CN115235602B - 可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法 - Google Patents

可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法 Download PDF

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CN115235602B CN202210832222.4A CN202210832222A CN115235602B CN 115235602 B CN115235602 B CN 115235602B CN 202210832222 A CN202210832222 A CN 202210832222A CN 115235602 B CN115235602 B CN 115235602B
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Abstract

本发明属于水听器解调技术领域，公开了一种可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法，对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。本发明的光纤激光水听器解调干涉方法与在湿端引入参考传感器的干涉仪降噪方法相比，能降低系统噪声本底约30dB，考虑到DFBFL水听器的解调系统在搭载UUV的实际工作环境下面临强振动干扰的实际情况，通过将干端的参考光源保持隔振隔声状态，有效消除宽频带背景噪声的干扰，避免给实际水声探测带来不利影响，更具有实用价值。

Description

可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法
技术领域
本发明属于水听器解调技术领域，尤其涉及一种可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法。
背景技术
目前，分布反馈式光纤激光(Distributed Feedback Fiber Laser，DFB FL)水听器具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、易于波分复用组阵等优点，特别适合构建在无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)等小型水下无人平台上的超细缆径声呐阵列。干涉仪是DFB FL水听器解调系统的核心部件。在水听器系统随UUV等水下无人平台高速运动过程中，干涉仪由于受到UUV内部机械振动的影响，会使系统本底噪声抬高，信噪比下降，对实际探测性能产生较大影响。
目前干涉仪的降噪研究大都针对干涉型光纤水听器，主要有三种方法：第一种是对干涉仪进行物理的隔振隔声处理。现有技术1通过给干涉仪加隔振器并将其置于真空罐中，对环境噪声的抑制效果达到20～60dB。第二种是对干涉仪的解调光路进行反馈控制。现有技术2在单光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感系统中采用辅助光源构建反馈控制系统，实时控制干涉仪臂差以补偿环境的影响，结果表明系统信噪比约能提高25dB。第三种是差分探测。现有技术3在光纤法布里-珀罗(Fiber Fabry-Perot，FFP)干涉型传感系统中靠近传感阵列处放置一个对声信号不敏感的参考传感器来监测共同光路的噪声，实现了被测频带约40dB的降噪效果。
DFB FL水听器的工作原理与传统的干涉型光纤水听器工作原理不尽相同，传统的干涉型光纤水听器以干涉仪作为传感阵元，阵元与阵元之间可通过光纤延长线利用时分复用串联，在外部声压作用下，干涉仪传感臂长度发生变化，进而引起干涉仪的相位变化；而DFB FL水听器则以DFB光纤激光器谐振腔作为传感阵元，不同阵元之间可利用波分复用串联，在外部声压的作用下，DFB光纤激光器中心频率变化，由干涉仪转换为相位差的变化进行解调。
在目前针对干涉型光纤水听器的干涉仪降噪技术究中，对干涉仪进行物理的隔振隔声处理的方案实现条件较为苛刻，须将干涉仪抽成真空才能取得较好效果，且干涉仪对外界低频干扰的屏蔽效果有限；对干涉仪的解调光路进行反馈控制的方案，会增加系统的复杂度，而且反馈系统也会引起额外噪声；基于差分探测的方案，通常在系统湿端采用参考传感器监测光路噪声，但参考传感器的引入需要占用传感阵列通道，会增加探测阵列的复杂度，同时也会消耗一部分泵浦能量，不利于阵列规模的扩大，且信号处理手段通常采用两个传感器探测结果相减的方式，该方法忽略了传感器中心频率抖动以及其他因素产生的相位噪声影响，因此并不适用于相位噪声大且对环境敏感的DFB FL水听器系统。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)在水听器系统随UUV等水下无人平台高速运动过程中，传统干涉仪由于受到UUV内部机械振动的影响，会使系统本底噪声抬高，信噪比下降，对实际探测性能产生较大影响。
(2)现有对干涉仪进行物理的隔振隔声处理的实现条件较为苛刻，须将干涉仪抽成真空才能取得较好效果，且干涉仪对外界低频干扰的屏蔽效果有限。
(3)现有对干涉仪的解调光路进行反馈控制的方案，会增加系统的复杂度，而且反馈系统也会引起额外噪声。
(4)现有基于差分探测方案中参考传感器的引入需要占用传感阵列通道，增加探测阵列的复杂度，同时消耗一部分泵浦能量，不利于阵列规模的扩大。
(5)现有基于差分探测方案中的信号处理手段通常采用两个传感器探测结果相减的方式，忽略了传感器中心频率抖动以及其他因素产生的相位噪声影响，故并不适用于相位噪声大且对环境敏感的DFB FL水听器系统。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法。
本发明是这样实现的，一种可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法包括：
对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。
进一步，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法包括以下步骤：
步骤一，进行光路设计以及差分探测；
步骤二，光电探测器接收的3路干涉信号通过海军研究生院(Naval PostgraduateSchool，NPS)相位解调算法解调得到探测信号；
步骤三，干涉仪噪声通过自适应噪声抵消算法去除。
进一步，所述步骤一中的光路设计包括：
将980nm泵浦光通过980/1550nm波分复用器进入DFB FL水听器阵列的DFB光纤激光器谐振腔；当谐振腔内有源光纤提供的增益达到激光器阈值条件时，产生1550nm波段的谐振光；出射光由波分复用器的1550nm端口输出，并进入非平衡路径100m的迈克尔逊干涉仪发生干涉。
进一步，所述步骤一中的差分探测包括：
将单独产生1550nm波段的窄线宽激光送入干涉仪的2×2耦合器的输入端，在2×2耦合器与3×3耦合器相连接的臂上插入一个3端口环形器；端口1的各路入射光全部进入端口2，从3×3耦合器的干涉臂3输出的干涉光再经由环形器的端口2输出至端口3；干涉后的信号通过3×3耦合器的3个臂输出，再经过密集波分复用器分解为不同波长，被相应光电探测器接收。
进一步，所述步骤三中的降噪方法包括：
将水听器探测到的信号d(n)作为自适应滤波器的主输入信号，d(n)表示为：
Figure GDA0003939556610000041
其中，
Figure GDA0003939556610000042
为水声信号，/>
Figure GDA0003939556610000043
为水听器探测到的干涉仪噪声，/>
Figure GDA0003939556610000044
为对应水听器的频率噪声、电路噪声以及数字解调噪声在内的所有其它噪声项，
Figure GDA0003939556610000045
将参考光源探测到的信号x(n)作为参考输入信号：
Figure GDA0003939556610000046
其中，
Figure GDA0003939556610000047
为参考光源探测到的干涉仪噪声，/>
Figure GDA0003939556610000048
为对应参考光源的频率噪声、电路噪声以及数字解调噪声在内的所有其它噪声项，/>
Figure GDA0003939556610000049
调节自适应滤波器抽头权系数W(n)，使参考光源监测到的干涉仪噪声/>
Figure GDA00039395566100000410
在最小均方误差意义下逼近水听器探测到的干涉仪噪声/>
Figure GDA00039395566100000411
成为/>
Figure GDA00039395566100000412
的最佳估计/>
Figure GDA00039395566100000413
并和主通道水听器探测到的干涉仪噪声/>
Figure GDA00039395566100000414
相抵消。
误差信号e(n)表示为：
Figure GDA00039395566100000415
其中，
Figure GDA00039395566100000416
为/>
Figure GDA00039395566100000417
经过自适应滤波器处理后的噪声。
设
Figure GDA00039395566100000418
则误差信号e(n)的表达式简化为：
Figure GDA00039395566100000419
式中，
Figure GDA00039395566100000420
由于
Figure GDA00039395566100000421
与所有噪声项均不相关，故：
Figure GDA00039395566100000422
其中，
Figure GDA00039395566100000423
与自适应滤波器设置无关，E[e2(n)]最小，相当于/>
Figure GDA00039395566100000424
Figure GDA00039395566100000425
最小，/>
Figure GDA00039395566100000426
也将最小，e(n)是/>
Figure GDA00039395566100000427
的最佳估计。
e(n)利用最小均方算法求解。根据最陡下降法的LMS算法迭代公式：
e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-XT(n)W(n)；
W(n+1)＝W(n)+2μe(n)X(n)；
其中，W(n)＝[w0(n),w1(n),…,wN-1(n)]T表示自适应滤波器的权系数矢量，X(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)]T表示输入信号矢量，μ为步长；输入信号x(n)和期望信号d(n)的值通过相应的光电探测器探测出来的3路干涉信号经过NPS算法解调得到，设置好初始权系数矢量的值，并迭代出e(n)的值。
μ要求满足：
Figure GDA0003939556610000051
其中，λmax为输入信号矢量X(n)自相关矩阵R的最大特征值。由于R是正定的，R的迹：
Figure GDA0003939556610000052
有：
0＜μ＜tr-1[R]；
tr[R]用输入信号x(n)的平均功率表示：
tr[R]＝NE[x2(n)]；
利用相邻两项误差的乘积e(n)e(n-1)调节步长μ：
μ(n)＝β(1-e-α|e(n)e(n-1)|)；
自适应滤波器的最佳权矢量设为W*(n)，则：
d(n)＝XT(n)W*(n)+φ(n)；
式中，
Figure GDA0003939556610000053
为水声信号，ξ(n)为与输入信号--干涉仪噪声无关的额外噪声；令V(n)＝W(n)-W*(n)，V(n)表示权系数偏差矢量，则：
Figure GDA0003939556610000054
故：
E[e(n)e(n-1)]＝E[VT(n)X(n)XT(n-1)V(n-1)]+E[φ(n)φ(n-1)]；
当ξ(n)为均值为零的不相关噪声，且与输入信号无关，则：
Figure GDA0003939556610000055
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪由2×2光纤耦合器、3端口环形器、3×3光纤耦合器、长度相差50米的两段光纤组成；
其中一段光纤缠绕在压电陶瓷上，用于产生外调制信号；在两段光纤的末端各用一个法拉第旋转镜代替普通反射镜。
进一步，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪还包括：
差分探测模块，用于对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；
降噪处理模块，用于采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
基于现有的干涉型光纤水听器的干涉仪降噪技术，结合DFB FL水听器自身特点，本发明提出一种针对DFB FL水听器的可降噪的解调干涉仪及方法，通过对传统的基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，从而实现差分探测。降噪方法上采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方(Least Mean Square，LMS)算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明的光纤激光水听器解调干涉方法与传统的在湿端引入参考传感器的干涉仪降噪方法相比，均能降低系统噪声本底约30dB，但考虑到DFB FL水听器的解调系统在实际的工作环境下(高速运动的小型水下无人平台如UUV)，面临UUV内部强振动干扰的实际情况，通过将干端的参考光源保持隔振隔声状态，可有效消除宽频带背景噪声的干扰，避免给实际水声探测带来不利影响，更具有实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法流程图；
图2是本发明实施例提供的干涉仪工作原理图；
图3是本发明实施例提供的干涉仪噪声自适应抵消原理框图；
图4是本发明实施例提供的差分探测实验系统；
图5是本发明实施例提供的固定步长、变步长LMS滤波算法的解调波形图；图(a)为原始水声信号，图(b)为固定步长LMS滤波，图(c)为变步长LMS滤波；
图6是本发明实施例提供的变步长与误差函数的关系示意图；
图7是本发明实施例提供的B样条小波变换前后水声信号示意图；
图8是本发明实施例提供的强噪声背景干扰下不同探测结果对比示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法包括以下步骤：
S101，对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；
S102，采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。
作为优选实施例，本发明实施例提供的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法具体包括以下步骤：
(1)光路设计
本发明的光路工作原理图如图2所示，980nm泵浦光通过980/1550nm波分复用器进入DFB FL水听器阵列的DFB光纤激光器谐振腔，当谐振腔内有源光纤提供的增益达到激光器阈值条件时，将产生1550nm波段的谐振光，该谐振光频率会随外界环境的扰动而发生变化，出射光由波分复用器的1550nm端口输出，然后进入迈克尔逊干涉仪(非平衡路径100m)发生干涉。干涉仪由2×2光纤耦合器、3端口环形器、3×3光纤耦合器、长度相差50米的两段光纤组成，其中有一段光纤缠绕在压电陶瓷(Piezoelectric Ceramic，PZT)上，可以产生外调制信号，另外，为了减小偏振衰落对信号光检测的影响，在两段光纤的末端各用一个法拉第旋转镜(Faraday Rotating Mirror，FRM)代替普通反射镜。为了实现差分探测，单独产生1550nm波段的窄线宽激光送入干涉仪的2×2耦合器的输入端，此时为了保持3×3耦合器的三路干涉信号输出不变，在2×2耦合器与3×3耦合器相连接的臂上插入一个3端口环形器，端口1的各路入射光全部进入端口2，从3×3耦合器的干涉臂3输出的干涉光再经由环形器的端口2输出至端口3，干涉后的信号通过3×3耦合器的3个臂输出，再经过密集波分复用器(Dense Wavelength Division multiplexing，DWDM)分解为不同波长，被相应光电探测器接收。
(2)降噪方法
光电探测器接收到的3路干涉信号可通过NPS算法解调得到探测信号。干涉仪噪声通过自适应噪声抵消算法去除。具体方法如下：
如图3所示，将水听器探测到的信号d(n)作为自适应滤波器的主输入信号，d(n)可表示为：
Figure GDA0003939556610000091
其中，
Figure GDA0003939556610000092
为水声信号，/>
Figure GDA0003939556610000093
为水听器探测到的干涉仪噪声，/>
Figure GDA0003939556610000094
为对应水听器的频率噪声、电路噪声、数字解调噪声等在内的所有其它噪声项，
Figure GDA0003939556610000095
将参考光源探测到的信号x(n)作为参考输入信号：
Figure GDA0003939556610000096
其中，
Figure GDA0003939556610000097
为参考光源探测到的干涉仪噪声，/>
Figure GDA0003939556610000098
为对应参考光源的频率噪声、电路噪声、数字解调噪声等在内的所有其它噪声项，/>
Figure GDA0003939556610000099
调节自适应滤波器抽头权系数W(n)，使参考光源监测到的干涉仪噪声/>
Figure GDA00039395566100000910
在最小均方误差(即平均误差功率最小)意义下逼近水听器探测到的干涉仪噪声/>
Figure GDA0003939556610000101
成为/>
Figure GDA0003939556610000102
的最佳估计
Figure GDA0003939556610000103
然后和主通道水听器探测到的干涉仪噪声/>
Figure GDA0003939556610000104
相抵消。误差信号e(n)可表示为：
Figure GDA0003939556610000105
其中，
Figure GDA0003939556610000106
为/>
Figure GDA0003939556610000107
经过自适应滤波器处理后的噪声。不妨设
Figure GDA0003939556610000108
则(3)式可简化为：
Figure GDA0003939556610000109
式中
Figure GDA00039395566100001010
由于/>
Figure GDA00039395566100001011
与所有噪声项均不相关，故：
Figure GDA00039395566100001012
其中，
Figure GDA00039395566100001013
与自适应滤波器设置无关，E[e2(n)]最小，相当于/>
Figure GDA00039395566100001014
Figure GDA00039395566100001015
最小。根据(4)式，此时/>
Figure GDA00039395566100001016
也将最小，所以e(n)是
Figure GDA00039395566100001017
的最佳估计。
e(n)可利用最小均方(LMS)算法求解。根据最陡下降法的LMS算法迭代公式：
e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-XT(n)W(n)(6)
W(n+1)＝W(n)+2μe(n)X(n)(7)
其中，W(n)＝[w0(n),w1(n),…,wN-1(n)]T表示自适应滤波器的权系数矢量，X(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)]T表示输入信号矢量，μ为步长。输入信号x(n)和期望信号d(n)的值可以通过相应的光电探测器探测出来的3路干涉信号经过NPS算法解调得到，设置好初始权系数矢量的值，通过(6)式和(7)式，即可迭代出e(n)的值。
为了保证算法收敛，μ要求满足：
Figure GDA00039395566100001018
其中，λmax为输入信号矢量X(n)自相关矩阵R的最大特征值。由于R是正定的，R的迹：
Figure GDA0003939556610000111
对(9)式作更保守的估计，有：
0＜μ＜tr-1[R](10)
tr[R]可用输入信号x(n)的平均功率表示，即：
tr[R]＝NE[x2(n)](11)
在实际应用中，通常根据式(10)和式(11)选择μ。
传统LMS算法中，μ为固定步长(Fixed Step Size，FSS)，收敛速度和稳态误差不能同时满足。考虑到图3中主输入端d(n)和参考输入端x(n)中都存在除干涉仪噪声外的额外噪声，本发明采用现有技术提出的利用相邻两项误差的乘积e(n)e(n-1)调节步长μ，即：
μ(n)＝β(1-e-α|e(n)e(n-1)|)(12)
该算法可以降低对不相关噪声的敏感性，同时改善低信噪比条件下的收敛性和稳态误差。其降噪原理如下：自适应滤波器的最佳权矢量设为W*(n)，则：
d(n)＝XT(n)W*(n)+φ(n)(13)
式中，
Figure GDA0003939556610000112
为水声信号，ξ(n)为与输入信号即干涉仪噪声无关的额外噪声。不妨令V(n)＝W(n)-W*(n)，V(n)表示权系数偏差矢量，则：
Figure GDA0003939556610000113
因此，
E[e(n)e(n-1)]＝E[VT(n)X(n)XT(n-1)V(n-1)]+E[φ(n)φ(n-1)](15)
假设ξ(n)为均值为零的不相关噪声，且与输入信号无关，则有：
Figure GDA0003939556610000114
由(16)式可见，当采用误差信号的自相关值调节步长因子时，额外噪声ξ(n)对步长μ几乎没有影响。因此该算法具有较好的抗干扰性能。
事实上，在自适应干涉仪噪声抵消过程中，光电探测器探测出来的干涉信号经过解调得到的输入信号x(n)和期望信号d(n)中，还存在大量均值不为零的噪声，这部分噪声主要是由激光器噪声(如强度噪声、频率噪声)等引起，这部分噪声频率较高，可以通过B样条小波变换去除。B样条函数满足光滑函数条件的特点，具有正交性、递归性和紧支撑性，非常适合于降噪处理。本发明选取3阶B样条函数构造尺度函数和小波函数，对已去除了干涉仪噪声的水声信号进行小波分解，设置高频系数为零，再进行重构操作，可以去除其高频噪声。
本发明实施例提供的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪包括：
差分探测模块，用于对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；
降噪处理模块，用于采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。
二、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
1、实验装置
本实验利用振动液柱法模拟水声信号。为了比较参考光源法与传统参考传感器法的性能差异，将参考传感器和参考光源同时接入光路，分开测量。实验装置如图4所示。信号发生器产生低频正弦波，通过功率放大器连接到振动台，盛满水的液柱罐安装在振动台上，在振动台的带动下振动，罐中水体中产生与振动频率一致的声场。加速度计固定于液柱罐底部，与电荷放大器相连，输出信号幅度由示波器进行监控。水听器通过夹具伸入液柱罐内水体中心位置，其引出端与参考传感器串联后接入非平衡干涉仪，PZT上加载信号模拟干涉仪噪声，干涉仪输出经光电探测后接入数据采集卡，再通过计算机进行解调。
为了获得1550nm波段且线宽为千赫兹量级的高稳定度参考光源，实验采用了980nm泵浦激励DFB激光器的方式，泵浦源采用上海拜安(B&A)公司M3147-700型泵浦光源模块，其短期(15分钟)功率稳定度为0.003dB，长期(8小时)功率稳定度为0.03dB，激光器采用澳大利亚Redfern公司的窄线宽低噪声DFB光纤激光器，波长为1549.31nm(ITU-T C35通道)。线宽小于50kHz，弛豫震荡频率处的强度噪声为-112.8dB/Hz1/2，激光器频率噪声约14Hz/Hz1/2，换算成100m非平衡路径下的相位噪声约-87dB re rad/Hz1/2。为了减小环境噪声对激光器中心频率的影响，把参考光源放置于减振台上并用隔音棉包裹起来。
水听器工作波长为1547nm(ITU-T C38通道)，参考传感器工作波长为1530nm(ITU-T C59通道)。二者频率噪声约33Hz/Hz1/2,换算成100m非平衡路径下的相位噪声约-80dB rerad/Hz1/2，考虑到参考传感器通常置于水体中，因此不做特殊隔振隔声处理。自制非平衡干涉仪，水听器和参考光源(或参考传感器)各用两路进行探测，采集出来的数据用海军研究实验室(Naval Research Laboratory，NRL)相位解调算法进行解调。水声信号设为630Hz，采样率设为1.25MHz，每个通道采样点数设为1048576。
2、干涉仪噪声信号的产生
干涉仪通常随整个解调系统一起搭载在UUV等水下无人平台上，所受的振动干扰主要由UUV内部机械振动产生，可用布朗(红)噪声模拟其宽带噪声，布朗噪声功率谱密度的衰减速度为-6dB/oct，可由高斯白噪声通过一个功率谱密度衰减曲线为1/f2的滤波器产生。该滤波器传输函数可表示为：
Figure GDA0003939556610000131
用Matlab对上述宽带噪声进行仿真，产生的噪声信号通过音频口输出，经功率放大器放大后加载到干涉仪PZT上。
3、实验结果
DFB水听器、参考光源和参考传感器分别对应密集波分复用器的C38、C35和C59通道，由于采集卡通道数的限制，各用两路进行解调。通道1和通道2的探测器连接两个密集波分复用器的C38端口，探测DFB水听器的两路输出；通道3和通道4的探测器连接两个密集波分复用器的C35端口，探测参考光源的两路输出。DFB水听器放置于盛满水的液柱罐中央，加载630Hz、2V的正弦波模拟水声信号，向干涉仪施加宽频干扰(布朗噪声)，模拟环境噪声对干涉仪的影响。同时打开两个980nm泵浦源，用LabView实时采集并保存DFB水听器探测信号和参考光源探测信号，用Matlab做离线处理。
1)干涉仪噪声自适应抵消结果
分别利用固定步长(Fixed Step Size，FSS)LMS算法和变步长(Variable StepSize，VSS)LMS算法对水听器系统干涉仪噪声进行降噪处理，得到如图5所示的滤波过程的误差信号的变化。其中，固定步长LMS算法中μ＝10-8，以保证滤波精度的同时有较快的收敛速度；变步长LMS算法中β＝5×10-7，α＝2.2×10-3。同时，为了保证系统的实时性，两种算法的滤波器阶数N＝10。可以看出，两种自适应滤波算法对干涉仪噪声都进行了有效抑制，提高了水声信号的信噪比，且在同样的稳态误差条件下，变步长LMS算法的收敛速度远高于固定步长LMS算法。
图6反映了变步长算法中步长μ(n)与误差函数e(n)的关系，从图中可知误差小的时候步长也小，误差大的时候步长也大。
2)B样条小波变换降噪结果
图7(a)是原始水声信号经过变步长LMS算法噪声自适应对消后的水声信号局部图，可以看到该恢复出的水声信号还存在着比较多的毛刺，根据前面的理论分析，这些毛刺主要是由激光器噪声引起，其细节放大图如图7(b)所示，属于高频噪声，为了取得较好的平滑效果，本发明选取3阶B样条函数构造尺度函数和小波函数，对已去除了干涉仪噪声的水声信号进行小波分解，设置高频系数为零，再进行重构操作，从而降低其高频噪声。经过B样条小波变换以后，从图7(c)的波形和图7(d)的频谱可以看出，叠加在水声信号上的高频噪声得到了很好的抑制，基本恢复出630Hz的水声信号。
3)与传统参考传感器法降噪结果的比较
图8比较了本发明中参考光源法与传统的参考传感器法的性能差异。考虑到参考传感器处于水体中很难隔离环境因素的影响，而参考光源通常置于水下无人航行器舱体内，可以进行隔振隔声处理，因此在嘈杂环境中对参考传感器施加扰动模拟其所受环境干扰，而参考光源保持隔振隔声状态，比较结果如图8所示，两者的噪声本底并未发生变化，但参考传感器法的探测结果检测到了多个不同频率不同程度的干扰，给实际水声探测带来不利影响。
综上，从降噪效果上来说，两种差分探测方法接近，均能降低系统噪声本底约30dB；从实用角度来说，参考传感器法易受环境影响，且需要占用传感阵列通道，同时也会消耗一部分泵浦能量，不利于阵列规模扩大。因此，本发明提出的参考光源法实用性更强。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法，其特征在于，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法包括：
对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在2×2耦合器与3×3耦合器相连接的臂上插入一个3端口环形器，并在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；采用改进的自适应噪声抵消方法将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，选取3阶B样条函数构造尺度函数和小波函数，对已去除了干涉仪噪声的水声信号进行小波分解，设置高频系数为零，再进行重构操作，去除其高频噪声；
实现差分探测的方法包括：
将单独产生1550nm波段的窄线宽激光送入干涉仪的2×2耦合器的输入端，在2×2耦合器与3×3耦合器相连接的臂上插入一个3端口环形器；端口1的各路入射光全部进入端口2，从3×3耦合器的干涉臂3输出的干涉光再经由环形器的端口2输出至端口3；干涉后的信号通过3×3耦合器的3个臂输出，再经过密集波分复用器分解为不同波长，被相应光电探测器接收；
所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法包括以下步骤：
步骤一，进行光路设计以及差分探测；
步骤二，光电探测器接收的3路干涉信号通过NPS算法解调得到探测信号；
步骤三，干涉仪噪声通过自适应噪声抵消算法去除；
将水听器探测到的信号d(n)作为自适应滤波器的主输入信号，d(n)表示为：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_2
为水声信号，/>
Figure QLYQS_3
为水听器探测到的干涉仪噪声，/>
Figure QLYQS_4
为对应水听器的频率噪声、电路噪声以及数字解调噪声在内的所有其它噪声项，/>
Figure QLYQS_5
将参考光源探测到的信号x(n)作为参考输入信号：
Figure QLYQS_6
其中，
Figure QLYQS_8
为参考光源探测到的干涉仪噪声，/>
Figure QLYQS_10
为对应参考光源的频率噪声、电路噪声以及数字解调噪声在内的所有其它噪声项，/>
Figure QLYQS_12
调节自适应滤波器抽头权系数W(n)，使参考光源监测到的干涉仪噪声/>
Figure QLYQS_9
在最小均方误差意义下逼近水听器探测到的干涉仪噪声/>
Figure QLYQS_11
成为/>
Figure QLYQS_13
的最佳估计/>
Figure QLYQS_14
并和主通道水听器探测到的干涉仪噪声/>
Figure QLYQS_7
相抵消；
误差信号e(n)表示为：
Figure QLYQS_15
其中，
Figure QLYQS_16
为/>
Figure QLYQS_17
经过自适应滤波器处理后的噪声；
设
Figure QLYQS_18
则误差信号e(n)的表达式简化为：
Figure QLYQS_19
式中，
Figure QLYQS_20
由于
Figure QLYQS_21
与所有噪声项均不相关，故：
Figure QLYQS_22
其中，
Figure QLYQS_23
与自适应滤波器设置无关，E[e2(n)]最小，相当于
Figure QLYQS_24
最小，/>
Figure QLYQS_25
也将最小，e(n)是/>
Figure QLYQS_26
的最佳估计；
e(n)利用最小均方算法求解，根据最陡下降法的LMS算法迭代公式：
e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-XT(n)W(n)；
W(n+1)＝W(n)+2μe(n)X(n)；
其中，W(n)＝[W0(n)w1(n)，…，wN-1(n)]T表示自适应滤波器的权系数矢量，X(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-N+1)]T表示输入信号矢量，μ为步长；输入信号x(n)和水听器探测到的信号d(n)的值通过相应的光电探测器探测出来的3路干涉信号经过NPS算法解调得到，设置好初始权系数矢量的值，并迭代出e(n)的值；
μ要求满足：
Figure QLYQS_27
其中，λmax为输入信号矢量X(n)自相关矩阵R的最大特征值；由于R是正定的，R的迹：
Figure QLYQS_28
有：
0＜μ＜tr-1[R]；
tr[R]用输入信号x(n)的平均功率表示：
tr[R]＝NE[x2(n)]；
利用相邻两项误差的乘积e(n)e(n-1)调节步长μ：
μ(n)＝β(1-e-a|e(n)e(n-1)|)；
自适应滤波器的最佳权矢量设为W*(n)，则：
d(n)＝XT(n)W*(n)+φ(n)；
式中，
Figure QLYQS_29
为水声信号，ξ(n)为与输入信号--干涉仪噪声无关的额外噪声；令V(n)＝W(n)-W*(n)，V(n)表示权系数偏差矢量，则：
e(n)e(n-1)＝VT(n)X(n)XT(n-1)V(n-1)+VT(n)X(n)φ(n-1)+φ(n)XT(n-1)V(n-1)+φ(n)φ(n-1)；
故：
E[e(n)e(n-1)]＝E[VT(n)X(n)XT(n-1)V(n-1)]+E[φ(n)φ(n-1)]；
当ξ(n)为均值为零的不相关噪声，且与输入信号无关，则：
Figure QLYQS_30
2.如权利要求1所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法，其特征在于，所述步骤一中的光路设计包括：
将980nm泵浦光通过980/1550nm波分复用器进入DFB FL水听器阵列的DFB光纤激光器谐振腔；当谐振腔内有源光纤提供的增益达到激光器阈值条件时，产生1550nm波段的谐振光；出射光由波分复用器的1550nm端口输出，并进入非平衡路径100m的迈克尔逊干涉仪发生干涉。
3.一种应用如权利要求1～2任意一项所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪，其特征在于，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪由2×2光纤耦合器、3端口环形器、3×3光纤耦合器、长度相差50米的两段光纤组成；
其中一段光纤缠绕在压电陶瓷上，用于产生外调制信号；在两段光纤的末端各用一个法拉第旋转镜代替普通反射镜。
4.如权利要求3所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法，其特征在于，所述可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪还包括：
差分探测模块，用于对基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊光纤干涉仪进行改进，在干端引入DFB光纤激光器作为参考光源，实现差分探测；
降噪处理模块，用于采用改进的自适应噪声抵消技术，将变步长最小均方算法和B样条小波变换相结合，对干涉仪的噪声进行处理。
5.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～2任意一项所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～2任意一项所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉方法的步骤。
7.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求3所述的可降噪的分布反馈式光纤激光水听器解调干涉仪。
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