好的水下适用性、良好的复用性能等众多优势，在水下传感的很多领域得到应用。文献“面向海洋传感与探测的光纤传感器研究进展(海洋技术学报，2017,36(5)，DOI:10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.001)”介绍了光纤传感在海洋探测方面的研究进展,主要包括测量海水温度、压力、盐度、叶绿素、pH值和溶解氧的相关光纤传感器以及光纤水听器。针对水下平台应用的集成化、小型化、低功耗需求而言，目前已有基于光纤光栅的多参量传感系统可以实现多要素信息获取，但只能用于慢变信号，例如温度、压力等，对于振动、噪声等动态信号的获取依然是依赖分立的传感系统实现。针对本发明所关注的水下平台自身振动信号和需传感的外界声信号，由于这两种信号都为频率在几赫兹到几千赫兹的动态信号，通常做法是部署两套单独的光纤相位型传感系统分别获取信息。例如，在水下平台外壳加挂振动传感器来拾取平台自身振动信号，在水下平台尾部加挂拖曳式光纤水听器来获取水下声信息。用于感知不同信号的光纤相位型传感系统难以集成的根本原因在于都采用了光学相干检测方式。这种方式在带来高灵敏度的同时，也会使系统很容易受到外界扰动导致干扰信号产生或本底噪声提高。不同类型的信号混叠作用到一种传感器时往往不能实现多种信号同时拾取的目的，反而会导致原本传感的信号提取受到干扰甚至产生错误。除此之外，由于光纤相位检测系统必须包括复杂的光源光调制模块、信号接收解调模块等，不同类型的传感系统对调制方式、信号采集解调方式的要求不同，这也是水下用于动态信号传感的系统难以集成的根本原因之一。基于以上原因，水下平台动态信号传感载荷的集成一直是本领域的难题，也是限制水下平台载荷能力提升的瓶颈。

本发明针对这一技术背景，提出一种用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法。发明方案采用一套光纤相位型传感系统，可同时拾取并正确提取水下平台的自身振动信号和需传感的外界声信号，具有集成度高、灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，对水下平台特别是水下无人平台的适用针对性良好。

发明内容

本发明提出一种用于水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置及方法。采用一套光纤相位型传感系统，通过合理设计系统不同组成部分在水下运动平台上的安装方式，设计自振动信号与外界传感声信号互不干扰的信号提取方法，实现水下平台自身振动和外界声信号的同时有效拾取，并具备灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，旨在解决适用于小型水下平台的自身结构监测载荷和水下声信号传感载荷的集成化问题，显著提升针对小型化水下平台的适装性，为水下平台的载荷能力提升提供支撑。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，包括光源光发射模块1、链路模块2、传感模块3和调制解调模块4；

所述光源光发射模块1用于产生带有特定调制信息的问询激光，包括窄线宽低噪声激光器101，声光调制器102，匹配干涉仪103，偏振调制器104；所述窄线宽低噪声激光器101通过光纤连接到所述声光调制器102的输入端口；所述声光调制器102的输出端口通过光纤连接到所述匹配干涉仪103的输入端口；所述匹配干涉仪103的输出端口通过光纤连接到所述偏振调制器104的输入端口；其中，窄线宽低噪声激光器101用于产生连续激光，声光调制器102用于将激光调制成脉冲激光，偏振调制器104用于调整脉冲对中每个脉冲的偏振态。所述光源光发射模块1中的所有光纤都采用保偏光纤。

所述匹配干涉仪103包括输入保偏光纤耦合器103A，输出保偏光纤耦合器103B，干涉仪长臂保偏光纤103C和干涉仪短臂保偏光纤103D。其中所述干涉仪长臂保偏光纤103C部分绕到压电陶瓷(PZT)上形成PZT光纤相位调制器103F；所述匹配干涉仪103用于将脉冲激光调制成一对脉冲，且脉冲时间间隔与光在所述传感模块3中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，同时通过光纤相位调制器103F引入PGC调制。

所述链路模块2用于实现舱内设备与舱外设备的光连接，同时加载水下平台自身振动信号，包括光纤环形器201和传输光纤202，所述光纤环形器201含有三个端口，分别为输入端口201A，第一输出端口201B、第二输出端口201C；光源光发射模块1中偏振调制器104的输出端口通过光纤连接到链路模块2中光纤环形器201的输入端口201A；所述光纤环形器201的第二输出端口201B连接到所述传输光纤202；其中，光纤环形器201用于实现光上行和下行连接，传输光纤202贴在水下平台的外壳上，用于实现光传输并同步加载水下平台自身振动信号(传输光纤202紧贴在水下平台的外壳上时，平台自身振动会带动传输光纤202一起振动，从而影响光纤中的光传输，实现传输光和加载平台自身振动信号的双重作用)。

所述传感模块3用于同步获取自身振动信号和外界声信号，包括第一光纤光栅301，屏蔽光纤302，第二光纤光栅303，声传感光纤304，第三光纤光栅305，所述第一光纤光栅301、所述第二光纤光栅303和所述第三光纤光栅305的反射谱完全相同，所述屏蔽光纤302和所述声传感光纤304的材质和长度完全相同，屏蔽光纤302绕在刚性材料上(刚性材料具有降低声传感灵敏度的作用，因此不敏感外界声信号)；声传感光纤304绕在弹性材料上(弹性材料具有增加声传感灵敏度的作用，因此对外界声信号敏感)；所述链路模块2中传输光纤202连接到第一光纤光栅301的输入端；所述第一光纤光栅301的输出端连接到所述传感光纤302的输入端，所述传感光纤302的输出端连接到所述第二光纤光栅303的输入端，所述第二光纤光栅303的输出端连接到所述传感光纤304的输入端，所述传感光纤304的输出端连接到所述第三光纤光栅305；第三光纤光栅305的输出端悬空；其中，第一光纤光栅301、屏蔽光纤302和第二光纤光栅303构成一个光纤干涉仪，用于形成干涉后提取平台自身振动信号；第二光纤光栅303、声传感光纤304和第三光纤光栅305构成一个光纤干涉仪，用于形成干涉后提取外界声信号。

所述调制解调模块4用于实现系统控制和调制解调功能，包括电源模块401，主控模块402，光电转换和采集模块403，解调模块404；电源模块401用于为主控模块402供电，主控模块402用于产生同步控制信号和调制信号，光电转换和采集模块403用于将返回光进行光电转换后采集，解调模块404用于实现低频振动和高频声信号的同时拾取。所述电源模块401通过电缆连接到所述主控模块402，所述主控模块402具有两个输出端：第一输出端402A，第二输出端402B，第一输出端402A通过电缆连接到解调模块404，第二输出端402B通过电缆连接到光电转换和采集模块403；所述光电转换和采集模块403的输入端通过光缆与光纤环形器201的第三输出端口201C连接，输出端403A通过电缆连接到所述解调模块404；所述调制解调模块404具有三个输出端：第一输出端404A，第二输出端404B、第三输出端404C，第一输出端404A通过电缆连接到声光调制器102，第二输出端404B通过电缆连接到匹配干涉仪103，第三输出端404C通过电缆连接到偏振调制器104；

优选地，所述窄线宽低噪声激光器101产生的激光光波长为1550nm波段。

优选地，所述第一光纤光栅301、第二光纤光栅303、第三光纤光栅305反射中心波长为1550nm波段的激光。

本发明还提供一种基于以上装置的安装方法，所述光源光发射模块1和所述调制解调模块4安装在水下平台的舱内；所述链路模块2安装在水下平台的外壳上，该模块既是传感模块3中声信号的传输链路，同时又是平台自身振动信息的传感器，当链路模块2紧贴在水下平台的外壳上时，平台自身振动会带动链路模块2中的传输光纤202一起振动，从而影响光纤中的光传输，实现传输光和加载平台自身振动信号的双重作用；所述传感模块3根据外界传感声信号的需求，可以舷侧悬挂方式安装在水下平台外壳，也可以拖曳方式拖曳在水下平台尾部。

本发明还提供一种基于以上装置的水下平台自振动和外界声信号同时拾取方法，包括以下步骤：

S1：脉冲调制

所述窄线宽低噪声激光器101输出的连续激光在经过所述声光调制器102后被调制成脉冲激光；

S2：相位调制

脉冲激光在经过所述匹配干涉仪103中的输入保偏光纤耦合器103A时分成两个脉冲，分别注入到干涉仪长臂保偏光纤103C和干涉仪短臂保偏光纤103D中。通过干涉仪短臂保偏光纤103D的脉冲由于传输时间短，在输出保偏光纤耦合器103B中先输出；通过干涉仪长臂保偏光纤103C的脉冲由于传输时间长，通过输出保偏光纤耦合器103B后输出，并且经PZT相位调制器103F引入相位调制信号Ccos(ω₀t)，C为调制幅度，ω₀为调制频率。

S3：偏振调制与输出

在匹配干涉仪103中完成相位调制的脉冲对注入到所述偏振调制器104中，脉冲对中两个脉冲的偏振态均被调制成沿所述偏振调制器104输出保偏光纤的快轴，然后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

S4:链路传输与平台自振动信号加载

脉冲对经所述光纤环行器201的端口201A发射至传输光纤202，由于链路模块2中的传输光纤202贴在水下平台的外壳上，平台自身振动会带动传输光纤202一起振动，导致传输光纤202的双折射状态被调制，同时由于脉冲对中的两个脉冲先后通过传输光纤202，两个脉冲中相位延迟差异为多普勒信号。

S5：干涉信号产生

脉冲对通过传输光纤202传输至所述传感模块3中，并受到光纤光栅的反射。由于脉冲对的时间间隔与光在所述传感模块3中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，第一光纤光栅301反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第一个脉冲在时间上完全重合，第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第三光纤光栅305反射回的脉冲对中的第一个脉冲在时间上完全重合，这样通过传感模块3反射回的脉冲序列中共含有四个脉冲，分别是：第一光纤光栅301反射回的脉冲对中的第一个脉冲；第一光纤光栅301反射回的脉冲对中的第二个脉冲和第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第一个脉冲重合后的结果；第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第三光纤光栅305反射回的脉冲对中的第一个脉冲重合后的结果；第三光纤光栅305反射回的脉冲对中的第二个脉冲。这四个脉冲经所述链路模块2的端口201C输出。

S6：离散化采样

所述链路模块2的输出的四个脉冲通过端口201C传输至所述光电转换和采集模块403，在所述光电转换和采集模块403中完成光电转化并被离散化采样，离散化采样的结果为四个脉冲强度，有效信息为第二个脉冲和第三个脉冲，其中第二个脉冲为第一光纤光栅301、屏蔽光纤302和第二光纤光栅303构成的光纤干涉仪原始干涉信号，记为I_XX1(t)；第三个脉冲为第二光纤光栅303、声传感光纤304和第三光纤光栅305构成的光纤干涉仪原始信号，记为I_XX2(t)。I_XX1(t)和I_XX2(t)定义为第一偏振通道信号。

S7:第二偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器104中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的快轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的慢轴，调制完成后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_XY1(t)和I_XY2(t),定义为第二偏振通道信号。

S8:第四偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器104中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的慢轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的慢轴，调制完成后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_YY1(t)和I_YY2(t),定义为第四偏振通道信号。

S9:第三偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器104中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的慢轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的快轴，调制完成后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_YX1(t)和I_YX2(t),定义为第三偏振通道信号。

S10：水下平台自身振动信号和外界声信号分别提取

从I_XX1(t)、I_XY1(t)、I_YX1(t)和I_YY1(t)中提取加载在链路光纤上的多普勒信号，该信号为平台自身振动信号，定义为

从I_XX2(t)、I_XY2(t)、I_YX2(t)和I_YY2(t)中提取相位信号，该信号为平台自身振动信号和外界声信号的混叠结果，定义为

将

减去

获得声信号，定义为

优选的，S10中提取

和

时采用PGC-PS混合处理算法。

优选的，S10中相减为解调结果的时域结果相减。

本发明的技术效果在于：

1.本发明通过同时拾取平台自身振动信号和外界声信号两种水下动态信号，水下平台自身的振动信号直接作用在装置的链路模块上，链路模块安装在水下平台的外壳上，平台自身振动会带动链路模块中的传输光纤一起振动，导致传输光纤的双折射状态被调制，并反映在四个偏振通道的干涉结果中，四路偏振通道正交合成后能够消除双折射所导致的偏振诱导信号衰落，但无法消除因两个脉冲前后通过链路光纤导致的多普勒信号，该多普勒信号最终传输到所述传感模块3中的屏蔽光纤302和传感光纤304中，且屏蔽光纤302中的光相位变化只由系统固有光路导致的多普勒噪声信号决定。由于屏蔽光纤302和传感光纤304共用了同一个传输链路模块2，平台振动所产生的多普勒信号对两段光纤的影响完全相同，因此将两段光纤中的信号相减后可提取出所述传感光纤304中感知的外界声信号。

2.本发明中将对水下平台自振动信号和外界声信号的拾取集成为一套光纤相位型传感装置，通过安装设计和抗干扰信号提取方法，巧妙利用链路光纤加载平台自身振动信号，解决了多个参量传感需要多套传感器的问题，同时由于两种信号的提取都采取了光学相干检测方式，具备灵敏度高、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，对小型化水下平台的适装性良好。

附图说明

图1为本发明适用的系统结构示意图；

图2为本发明中匹配干涉仪的结构示意图；

图3为本发明中环形器的三个端口的结构示意图；

图4为本发明中所述传感模块3返回的光脉冲，即通过链路模块2的第三输出端口201C进入到光电转换模块403后被采样的光脉冲序列，其中第一个和第四个脉冲为无效脉冲，第二和第三个脉冲为本发明中S4所述I₁(t)和I₂(t)；

图5文本发明在水下平台上的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明适用的系统结构示意图如图1所示，一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，其中1为光源光发射模块，101为窄线宽光源，102为声光调制器，103为匹配干涉仪，104为偏振调制器。2为链路模块，201为光纤环形器，202为链路传输光纤。3为声学传感模块，301为光纤光栅，302为屏蔽光纤，303为光纤光栅，304为传感光纤，305为光纤光栅。4为调制解调模块，401为电源模块，402为主控模块，403光电转换和采集模块，404为调制解调模块。

404A为调制解调模块404与声光调制器102之间的连接电线，用于调制解调模块404向声光调制器102提供声光调制信号；404B为调制解调模块404与匹配干涉仪103之间的连接电线，用于向PZT光纤相位调制器103F提供多频载波调制信号；404C为调制解调模块404与偏振调制器104之间的连接电线，用于向偏振调制器提供偏振调制信号；402A主控模块402与调制解调模块403之间的连接线，用于向调制解调模块403提供控制信号和供电；402B为主控模块402与光电转换和采集模块404之间的连接线，用于向光电转换和采集模块404提供控制信号和供电。

图2为本发明中匹配干涉仪的结构，其中103A为输入保偏光纤耦合器，103B为输出保偏光纤耦合器，103C为匹配干涉仪长臂保偏光纤，103D为匹配干涉仪短臂保偏光纤，103F为PZT光纤相位调制器。

图3为本发明中环形器的三个端口的结构图；

图4为本发明中所述传感模块3返回的光脉冲，即通过链路模块2的第三输出端口201C进入到光电转换模块403后被采样的光脉冲序列，其中第一个和第四个脉冲为无效脉冲，第二和第三个脉冲为本发明中S4所述I₁(t)和I₂(t)；

图5文本发明在水下平台上的安装示意图。光源光发射模块1和调制解调模块4安装在水下平台舱内，链路模块2安装在平台外壳上，传感模块3安装在平台外。

本发明所述方法包含以下步骤：

S1脉冲调制

所述窄线宽低噪声激光器101输出的连续激光在经过所述声光调制器102后被调制成脉冲激光；

S2相位调制

脉冲激光在经过所述匹配干涉仪103后产生一对脉冲对，其中脉冲对中的第一个脉冲通过匹配干涉仪103的短臂，通过短臂做什么？；脉冲对中的第二个脉冲通过匹配干涉仪103的长臂，由PZT相位调制器103F引入相位调制信号Ccos(ω₀t)，C为调制幅度，ω₀为调制频率。

所需调制信号由调制解调模块404通过连接线404B提供；

S3偏振调制与输出

在匹配干涉仪103中完成相位调制的脉冲对注入到所述偏振调制器104中，脉冲对中的两个脉冲的偏振态均被调制成沿保偏光纤的快轴，然后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

S4:链路传输与平台自振动信号加载

脉冲对经所述光纤环行器201的端口201A发射至传输光纤202，由于链路模块2中的传输光纤202贴在水下平台的外壳上，，平台自身振动会带动传输光纤202一起振动，导致传输光纤202的双折射状态被调制，同时由于脉冲对中的两个脉冲先后通过传输光纤202，两个脉冲中相位延迟差异为多普勒信号，可表示为:

φ_D(t)＝2πυ·Δτ_s

其中υ为光的频率，Δτ_s为脉冲对前后通过链路光纤的时间差。

S5：干涉信号产生

脉冲对通过传输光纤202传输至所述传感模块3中，并受到光纤光栅的反射。由于脉冲对的时间间隔与光在所述传感模块3中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，第一光纤光栅301反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第一个脉冲在时间上完全重合，第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第三光纤光栅305反射回的脉冲对中的第一个脉冲在时间上完全重合，这样通过传感模块3反射回的脉冲序列中共含有四个脉冲，分别是：第一个脉冲为第一光纤光栅301反射回的脉冲对中的第一个脉冲；第二个脉冲为第一光纤光栅301反射回的脉冲对中的第二个脉冲和第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第一个脉冲重合后的结果；第三个脉冲为第二光纤光栅303反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第三光纤光栅305反射回的脉冲对中的第一个脉冲重合后的结果；第四个脉冲为第三光纤光栅305反射回的脉冲对中的第二个脉冲。这四个脉冲经所述链路模块2的端口201C输出。

第二和第三个脉冲对应的两个干涉结果可以表示成(1)式。

其中B₀为传输光纤202的传输矩阵，→和←分别表示经环形器202向模块3传输和被光栅反射后由模块3向环形器202传输。

表示转置复共轭运算，^T表示转置运算。B₁为传感模块中屏蔽光纤302的传输矩阵，→和←分别表示由光栅301向光栅303传输和由光栅303向光栅301传输。B₂为传感模块中传感光纤303的传输矩阵，→和←分别表示由光栅303向光栅3053传输和由光栅305向光栅303传输。I_DC为干涉光中的直流分量，E_in0和E_in1为注入脉冲对的Jones矩阵。ρ₀、ρ₁和ρ₂分别为第一光栅301、第二光栅303和第三光栅305的振幅反射率、t₀、t₁分别为第一光栅301和第二光栅303的振幅透过率。

当传输光纤202有扰动信号时，由于脉冲对一前一后通过传输光纤202，传输矩阵B₀对于两个脉冲会有差异，干涉的结果为：

其中τ_s为两个脉冲的时间间隔，

为由于时间差τ_s所导致的两个脉冲通过传输光纤202时的相位延迟差异，即S4中的多普勒信号。

定义两个干涉结果的冲击响应分别为

由于光纤的传输矩阵为酉正矩阵，对两个冲击响应分别取行列式，可以获得

由于屏蔽光纤302为屏蔽光纤，不感受外界信号，只有链路上加载的信号

因此

为零，(4)式中所解调出的相位信号为链路光纤所受到的扰动，即水下运动平台舱体所感知的低频振动信号。

将

的解调结果减去

的解调结果，可获得外界声信号。

S6：离散化采样

所述链路模块2的输出的四个脉冲通过端口201C传输至所述光电转换和采集模块403，在所述光电转换和采集模块403中完成光电转化并被离散化采样，离散化采样的结果为四个脉冲强度，有效信息为第二个脉冲和第三个脉冲，其中第二个脉冲为第一光纤光栅301、屏蔽光纤302和第二光纤光栅303构成的光纤干涉仪原始干涉信号，记为I_XX1(t)；第三个脉冲为第二光纤光栅303、声传感光纤304和第三光纤光栅305构成的光纤干涉仪原始信号，记为I_XX2(t)。I_XX1(t)和I_XX2(t)定义为第一偏振通道信号。

由于注入的脉冲对中第一个脉冲和第二个脉冲的偏振态都沿保偏光纤的快轴，脉冲光的Jones矩阵表达式可以写成

此时的干涉结果公式(1)可以表示成

公式(5)中，n＝1,2，

U_11n为矩阵U_n的第一个矩阵元，由于U₁和U₂都是若干个酉正矩阵相乘的结果，因此仍为酉正矩阵。公式(5)即为第一偏振通道的两个干涉信号，其中

S7:第二偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器104中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿偏振调制器104输出保偏光纤的快轴，第二个脉冲的偏振态沿慢轴，调制完成后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_XY1(t)和I_XY2(t),定义为第二偏振通道信号，可以表示成：

公式(6)即为第二偏振通道的两个干涉信号。U_12n为矩阵U_n的第二个矩阵元。

S8:第四偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器104中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿偏振调制器104输出保偏光纤的慢轴，第二个脉冲的偏振态沿慢轴，调制完成后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_YY1(t)和I_YY2(t),定义为第四偏振通道信号，可表示成：

公式(7)即为第四偏振通道的两个干涉信号。U_22n为矩阵U_n的第四个矩阵元。

S9:第三偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器104中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的慢轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的快轴，调制完成后输出至所述光纤环行器201的端口201A。

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_YX1(t)和I_YX2(t),定义为第三偏振通道信号，可表示成：

公式(8)即为第三偏振通道的两个干涉信号。U_21n为矩阵U_n的第三个矩阵元。

S10：水下平台自身振动信号和外界声信号分别提取

从I_XX1(t)、I_XY1(t)、I_YX1(t)和I_YY1(t)中提取加载在链路光纤上的多普勒信号，该信号为平台自身振动信号，定义为

从I_XX2(t)、I_XY2(t)、I_YX2(t)和I_YY2(t)中提取相位信号，该信号为平台自身振动信号和外界声信号的混叠结果，定义为

将

减去

获得声信号，定义为

具体如下：

S10.1：从I_XX1(t)、I_XY1(t)、I_YX1(t)和I_YY1(t)中提取加载在链路光纤上的多普勒信号，该信号为平台自身振动信号，定义为

实际系统中，通过数据采集模块404采样的结果为干涉结果的实数表达形式，即公式(2)所示结果，得不到公式(3)所示的复数表达结果，此外，也得不到各传输矩阵。为正确还原出(3)式，采用PGC-PS混合解调算法，即通过S2在干涉结果中加入了PGC调制信号，通过S3对I₁(t)和I₂(t)都获取了四种偏振状态下的干涉结果，即公式(5)、(6)、(7)和(8)。

取n＝1，对公式(5)、(6)、(7)和(8)中每个结果的交流部分进行复数化还原。具体操作方法为：首先对公式(5)、(6)、(7)和(8)中每个通道进行PGC预处理，即分别与cos(ω₀t)和cos(2ω₀t)相乘，再进行低通滤波，滤除所有频率高于ω₀/2的频谱成份，可得到：

公式(9)中已将

代入，并取n＝1。公式(9)按照下述公式(10)取响应矩阵，可得

此时

可通过公式(11)来获得

上述过程中从公式(9)到公式(11)为采用PGC处理手段获得复数表达结果并进行偏振合成的过程，称为PGC-PS混合解调方法。

S10.2：从I_XX2(t)、I_XY2(t)、I_YX2(t)和I_YY2(t)中提取相位信号，该信号为平台自身振动信号和外界声信号的混叠结果，定义为

同样的，实际系统中，通过数据采集模块404采样的结果为干涉结果的实数表达形式，即公式(2)所示结果，得不到公式(3)所示的复数表达结果，此外，也得不到各传输矩阵。

的获取过程同样采取PGC-PS混合解调算法。

对公式(5)、(6)、(7)和(8)，取n＝2，并将

代入。每个结果的交流部分进行复数化还原。具体操作方法为：首先对公式(5)、(6)、(7)和(8)中每个通道进行PGC预处理，即分别与cos(ω₀t)和cos(2ω₀t)相乘，再进行低通滤波，滤除所有频率高于ω₀/2的频谱成份，可得到：

公式(12)按照下述公式(13)取响应矩阵，可得

此时

可通过公式(14)来获得

S10.3：将(14)式中提取处的相位值

减去(11)式中提取的相位值

获得声信号

可以看出，通过这种方法保证了水下平台自振动信号和外界声信号能被准确提取，并能够消除水下环境干扰的影响。

Claims (8)

1.一种水下平台自振动和外界声信号同时拾取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：脉冲调制

窄线宽低噪声激光器(101)输出的连续激光在经过声光调制器(102)后被调制成脉冲激光；

S2：相位调制

脉冲激光在经过匹配干涉仪(103)中的输入保偏光纤耦合器(103A)时分成两个脉冲，分别注入到干涉仪长臂保偏光纤(103C)和干涉仪短臂保偏光纤(103D)中；通过干涉仪短臂保偏光纤(103D)的脉冲由于传输时间短，在输出保偏光纤耦合器(103B)中先输出；通过干涉仪长臂保偏光纤(103C)的脉冲由于传输时间长，通过输出保偏光纤耦合器(103B)后输出，并且经PZT相位调制器(103F)引入相位调制信号Ccos(ω₀t)，C为调制幅度，ω₀为调制频率；

S3：偏振调制与输出

在匹配干涉仪(103)中完成相位调制的脉冲对注入到偏振调制器(104)中，脉冲对中两个脉冲的偏振态均被调制成沿所述偏振调制器(104)输出保偏光纤的快轴，然后输出至光纤环行器(201)的端口(201A)；

S4:链路传输与平台自振动信号加载

脉冲对经所述光纤环行器(201)的端口(201A)发射至传输光纤(202)，由于链路模块(2)中的传输光纤(202)贴在水下平台的外壳上，平台自身振动会带动传输光纤(202)一起振动，导致传输光纤(202)的双折射状态被调制，同时由于脉冲对中的两个脉冲先后通过传输光纤(202)，两个脉冲中相位延迟差异为多普勒信号；

S5：干涉信号产生

脉冲对通过传输光纤(202)传输至传感模块(3)中，并受到光纤光栅的反射；由于脉冲对的时间间隔与光在所述传感模块(3)中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，第一光纤光栅(301)反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第二光纤光栅(303)反射回的脉冲对中的第一个脉冲在时间上完全重合，第二光纤光栅(303)反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第三光纤光栅(305)反射回的脉冲对中的第一个脉冲在时间上完全重合，这样通过传感模块(3)反射回的脉冲序列中共含有四个脉冲，分别是：第一光纤光栅(301)反射回的脉冲对中的第一个脉冲；第一光纤光栅(301)反射回的脉冲对中的第二个脉冲和第二光纤光栅(303)反射回的脉冲对中的第一个脉冲重合后的结果；第二光纤光栅(303)反射回的脉冲对中的第二个脉冲与第三光纤光栅(305)反射回的脉冲对中的第一个脉冲重合后的结果；第三光纤光栅(305)反射回的脉冲对中的第二个脉冲；这四个脉冲经所述链路模块(2)的端口(201C)输出；

S6：离散化采样

所述链路模块(2)的输出的四个脉冲通过端口(201C)传输至光电转换和采集模块(403)，在所述光电转换和采集模块(403)中完成光电转化并被离散化采样，离散化采样的结果为四个脉冲强度，有效信息为第二个脉冲和第三个脉冲，其中第二个脉冲为第一光纤光栅(301)、屏蔽光纤(302)和第二光纤光栅(303)构成的光纤干涉仪原始干涉信号，记为I_XX1(t)；第三个脉冲为第二光纤光栅(303)、声传感光纤(304)和第三光纤光栅(305)构成的光纤干涉仪原始信号，记为I_XX2(t)；I_XX1(t)和I_XX2(t)定义为第一偏振通道信号；

S7:第二偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器(104)中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的快轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的慢轴，调制完成后输出至所述光纤环行器(201)的端口(201A)；

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_XY1(t)和I_XY2(t)，定义为第二偏振通道信号；

S8:第四偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器(104)中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的慢轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的慢轴，调制完成后输出至所述光纤环行器(201)的端口(201A)；

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_YY1(t)和I_YY2(t)，定义为第四偏振通道信号；

S9:第三偏振通道信号获取

重复步骤S1至S3，将产生的新脉冲注入到所述偏振调制器(104)中，输出脉冲对中的两个脉冲偏振态分别被调制，其中第一个脉冲偏振态沿保偏光纤的慢轴，第二个脉冲的偏振态沿保偏光纤的快轴，调制完成后输出至所述光纤环行器(201)的端口(201A)；

重复步骤S4至S6，重新获取的干涉结果记为I_YX1(t)和I_YX2(t)，定义为第三偏振通道信号；

S10：水下平台自身振动信号和外界声信号分别提取

从I_XX1(t)、I_XY1(t)、I_YX1(t)和I_YY1(t)中提取加载在链路光纤上的多普勒信号，该信号为平台自身振动信号，定义为

从I_XX2(t)、I_XY2(t)、I_YX2(t)和I_YY2(t)中提取相位信号，该信号为平台自身振动信号和外界声信号的混叠结果，定义为

将

减去

获得声信号，定义为

2.一种根据权利要求1的水下平台自振动和外界声信号同时拾取方法，其特征在于：S10中提取

和

时采用PGC-PS混合处理算法。

3.一种根据权利要求1的水下平台自振动和外界声信号同时拾取方法，其特征在于：S10中相减为解调结果的时域结果相减。

4.一种基于权利要求1所述方法的水下平台自振动和外界声信号同时拾取装置，其特征在于：包括光源光发射模块(1)、链路模块(2)、传感模块(3)和调制解调模块(4)；

所述光源光发射模块(1)用于产生带有特定调制信息的问询激光，包括窄线宽低噪声激光器(101)，声光调制器(102)，匹配干涉仪(103)，偏振调制器(104)；所述窄线宽低噪声激光器(101)通过光纤连接到所述声光调制器(102)的输入端口；所述声光调制器(102)的输出端口通过光纤连接到所述匹配干涉仪(103)的输入端口；所述匹配干涉仪(103)的输出端口通过光纤连接到所述偏振调制器(104)的输入端口；其中，窄线宽低噪声激光器(101)用于产生连续激光，声光调制器(102)用于将激光调制成脉冲激光，偏振调制器(104)用于调整脉冲对中每个脉冲的偏振态；

所述匹配干涉仪(103)包括输入保偏光纤耦合器(103A)，输出保偏光纤耦合器(103B)，干涉仪长臂保偏光纤(103C)和干涉仪短臂保偏光纤(103D)；其中所述干涉仪长臂保偏光纤(103C)部分绕到压电陶瓷上形成PZT光纤相位调制器(103F)；所述匹配干涉仪(103)用于将脉冲激光调制成一对脉冲，且脉冲时间间隔与光在所述传感模块(3)中相邻两光栅之间往返一次时间完全相同，同时通过光纤相位调制器(103F)引入PGC调制；

所述链路模块(2)用于实现舱内设备与舱外设备的光连接，同时加载水下平台自身振动信号，包括光纤环形器(201)和传输光纤(202)，所述光纤环形器(201)含有三个端口，分别为输入端口(201A)，第一输出端口(201B)、第二输出端口(201C)；光源光发射模块(1)中偏振调制器(104)的输出端口通过光纤连接到链路模块(2)中光纤环形器(201)的输入端口(201A)；所述光纤环形器(201)的第二输出端口(201B)连接到所述传输光纤(202)；其中，光纤环形器(201)用于实现光上行和下行连接，传输光纤(202)贴在水下平台的外壳上，用于实现光传输并同步加载水下平台自身振动信号；

所述传感模块(3)用于同步获取自身振动信号和外界声信号，包括第一光纤光栅(301)，屏蔽光纤(302)，第二光纤光栅(303)，声传感光纤(304)，第三光纤光栅(305)，所述第一光纤光栅(301)、所述第二光纤光栅(303)和所述第三光纤光栅(305)的反射谱完全相同，所述屏蔽光纤(302)和所述声传感光纤(304)的材质和长度完全相同，屏蔽光纤(302)绕在刚性材料上；声传感光纤304绕在弹性材料上；所述链路模块(2)中传输光纤(202)连接到第一光纤光栅(301)的输入端；所述第一光纤光栅(301)的输出端连接到所述传感光纤(302)的输入端，所述传感光纤(302)的输出端连接到所述第二光纤光栅(303)的输入端，所述第二光纤光栅(303)的输出端连接到所述传感光纤(304)的输入端，所述传感光纤(304)的输出端连接到所述第三光纤光栅(305)；第三光纤光栅(305)的输出端悬空；其中，第一光纤光栅(301)、屏蔽光纤(302)和第二光纤光栅(303)构成一个光纤干涉仪，用于形成干涉后提取平台自身振动信号；第二光纤光栅(303)、声传感光纤(304)和第三光纤光栅(305)构成一个光纤干涉仪，用于形成干涉后提取外界声信号；

所述调制解调模块(4)用于实现系统控制和调制解调功能，包括电源模块(401)，主控模块(402)，光电转换和采集模块(403)，解调模块(404)；电源模块(401)用于为主控模块(402)供电，主控模块(402)用于产生同步控制信号和调制信号，光电转换和采集模块(403)用于将返回光进行光电转换后采集，解调模块(404)用于实现低频振动和高频声信号的同时拾取；所述电源模块(401)通过电缆连接到所述主控模块(402)，所述主控模块(402)具有两个输出端：第一输出端(402A)，第二输出端(402B)，第一输出端(402A)通过电缆连接到解调模块(404)，第二输出端(402B)通过电缆连接到光电转换和采集模块(403)；所述光电转换和采集模块(403)的输入端通过光缆与光纤环形器(201)的第三输出端口(201C)连接，输出端(403A)通过电缆连接到所述解调模块(404)；所述调制解调模块(404)具有三个输出端：第一输出端(404A)，第二输出端(404B)、第三输出端(404C)，第一输出端(404A)通过电缆连接到声光调制器(102)，第二输出端(404B)通过电缆连接到匹配干涉仪(103)，第三输出端(404C)通过电缆连接到偏振调制器(104)。

5.一种根据权利要求4所述水下平台自振动和外界声信号同时拾取装置，其特征在于：所述窄线宽低噪声激光器(101)产生的激光光波长为1550nm波段。

6.一种根据权利要求4所述水下平台自振动和外界声信号同时拾取装置，其特征在于：所述第一光纤光栅(301)、第二光纤光栅(303)、第三光纤光栅(305)反射中心波长为1550nm波段的激光。

7.一种根据权利要求4所述水下平台自振动和外界声信号同时拾取的装置，其特征在于：所述光源光发射模块(1)中的所有光纤都采用保偏光纤。

8.一种权利要求4至7任一项所述装置的安装方法，其特征在于：所述光源光发射模块(1)和所述调制解调模块(4)安装在水下平台的舱内；所述链路模块(2)安装在水下平台的外壳上，该模块既是传感模块(3)中声信号的传输链路，同时又是平台自身振动信息的传感器，当链路模块(2)紧贴在水下平台的外壳上时，平台自身振动会带动链路模块(2)中的传输光纤(202)一起振动，从而影响光纤中的光传输，实现传输光和加载平台自身振动信号的双重作用；所述传感模块(3)根据外界传感声信号的需求，可以舷侧悬挂方式安装在水下平台外壳，也可以拖曳方式拖曳在水下平台尾部。

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