CN114414032A - 一种光纤水听器移频正交解调系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤水听器技术领域，提供一种光纤水听器移频正交解调系统及方法，包括激光脉冲产生装置、移频与延时装置、光纤水听器阵列、解调装置；采用移频与延时装置产生一个具有固定光频差的激光脉冲对，光纤水听器单元基于2×3耦合器构建，具有两条干涉臂和一条参考臂，配合光纤水听器单元的两条干涉臂之间的特定程差，利用光频差和程差形成正交信号，正交信号的相位差误差通过定标计算得到修正；本发明硬件资源消耗小，只需单路光电转换和信号采集资源，主要依靠简单的数学乘加运算便可实现相位解调；通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系，可以消除光功率波动带来的解调误差，有效提升光纤水听器实际使用性能。

Description

一种光纤水听器移频正交解调系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤水听器技术领域，具体涉及一种光纤水听器移频正交解调系统及方法。

背景技术

光纤水听器是以光纤为信号传感和传输媒介的新一代水声传感器，具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、体积小、重量轻、便于复用组阵等优点，被广泛应用于水下目标探测、海洋声场环境监测、油气资源勘探等领域。

对于光纤水听器，待测目标信号包含在其输出相位信息中，需要进行相位解调才能提取出来。目前常见的相位解调方法主要有：3*3耦合器解调法、相位生成载波(PGC)解调法、外差解调法，每种方法都有其自身的优点和缺点。其中：3*3耦合器解调法的优点是方案简单，无需载波调制，动态范围极大；缺点是需要消耗3倍于PGC解调法或外差解调法的光电转换和信号采集资源，且性能受3*3耦合器角度误差影响，对光功率波动敏感。PGC解调法的优点是无需补偿干涉仪，受环境干扰和传输线路干扰影响小，硬件资源消耗小；缺点是载波频率难以提高，动态范围小。外差解调法的优点是硬件资源消耗小、动态范围大；缺点是方案较为复杂，发射端干涉仪易受环境干扰，且双脉冲在传输线路中不可避免地受到噪声累积的影响。因此，上述几种解调方法均存在不同方面的缺陷，对光纤水听器的实际使用性能造成了一定程度的不良影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤水听器移频正交解调系统及方法，利用光频差和程差形成正交信号，正交信号的相位差误差通过定标计算得到修正，通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系，消除光功率波动带来的解调误差，有效提升光纤水听器实际使用性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，包括：激光脉冲产生装置、移频与延时装置、光纤水听器阵列、解调装置；所述激光脉冲产生装置接收所述解调装置提供的触发脉冲信号，用于输出固定周期、固定脉宽的激光脉冲；所述移频与延时装置通过光纤与所述激光脉冲产生装置相连接，将所述激光脉冲产生装置输出的所述激光脉冲分成两束并分别进行移频、延时处理，再重新合束为一束，形成一个具有固定光频差、固定时延的激光脉冲对；所述光纤水听器阵列通过光纤与所述移频与延时装置相连接，所述光纤水听器阵列中的每个光纤水听器单元都将所述激光脉冲对转换成一个干涉脉冲对，以及一个处于不干涉状态的参考脉冲对；所述解调装置通过光纤与所述光纤水听器阵列相连接，产生触发脉冲信号输出至所述激光脉冲产生装置，对所述光纤水听器阵列的输出光脉冲序列进行光电转换、数字采集和相位解调处理，并通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系消除光功率波动带来的解调误差。

进一步的，所述激光脉冲产生装置包括激光器、光纤声光调制器；所述光纤声光调制器接收所述解调装置提供的触发脉冲信号，将所述激光器发出的连续激光调制成激光脉冲，所述激光脉冲的周期为T、脉宽为t_p。

进一步的，所述移频与延时装置包括第一1×2耦合器、第二1×2耦合器、光纤声光移频器、光纤延时线圈；所述第一1×2耦合器的第一端口即为所述移频与延时装置的输入端口，所述第一1×2耦合器的第二端口经过所述光纤声光移频器连接至所述第二1×2耦合器的第二端口，所述第一1×2耦合器的第三端口经过光纤延时线圈连接至所述第二1×2耦合器的第三端口，所述第二1×2耦合器的第一端口即为所述移频与延时装置的输出端口；所述激光脉冲经过所述第一1×2耦合器被分为两束，一束被光纤声光移频器移频Δv，另一束被光纤延时线圈延时τ，且满足τ＞t_p；然后经过所述第二1×2耦合器重新合束为一束，形成一个光频差为Δv、时延为τ的激光脉冲对P₁、P₂；由于τ＞t_p，因此激光脉冲对中的两个脉冲P₁、P₂在时间上不会发生重叠。

进一步的，所述光纤水听器阵列由至少两个光纤水听器单元采用空分复用、波分复用、时分复用等复用方式中的一种或多种进行复用构成。

进一步的，所述光纤水听器单元包括2×3耦合器、第一光纤敏感线圈、第二光纤敏感线圈、第一法拉第旋镜、第二法拉第旋镜、第三法拉第旋镜；所述2×3耦合器的第一端口经过第一光纤敏感线圈连接至第一法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的干涉臂；所述2×3耦合器的第二端口经过第二光纤敏感线圈连接至第二法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的另一干涉臂；所述2×3耦合器的第三端口连接至第三法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的参考臂；所述2×3耦合器的第四端口与所述2×3耦合器的第五端口中的任意一者作为所述光纤水听器单元的输入端口，另一者则作为所述光纤水听器单元的输出端口；所述第一光纤敏感线圈长度为l₁，所述第二光纤敏感线圈长度为l₂，且满足l₁略大于l₂，l₂＝c·τ/n，c·τ/n＜l₁＜c·(3＜-t_p)/2n，其中c是真空中的光速，n是光纤纤芯的折射率；激光脉冲对进入光纤水听器单元后，输出一个干涉脉冲对P_1i、P_2i，以及一个处于不干涉状态的参考脉冲对P_1r、P_2r；其中P_1i、P_2i之间具有固定的相位差

且

k为任意整数；由于l₂＝c·τ/n及τ＞t_p，可保证参考脉冲P_2r与干涉脉冲P_1i在时间上不会发生重叠；由于c·τ/n＜l₁＜c·(3τ-t_p)/2n及τ＞t_p，可保证干涉脉冲对P_1i、P_2i在时间上不会发生重叠。

优选的，为便于相位解调简化解调过程，取长度差Δl＝l₁-l₂＝c/(8n·Δv)，使干涉脉冲对P_1i、P_2i二者之间的相位差

即干涉脉冲对P_1i、P_2i二者相互正交。

进一步的，所述解调装置包括光电探测器、模数转换器(ADC)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)；所述光电探测器接收所述光纤水听器阵列输出的光信号，将其转换为电信号后传输给ADC；所述ADC负责对所述电信号进行模数转换并传输给FPGA；所述FPGA负责完成光纤水听器阵列传感信号解调，并负责产生触发脉冲信号输出至所述激光脉冲产生装置。

为实现本发明的目的，本发明还提供一种光纤水听器移频正交解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采用激光脉冲产生装置输出激光脉冲；

采用激光脉冲产生装置，包括激光器、光纤声光调制器，所述光纤声光调制器接收解调装置提供的触发脉冲信号，输出固定周期、固定脉宽的激光脉冲，将所述激光器发出的连续激光调制成激光脉冲，所述激光脉冲的周期为T、脉宽为t_p；

步骤二：采用移频与延时装置输出具有固定光频差、固定时延的激光脉冲对；

采用移频与延时装置，包括光纤声光移频器、光纤延时线圈，所述步骤一中输出的激光脉冲经过所述移频与延时装置被分为两束，并分别进行移频、延时处理，一束被光纤声光移频器移频Δv，另一束被光纤延时线圈延时τ，且满足τ＞t_p，再重新合束为一束，形成一个具有固定光频差Δv、固定时延τ的激光脉冲对P₁、P₂；由于τ＞t_p，因此所述移频与延时装置输出的激光脉冲对中的两个脉冲P₁、P₂在时间上不会发生重叠；

步骤三：采用光纤水听器单元输出处于不干涉状态的参考脉冲对以及干涉脉冲对；

所述步骤二中输出的激光脉冲对P₁、P₂进入光纤水听器单元，在光纤水听器单元的一条参考臂和两条干涉臂的作用下，输出处于不干涉状态的参考脉冲对P_1r、P_2r，以及干涉脉冲对P_1i、P_2i；其中P_1i、P_2i之间具有固定的相位差

且

k为任意整数；

步骤四：将干涉脉冲与参考脉冲相除，消除光功率波动带来的影响；

用所述步骤三输出的干涉脉冲P_1i除以参考脉冲P_1r，得到I₁＝P_1i+P_1r；同理得到I₂＝P_2i+P_2r；由于P_1i与P_1r均由P₁经过所述光纤水听器单元而产生，二者受光功率波动的影响一致，因此相除后可以消除光功率波动的影响，即I₁不受光功率波动的影响；同理I₂也不受光功率波动的影响；I₁、I₂可表达为：

其中，D₁、D₂为直流项；E₁、E₂为交流项振幅；

为待求相位信号，其中包含光纤水听器拾取的目标信号、低频干扰信号以及相位噪声；α为相位差参数，即I₁与I₂相位差的一半；

步骤五：定标，计算得到解调系数；由于D₁、D₂、E₁、E₂为未知量，α的准确值也未知，通过计算上述参数，获得解调系数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆；

通过对激光器进行调频或者对光纤水听器单元施加声压信号激励，采集一定时长的参考脉冲P_1r、P_2r与干涉脉冲P_1i、P_2i数据，计算得到相应时长的I₁、I₂数据，统计I₁、I₂的最大值与最小值，利用三角函数特性，计算得到直流项、交流项振幅、相位差参数：

进一步计算得到：

上述通过施加激励并采集原始数据求取解调系数的过程，称为定标；

步骤六：通过所述步骤五中获取的解调系数，进一步得到相位的余弦项、正弦项，进行反正切运算、相位累积运算，通过高通滤波、低通滤波、降采样输出，得到解调结果；

将所述步骤五中获取的解调系数代入下面公式：

得到

然后对

进行反正切运算，接着进行相位累积运算得到相位信号

再通过高通滤波滤除其中的低频干扰信号，最后进行低通滤波和降采样输出，得到解调结果，完成相位解调。

优选的，所述步骤三中：为便于相位解调简化解调过程，取长度差Δl＝l₁-l₂＝c/(8n·Δv)，使干涉脉冲对P_1i、P_2i二者之间的相位差

即干涉脉冲对P_1i、P_2i二者相互正交。

本发明提供的一种光纤水听器移频正交解调系统及方法，采用移频与延时装置产生一个具有固定光频差的激光脉冲对，光纤水听器单元基于2×3耦合器构建，具有两条干涉臂和一条参考臂，配合光纤水听器单元的两条干涉臂之间的特定程差，利用光频差和程差形成正交信号，正交信号的相位差误差通过定标计算得到修正；本发明硬件资源消耗小，只需单路光电转换和信号采集资源，主要依靠简单的数学乘加运算便可实现相位解调；通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系，可以消除光功率波动带来的解调误差，有效提升光纤水听器实际使用性能；与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过简单的系统结构设计和参数设计，主要依靠简单的数学乘加运算便可实现相位解调；解调无需使用3*3耦合器角度参数，性能不受3*3耦合器角度误差影响；无需载波调制，不受载波频率限制，动态范围极大；方案简单，不需要补偿干涉仪，受环境干扰小；每个传感干涉脉冲都是由同一个脉冲在光纤水听器单元中分束后再相遇干涉而形成，在干涉前后都是以单脉冲形式传输，受传输线路噪声积累的影响很小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的光纤水听器移频正交解调系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的激光脉冲产生装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的激光脉冲产生装置输出激光脉冲的时序示意图；

图4是本发明实施例提供的移频与延时装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的移频与延时装置输出激光脉冲对的时序示意图；

图6是本发明实施例提供的光纤水听器单元的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的光纤水听器阵列输出激光脉序列的时序示意图；

图8是本发明实施例提供的解调装置的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的光纤水听器移频正交解调方法的步骤流程图；

图10是本发明实施例提供的光纤水听器移频正交解调方法的计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的光纤水听器移频正交解调系统，包括：激光脉冲产生装置、移频与延时装置、光纤水听器阵列、解调装置；所述激光脉冲产生装置接收所述解调装置提供的触发脉冲信号，用于输出固定周期、固定脉宽的激光脉冲；所述移频与延时装置通过光纤与所述激光脉冲产生装置相连接，将所述激光脉冲产生装置输出的所述激光脉冲分成两束并分别进行移频、延时处理，再重新合束为一束，形成一个具有固定光频差、固定时延的激光脉冲对；所述光纤水听器阵列通过光纤与所述移频与延时装置相连接，所述光纤水听器阵列由至少两个光纤水听器单元采用空分复用、波分复用、时分复用等复用方式中的一种或多种进行复用构成，所述光纤水听器阵列中的每个光纤水听器单元都将所述激光脉冲对转换成一个干涉脉冲对，以及一个处于不干涉状态的参考脉冲对；所述解调装置通过光纤与所述光纤水听器阵列相连接，产生触发脉冲信号输出至所述激光脉冲产生装置，对所述光纤水听器阵列的输出光脉冲序列进行光电转换、数字采集和相位解调处理，并通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系消除光功率波动带来的解调误差；

如图2所示，所述激光脉冲产生装置包括激光器、光纤声光调制器；所述光纤声光调制器接收所述解调装置提供的触发脉冲信号，将所述激光器发出的连续激光调制成激光脉冲，所述激光脉冲的周期为T、脉宽为t_p，其激光脉冲的时序示意图如图3所示；

如图4所示，本实施例中所述移频与延时装置包括第一1×2耦合器、第二1×2耦合器、光纤声光移频器、光纤延时线圈；所述第一1×2耦合器的第一端口即为所述移频与延时装置的输入端口，所述第一1×2耦合器的第二端口经过所述光纤声光移频器连接至所述第二1×2耦合器的第二端口，所述第一1×2耦合器的第三端口经过光纤延时线圈连接至所述第二1×2耦合器的第三端口，所述第二1×2耦合器的第一端口即为所述移频与延时装置的输出端口；所述激光脉冲经过所述第一1×2耦合器被分为两束，一束被光纤声光移频器移频Δv，另一束被光纤延时线圈延时τ，且满足τ＞t_p；然后经过所述第二1×2耦合器重新合束为一束，形成一个光频差为Δv、时延为τ的激光脉冲对P₁、P₂，其时序示意图如图5所示；由于τ＞t_p，因此激光脉冲对中的两个脉冲P₁、P₂在时间上不会发生重叠；所述第一1×2耦合器、第二1×2耦合器、光纤声光移频器均可采用普通单模光纤器件，光纤延时线圈可采用普通单模光纤；所述移频与延时装置可选为非保偏装置或保偏装置均可；优选的，所述移频与延时装置可选为非保偏装置；

所述光纤水听器阵列由至少两个光纤水听器单元采用空分复用、波分复用、时分复用等复用方式中的一种或多种进行复用构成；如图6所示，本实施例中光纤水听器单元包括2×3耦合器、第一光纤敏感线圈、第二光纤敏感线圈、第一法拉第旋镜、第二法拉第旋镜、第三法拉第旋镜；所述2×3耦合器的第一端口经过第一光纤敏感线圈连接至第一法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的干涉臂；所述2×3耦合器的第二端口经过第二光纤敏感线圈连接至第二法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的另一干涉臂；所述2×3耦合器的第三端口连接至第三法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的参考臂；所述2×3耦合器的第四端口与所述2×3耦合器的第五端口中的任意一者作为所述光纤水听器单元的输入端口，另一者则作为所述光纤水听器单元的输出端口；所述第一光纤敏感线圈长度为l₁，所述第二光纤敏感线圈长度为l₂，且满足l₁略大于l₂，l₂＝c·τ/n，c·τ/n＜l₁＜c·(3τ-t_p)/2n，其中c是真空中的光速，n是光纤纤芯的折射率；所述激光脉冲对进入光纤水听器单元后，输出一个干涉脉冲对P_1i、P_2i，以及一个处于不干涉状态的参考脉冲对P_1r、P_2r，其时序示意图如图7所示；其中P_1i、P_2i之间具有固定的相位差

且

k为任意整数；由于l₂＝c·τ/n及τ＞t_p，可保证参考脉冲P_2r与干涉脉冲P_1i在时间上不会发生重叠；由于c·τ/n＜l₁＜c·(3τ-t_p)/2n及τ＞t_p，可保证干涉脉冲对P_1i、P_2i在时间上不会发生重叠；为便于相位解调简化解调过程，优选的，取长度差Δl＝l₁-l₂＝c/(8n·Δv)，可使干涉脉冲对P_1i、P_2i二者之间的相位差

即干涉脉冲对P_1i、P_2i二者相互正交；更优选的，且Δl＜＜l₂；

优选的，第一光纤敏感线圈、第二光纤敏感线圈在结构上采用推挽方式，对于同一声压信号激励，二者的光纤长度应变方向相反，可以提高光纤水听器单元的声压灵敏度；

如图8所示，所述解调装置包括光电探测器、模数转换器(ADC)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)；其中，所述光电探测器接收所述光纤水听器阵列输出的光信号，将其转换为电信号后传输给ADC；所述ADC负责对所述电信号进行模数转换并传输给FPGA；所述FPGA负责完成光纤水听器阵列传感信号解调，并负责产生触发脉冲信号输出至所述激光脉冲产生装置。

本发明提供的一种光纤水听器移频正交解调系统，采用移频与延时装置产生一个具有固定光频差的激光脉冲对，光纤水听器单元基于2×3耦合器构建，具有两条干涉臂和一条参考臂，配合光纤水听器单元的两条干涉臂之间的特定程差，利用光频差和程差形成正交信号，正交信号的相位差误差可以通过定标计算得到修正；本发明硬件资源消耗小，只需单路光电转换和信号采集资源，主要依靠简单的数学乘加运算便可实现相位解调；通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系，可以消除光功率波动带来的解调误差，有效提升光纤水听器实际使用性能。

为实现本发明的目的，本发明还提供一种光纤水听器移频正交解调方法，如图9、图10所示，包括如下步骤：

步骤一：采用激光脉冲产生装置输出激光脉冲；

采用激光脉冲产生装置，包括激光器、光纤声光调制器，所述光纤声光调制器接收解调装置提供的触发脉冲信号，输出固定周期、固定脉宽的激光脉冲，将所述激光器发出的连续激光调制成激光脉冲，所述激光脉冲的周期为T、脉宽为t_p；

步骤二：采用移频与延时装置输出具有固定光频差、固定时延的激光脉冲对；

采用移频与延时装置，包括光纤声光移频器、光纤延时线圈，所述步骤一中输出的激光脉冲经过所述移频与延时装置被分为两束，并分别进行移频、延时处理，一束被光纤声光移频器移频Δv，另一束被光纤延时线圈延时τ，且满足τ＞t_p，再重新合束为一束，形成一个具有固定光频差Δv、固定时延τ的激光脉冲对P₁、P₂；由于τ＞t_p，因此所述移频与延时装置输出的激光脉冲对中的两个脉冲P₁、P₂在时间上不会发生重叠；

步骤三：采用光纤水听器单元输出处于不干涉状态的参考脉冲对以及干涉脉冲对；

所述步骤二中输出的激光脉冲对P₁、P₂进入光纤水听器单元，在光纤水听器单元的一条参考臂和两条干涉臂的作用下，输出处于不干涉状态的参考脉冲对P_1r、P_2r，以及干涉脉冲对P_1i、P_2i；其中P_1i、P_2i之间具有固定的相位差

且

k为任意整数；为便于相位解调简化解调过程，优选的，取

即干涉脉冲对P_1i、P_2i二者相互正交；

步骤四：将干涉脉冲与参考脉冲相除，消除光功率波动带来的影响；

用所述步骤三输出的干涉脉冲P_1i除以参考脉冲P_1r，得到I₁＝P_1i/P_1r；同理得到I₂＝P_2i/_P2r；由于P_1i与P_1r均由P₁经过所述光纤水听器单元而产生，二者受光功率波动的影响一致，因此相除后可以消除光功率波动的影响，即I₁不受光功率波动的影响；同理I2也不受光功率波动的影响；I₁、I₂可表达为：

其中，D₁、D₂为直流项；E₁、E₂为交流项振幅；

为待求相位信号，其中包含光纤水听器拾取的目标信号、低频干扰信号以及相位噪声；α为相位差参数，即I₁与I₂相位差的一半，优选的，α取π/4；但实际情况中，由于光纤水听器的制作工艺水平限制以及光纤声光移频器的参数误差，α与π/4之间可能存在一定误差；

步骤五：定标，计算得到解调系数；由于D₁、D₂、E₁、E₂为未知量，α的准确值也未知，通过计算上述参数，获得解调系数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆；

通过对激光器进行调频或者对光纤水听器单元施加声压信号激励，采集一定时长的参考脉冲P_1r、P_2r与干涉脉冲P_1i、P_2i数据，计算得到相应时长的I₁、I₂数据，统计I₁、i₂的最大值与最小值，利用三角函数特性，计算得到直流项、交流项振幅、相位差参数：

进一步计算得到：

上述通过施加激励并采集原始数据求取解调系数的过程，称为定标；

优选的，激光器采用频率可调谐的窄线宽光纤激光器；通过调谐激光频率，利用光纤水听器单元的两个干涉臂之间的程差，使干涉信号快速地在最大值和最小值之间周期性变化，可以便捷地完成定标；

步骤六：通过所述步骤五中获取的解调系数，进一步得到相位的余弦项、正弦项，进行反正切运算、相位累积运算，通过高通滤波、低通滤波、降采样输出，得到解调结果；

将所述步骤五中获取的解调系数代入下面公式：

得到

然后对

进行反正切运算，接着进行相位累积运算得到相位信号

再通过高通滤波滤除其中的低频干扰信号，最后进行低通滤波和降采样输出，得到解调结果，完成相位解调；

所述反正切运算采用现有公知的常用方法均可实现，为了提高精度，优选的，反正切运算通过FPGA内部的CORDIC IP核来实现；

本发明提供的光纤水听器移频正交解调方法，定标参数无需定期修正，不受光功率的波动产生的影响，只需计算一次解调系数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆，即可进行连续实时解调。

本发明提供的一种光纤水听器移频正交解调系统及方法，采用移频与延时装置产生一个具有固定光频差的激光脉冲对，光纤水听器单元基于2×3耦合器构建，具有两条干涉臂和一条参考臂，配合光纤水听器单元的两条干涉臂之间的特定程差，利用光频差和程差形成正交信号，正交信号的相位差误差可以通过定标计算得到修正；本发明硬件资源消耗小，只需单路光电转换和信号采集资源，主要依靠简单的数学乘加运算便可实现相位解调；通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系，可以消除光功率波动带来的解调误差，有效提升光纤水听器实际使用性能。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，包括：激光脉冲产生装置、移频与延时装置、光纤水听器阵列、解调装置；所述激光脉冲产生装置接收所述解调装置提供的触发脉冲信号，用于输出固定周期、固定脉宽的激光脉冲；所述移频与延时装置通过光纤与所述激光脉冲产生装置相连接，将所述激光脉冲产生装置输出的所述激光脉冲分成两束并分别进行移频、延时处理，再重新合束为一束，形成一个具有固定光频差、固定时延的激光脉冲对；所述光纤水听器阵列通过光纤与所述移频与延时装置相连接，所述光纤水听器阵列中的每个光纤水听器单元都将所述激光脉冲对转换成一个干涉脉冲对，以及一个处于不干涉状态的参考脉冲对；所述解调装置通过光纤与所述光纤水听器阵列相连接，产生触发脉冲信号输出至所述激光脉冲产生装置，对所述光纤水听器阵列的输出光脉冲序列进行光电转换、数字采集和相位解调处理，并通过干涉脉冲和参考脉冲的比例关系消除光功率波动带来的解调误差。

2.根据权利要求1所述的一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，所述激光脉冲产生装置包括激光器、光纤声光调制器；所述光纤声光调制器接收所述解调装置提供的触发脉冲信号，将所述激光器发出的连续激光调制成激光脉冲，所述激光脉冲的周期为T、脉宽为t_p。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，所述移频与延时装置包括第一1×2耦合器、第二1×2耦合器、光纤声光移频器、光纤延时线圈；所述第一1×2耦合器的第一端口即为所述移频与延时装置的输入端口，所述第一1×2耦合器的第二端口经过所述光纤声光移频器连接至所述第二1×2耦合器的第二端口，所述第一1×2耦合器的第三端口经过光纤延时线圈连接至所述第二1×2耦合器的第三端口，所述第二1×2耦合器的第一端口即为所述移频与延时装置的输出端口；所述激光脉冲经过所述第一1×2耦合器被分为两束，一束被光纤声光移频器移频Δv，另一束被光纤延时线圈延时τ，且满足τ＞t_p；然后经过所述第二1×2耦合器重新合束为一束，形成一个光频差为Δv、时延为τ的激光脉冲对P₁、P₂；由于τ＞t_p，因此激光脉冲对中的两个脉冲P₁、P₂在时间上不会发生重叠。

4.根据权利要求1或2所述的一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，所述光纤水听器阵列由至少两个光纤水听器单元采用空分复用、波分复用、时分复用等复用方式中的一种或多种进行复用构成。

5.根据权利要求1或2所述的一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，所述光纤水听器单元包括2×3耦合器、第一光纤敏感线圈、第二光纤敏感线圈、第一法拉第旋镜、第二法拉第旋镜、第三法拉第旋镜；所述2×3耦合器的第一端口经过第一光纤敏感线圈连接至第一法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的干涉臂；所述2×3耦合器的第二端口经过第二光纤敏感线圈连接至第二法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的另一干涉臂；所述2×3耦合器的第三端口连接至第三法拉第旋镜，形成所述光纤水听器单元的参考臂；所述2×3耦合器的第四端口与所述2×3耦合器的第五端口中的任意一者作为所述光纤水听器单元的输入端口，另一者则作为所述光纤水听器单元的输出端口；所述第一光纤敏感线圈长度为l₁，所述第二光纤敏感线圈长度为l₂，且满足l₁略大于l₂，l₂＝c·τ/n，c·τ/n＜l₁＜c·(3τ-t_p)/2n，其中c是真空中的光速，n是光纤纤芯的折射率；激光脉冲对进入光纤水听器单元后，输出一个干涉脉冲对P_1i、P_2i，以及一个处于不干涉状态的参考脉冲对P_1r、P_2r；其中P_1i、P_2i之间具有固定的相位差

且

k为任意整数；由于l₂＝c·τ/n及τ＞t_p，可保证参考脉冲P_2r与干涉脉冲P_1i在时间上不会发生重叠；由于c·τ/n＜l₁＜c·(3τ-t_p)/2n及τ＞t_p，可保证干涉脉冲对P_1i、P_2i在时间上不会发生重叠。

6.根据权利要求5所述的一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，为便于相位解调简化解调过程，取长度差Δl＝l₁-l₂＝c/(8n·Δv)，使干涉脉冲对P_1i、P_2i二者之间的相位差

即干涉脉冲对P_1i、P_2i二者相互正交。

7.根据权利要求1或2所述的一种光纤水听器移频正交解调系统，其特征在于，所述解调装置包括光电探测器、模数转换器(ADC)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)；所述光电探测器接收所述光纤水听器阵列输出的光信号，将其转换为电信号后传输给ADC；所述ADC负责对所述电信号进行模数转换并传输给FPGA；所述FPGA负责完成光纤水听器阵列传感信号解调，并负责产生触发脉冲信号输出至所述激光脉冲产生装置。

8.一种光纤水听器移频正交解调方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采用激光脉冲产生装置输出激光脉冲；

采用激光脉冲产生装置，包括激光器、光纤声光调制器，所述光纤声光调制器接收解调装置提供的触发脉冲信号，输出固定周期、固定脉宽的激光脉冲，将所述激光器发出的连续激光调制成激光脉冲，所述激光脉冲的周期为T、脉宽为t_p；

步骤二：采用移频与延时装置输出具有固定光频差、固定时延的激光脉冲对；

采用移频与延时装置，包括光纤声光移频器、光纤延时线圈，所述步骤一中输出的激光脉冲经过所述移频与延时装置被分为两束，并分别进行移频、延时处理，一束被光纤声光移频器移频Δv，另一束被光纤延时线圈延时τ，且满足τ＞t_p，再重新合束为一束，形成一个具有固定光频差Δv、固定时延τ的激光脉冲对P₁、P₂；由于τ＞t_p，因此所述移频与延时装置输出的激光脉冲对中的两个脉冲P₁、P₂在时间上不会发生重叠；

步骤三：采用光纤水听器单元输出处于不干涉状态的参考脉冲对以及干涉脉冲对；

所述步骤二中输出的激光脉冲对P₁、P₂进入光纤水听器单元，在光纤水听器单元的一条参考臂和两条干涉臂的作用下，输出处于不干涉状态的参考脉冲对P_1r、P_2r，以及干涉脉冲对P_1i、P_2i；其中P_1i、P_2i之间具有固定的相位差

且

k为任意整数；

步骤四：将干涉脉冲与参考脉冲相除，消除光功率波动带来的影响；

用所述步骤三输出的干涉脉冲P_1i除以参考脉冲P_1r，得到I₁＝P_1i/P_1r；同理得到I₂＝P_2i/P_2r；由于P_1i与P_1r均由P₁经过所述光纤水听器单元而产生，二者受光功率波动的影响一致，因此相除后可以消除光功率波动的影响，即I₁不受光功率波动的影响；同理I₂也不受光功率波动的影响；I₁、I₂可表达为：

其中，D₁、D₂为直流项；E₁、E₂为交流项振幅；

为待求相位信号，其中包含光纤水听器拾取的目标信号、低频干扰信号以及相位噪声；α为相位差参数，即I₁与I₂相位差的一半；

步骤五：定标，计算得到解调系数；由于D₁、D₂、E₁、E₂为未知量，α的准确值也未知，通过计算上述参数，获得解调系数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆；

通过对激光器进行调频或者对光纤水听器单元施加声压信号激励，采集一定时长的参考脉冲P_1r、P_2r与干涉脉冲P_1i、P_2i数据，计算得到相应时长的I₁、I₂数据，统计I₁、I₂的最大值与最小值，利用三角函数特性，计算得到直流项、交流项振幅、相位差参数：

进一步计算得到：

上述通过施加激励并采集原始数据求取解调系数的过程，称为定标；

步骤六：通过所述步骤五中获取的解调系数，进一步得到相位的余弦项、正弦项，进行反正切运算、相位累积运算，通过高通滤波、低通滤波、降采样输出，得到解调结果；

将所述步骤五中获取的解调系数代入下面公式：

得到

然后对

进行反正切运算，接着进行相位累积运算得到相位信号

再通过高通滤波滤除其中的低频干扰信号，最后进行低通滤波和降采样输出，得到解调结果，完成相位解调。

9.根据权利要求8所述的一种光纤水听器移频正交解调方法，其特征在于，所述步骤三中：为便于相位解调简化解调过程，取长度差Δl＝l₁-l₂＝c/(8n-Δv)，使干涉脉冲对P_1i、P_2i二者之间的相位差

即干涉脉冲对P_1i、P_2i二者相互正交。

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