CN205808543U - 一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置 - Google Patents

一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置，包括信号产生模块、信号调制解调模块和人机交互模块；所述信号产生模块包括待测光纤水听器、标准水听器和振动台；待测光纤水听器与标准水听器放置于同一个充满液体的刚性密封腔内，且处于同一水平高度；信号调制解调模块包括光源、滤波放大器、光电转换模块、AD采集模块和信号处理模块；信号处理模块产生激励信号并输出至振动台，使之给刚性密封腔施加振动信号；并产生光源调制信号输出至光源，光源发出的光通过光纤输出到待测光纤水听器；标准水听器和待测光纤水听器的输出信号经AD采集模块采集至信号处理模块，比较后得到声压灵敏度。本实用新型能够准确、稳定、可靠地测量光纤水听器声压灵敏度。

Description

一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置
技术领域
本实用新型涉及一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置
背景技术
声波是人类迄今已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式，其它能量辐射形式，如光波和电磁波都不能在海水中远距离传输。在水介质中与电磁波等其它物理场相比，声波具有较小的衰减系数，可以进行远距离传播，因而声波也就成为了水下最佳信息载体。光纤水听器探测的信号为水下目标发出或反射的声波，而水下声场的变化引起水压的变化，光纤水听器通过感应水压的变化拾取水声信号。声压灵敏度是衡量光纤水听器性能的重要指标之一，
因此，有必要设计一种能够准确测量光纤水听器的声压灵敏度的测量装置。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置，结构简单，测量速度快，测量误差小。
本实用新型所采用的技术方案为：
一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置，包括信号产生模块、信号调制解调模块和人机交互模块；
所述信号产生模块包括待测光纤水听器、标准水听器和振动台；
待测光纤水听器与标准水听器放置于同一个刚性密封腔内，且处于同一水平高度；刚性密封腔设置于振动台上；
所述信号调制解调模块包括信号解调板、光源、滤波放大器，其中信号解调板包括光电转换模块、AD采集模块和信号处理模块；
信号处理模块的第一输出端与光源的光源调制信号输入端相连；信号处理模块的第二输出端与振动台的激励信号输入端相连；
信号处理模块产生激励信号并输出至振动台，使之给刚性密封腔施加振动信号，从而给待测光纤水听器和标准水听器产生声压信号；
信号处理模块产生光源调制信号并输出至光源，光源发出的光通过光纤输出到待测光纤水听器；
标准水听器的输出端依次经放大滤波器和AD采集模块与信号处理模块的第一输入端相连；
待测光纤水听器的输出端依次经光电转换模块和AD采集模块与信号处理模块的第二输入端相连，输出干涉信号至信号处理模块；
信号处理模块与人机交互模块相连，人机交互模块用于输入声压灵敏度基准值，即已知的标准水听器的声压灵敏度，并通过比较计算显示待测光纤水听器的声压灵敏度。
所述信号处理模块中设有PGC解调模块；
PGC解调模块有两种结构形式：DCM‐PGC解调模块和Arctangent‐PGC解调模块，具体结构为：
(1)DCM‐PGC解调模块包括一倍频器、二倍频器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一微分器、第二微分器、第一乘法器、第二乘法器、减法器、积分器和高通滤波器；
一倍频器和二倍器的输入端均接入光源调制信号；
第一混频器的两个输入端分别接一倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的两个输入端分别接二倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的输出端依次经第一低通滤波器和第一微分器接第一乘法器的一个输入端；第一乘法器的另一个输入端接第二低通滤波器的输出端；
第二混频器的输出端依次经第二低通滤波器和第二微分器接第二乘法器的一个输入端；第二乘法器的另一个输入端接第一低通滤波器的输出端；
第一乘法器和第二乘法器的输出端分别接减法器的两个输入端；减法器的输出端接积分器的输入端，积分器的输出端接高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端输出解调结果。
(2)Arctangent‐PGC解调模块包括一倍频器、二倍频器、第一混频器、第二混频器、两个低通滤波器、除法器、反正切运算电路和带通滤波器；
一倍频器和二倍频器的输入端均接入光源调制信号；
第一混频器的两个输入端分别接一倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的两个输入端分别接二倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器和第二混频器的输出端各经一个低通滤波器后接除法器器的一个输入端；除法器的输出端依次经反正切运算电路和带通滤波器输出解调结果。
一倍频器和第一混频器用于对干涉信号与光源调制信号进行一倍频混频；
二倍频器和第二混频器用于对干涉信号与光源调制信号进行二倍频混频；
两个低通滤波器分别对第一混频器和第二频混频器的输出信号进行低通滤波处理；
除法器器用于将两个低通滤波器的输出信号相除；
反正切运算电路用于对除法器的输出结果进行反正切运算；
带通滤波器用于对反正切运算的结果进行带通滤波，输出解调结果。
所述信号处理模块中设有比较器，用于比较PGC解调模块解调出的幅值和AD采集模块采集到的滤波放大器输出电压V，得到待测光纤水听器的声压灵敏度。
所述信号处理模块核心为FPGA。
所述信号处理模块与人机交互模块通过千兆以太网相连。
FPGA中设有的PGC解调模块、比较器均采用FPGA中现有的模块实现，本实用新型不涉及算法上的创新。
所述标准水听器为压电水听器。
光纤水听器的声压相位灵敏度可定义为：由声信号引起的光纤水听器的干涉仪两臂的相位差Δφ与在声场中引入水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压p的比值。单位：弧度/帕(rad/Pa)。
M p = Δ φ p ( r a d / P a )
它的物理意义是：探头在声压(单位：帕)的作用下，干涉仪两臂相位差的变化Δφ(单位：弧度)。该定义能确切的反映光纤水听器对水声信号的响应能力，物理意义明确。干涉型光纤水听器声压相位灵敏度级的定义为光纤水听器声压相位灵敏度与其基准值之比值的以10为底的对数乘以20，单位：分贝，基准值：Mr＝1rad/μPa。
M＝20lg(Mp/Mr)(dB)
本实用新型通过振动台在一个充满液体的刚性密封腔内建立一声场，并将标准水听器与光纤水听器处于同一声场环境当中。光纤水听器干涉信号经过光电转换器，并将转换后的信号与通过滤波放大器的标准水听器信号经AD采集至信号处理模块(FPGA)中。通过PGC解调模块，解调还原出施加在光纤水听器上的声压信号。数据传输至人机交互模块，与标准水听器信号比较得出声压灵敏度。本实用新型需要信号产生模块、信号调制解调模块及人机交互模块三个部分协同工作。其工作原理为：在信号产生模块中，利用信号调制解调模块输出振动信号给振动台，在盛水的刚性密封腔中，产生近似柱面波，同时将光纤水听器和标准压电水听器的声中心置于声场中的同一高度，则可以近似认为待测光纤水听器和标准水听器的声场相等。
FPGA芯片拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。光纤水听器干涉信号经过光电转换器，由光信号转换为可被解调的电信号。与标准水听器信号一起由高速AD芯片采集至信号处理模块中。信号处理模块使用PGC解调模块对信号进行解调，解调出光纤水听器探测到的声压信号的频率、幅值与相位，并通过千兆以太网传输至人机交互模块。在人机交互模块中，输入已知的标准水听器的声压灵敏度级为M1，滤波放大器放大倍数级为Mamp；设AD采集模块采集到的滤波放大器输出电压为V，光纤水听器干涉信号经PGC解调模块计算出幅值为计算得到光纤水听器声压灵敏度级为：其中为了防止PGC解调模块运算中出现相位不同步问题，光源调制信号应由FPGA产生并输出至光源。
有益效果：
本实用新型通过振动台在一个充满液体的刚性密封腔内建立一声场，并将标准水听器与光纤水听器处于同一声场环境当中。光纤水听器干涉信号经过光电转换器，并将转换后的信号与通过滤波放大器的标准水听器信号经AD采集至FPGA中。通过PGC解调模块，解调还原出施加在光纤水听器上的声压信号。数据传输至人机交互模块，与标准水听器信号比较得出声压灵敏度。本方法需要信号产生模块、信号调制解调模块及人机交互模块三个部分协同工作。
本实用新型能够有效应用于光纤水听器声压灵敏度的校准测量，结构简单，测量速度快，测量误差小，测量结果准确、稳定、可靠。能够直观地显示出光纤水听器对于声压的探测能力与精度，对于光纤水听器的性能评估与测量具有很大的意义。
本实用新型利用硬件并行的优势，FPGA打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了数字信号处理器(DSP)的运算能力。为高速信号处理提供了更方便的实现途径。FPGA技术提供了灵活性和快速原型的能力，并经常提供有用的IP核(预置功能)来实现高级控制与信号处理。能够为使用者提供更灵活更复杂的算法实现与应用。
附图说明：
图1为本实用新型原理图。
图2为信号产生模块。
图3为信号调制解调模块。
图4为本实用新型一种实施例的DCM‐PGC解调模块。
图5为本实用新型另一种实施例的Arctangent‐PGC解调模块。
具体实施方式：
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步具体说明。
如图1所示，本实用新型公开了一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置，包括信号产生模块、信号调制解调模块和人机交互模块；
所述信号产生模块包括待测光纤水听器、标准水听器和振动台；如图2所示；
待测光纤水听器与标准水听器放置于同一个刚性密封腔内，且处于同一水平高度；刚性密封腔设置于振动台上；
所述信号调制解调模块包括信号解调板、光源、滤波放大器，其中信号解调板包括光电转换模块、AD采集模块和信号处理模块；如图3所示；
信号处理模块产生激励信号并输出至振动台，使之给刚性密封腔施加振动信号，从而给待测光纤水听器和标准水听器产生声压信号；
信号处理模块产生光源调制信号并输出至光源，光源发出的光通过光纤输出到光纤水听器；
标准水听器的输出端依次经放大滤波器和AD采集模块输入至信号处理模块；
待测光纤水听器的输出端依次经光电转换模块和AD采集模块，输出干涉信号至信号处理模块；
信号处理模块与人机交互模块通过千兆以太网相连。
所述信号处理模块中设有PGC解调模块；
PGC解调模块有两种结构形式：DCM‐PGC解调模块和Arctangent‐PGC解调模块，具体结构为：
(1)如图4所示，DCM‐PGC解调模块包括一倍频器、二倍频器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一微分器、第二微分器、第一乘法器、第二乘法器、减法器、积分器和高通滤波器；
一倍频器和二倍器的输入端均接入光源调制信号；
第一混频器的两个输入端分别接一倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的两个输入端分别接二倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的输出端依次经第一低通滤波器和第一微分器接第一乘法器的一个输入端；第一乘法器的另一个输入端接第二低通滤波器的输出端；
第二混频器的输出端依次经第二低通滤波器和第二微分器接第二乘法器的一个输入端；第二乘法器的另一个输入端接第一低通滤波器的输出端；
第一乘法器和第二乘法器的输出端分别接减法器的两个输入端；减法器的输出端接积分器的输入端，积分器的输出端接高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端输出解调结果。
(2)如图5所示，Arctangent‐PGC解调模块包括一倍频器、二倍频器、第一混频器、第二混频器、两个低通滤波器、除法器、反正切运算电路和带通滤波器；
一倍频器和二倍频器的输入端均接入光源调制信号；
第一混频器的两个输入端分别接一倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的两个输入端分别接二倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器和第二混频器的输出端各经一个低通滤波器后接除法器器的一个输入端；除法器的输出端依次经反正切运算电路和带通滤波器输出解调结果。
一倍频器和第一混频器用于对干涉信号与光源调制信号进行一倍频混频；
二倍频器和第二混频器用于对干涉信号与光源调制信号进行二倍频混频；
两个低通滤波器分别对第一混频器和第二混频器的输出信号进行低通滤波处理；
除法器器用于将两个低通滤波器的输出信号相除；
反正切运算电路用于对除法器的输出结果进行反正切运算；
带通滤波器用于对反正切运算的结果进行带通滤波，输出解调结果。
所述信号处理模块中设有比较器，用于比较PGC解调模块解调出的幅值和AD采集模块采集到的滤波放大器输出电压V，得到光纤水听器的声压灵敏度。所述标准水听器为压电水听器。
光纤水听器的声压灵敏度测量方法为：
1、将标准水听器及光纤水听器一同放置在刚性密封腔内，并确保两探测器处于同一水平高度。
2、通过信号调制解调模块给光源输出频率稳定的调制正弦波信号，并给振动台施加不同频率、不同幅度的激励信号。
3、信号经由信号产生模块采集至信号调制解调模块进行PGC解调，并将解调结果通过千兆以太网传输至人机交互模块。
4、在人机交互模块输入已知的标准水听器的声压灵敏度级为M1，滤波放大器放大倍数级为Mamp；与信号处理模块输出的解调结果和标准水听器电压值进行比较运算，最后显示光纤水听器的声压灵敏度级。

Claims (7)

1.一种光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，包括信号产生模块、信号调制解调模块和人机交互模块；
所述信号产生模块包括待测光纤水听器、标准水听器和振动台；
待测光纤水听器与标准水听器放置于同一个充满液体的刚性密封腔内，且处于同一水平高度；刚性密封腔设置于振动台上；
所述信号调制解调模块包括光源、滤波放大器、光电转换模块、AD采集模块和信号处理模块；
信号处理模块的第一输出端与光源的光源调制信号输入端相连，光源发出的光通过光纤输出到待测光纤水听器；信号处理模块的第二输出端与振动台的激励信号输入端相连；
标准水听器的输出端依次经放大滤波器和AD采集模块与信号处理模块的第一输入端相连；
待测光纤水听器的输出端依次经光电转换模块和AD采集模块与信号处理模块的第二输入端相连，输出干涉信号至信号处理模块；
信号处理模块与人机交互模块相连。
2.根据权利要求1所述的光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块中设有DCM‐PGC解调模块；DCM‐PGC解调模块包括第一一倍频器、第一二倍频器、第一混频器、第二混频器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一微分器、第二微分器、第一乘法器、第二乘法器、减法器、积分器和高通滤波器；
一倍频器和二倍器的输入端均接入光源调制信号；
第一混频器的两个输入端分别接一倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的两个输入端分别接二倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的输出端依次经第一低通滤波器和第一微分器接第一乘法器的一个输入端；第一乘法器的另一个输入端接第二低通滤波器的输出端；
第二混频器的输出端依次经第二低通滤波器和第二微分器接第二乘法器的一个输入端；第二乘法器的另一个输入端接第一低通滤波器的输出端；
第一乘法器和第二乘法器的输出端分别接减法器的两个输入端；减法器的输出端接积分器的输入端，积分器的输出端接高通滤波器的输入端，高通滤波器的输出端输出解调结果。
3.根据权利要求1所述的光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块中设有Arctangent‐PGC解调模块；Arctangent‐PGC解调模块包括一倍频器、二倍频器、第一混频器、第二混频器、两个低通滤波器、除法器、反正切运算电路和带通滤波器；
一倍频器和二倍频器的输入端均接入光源调制信号；
第一混频器的两个输入端分别接一倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器的两个输入端分别接二倍频器的输出端和干涉信号；
第一混频器和第二混频器的输出端各经一个低通滤波器后接除法器的一个输入端；除法器的输出端依次经反正切运算电路和带通滤波器输出解调结果。
4.根据权利要求2或3所述的光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块中设有比较器，用于比较PGC解调模块解调出的幅值和AD采集模块采集到的滤波放大器输出电压V，得到待测光纤水听器的声压灵敏度。
5.根据权利要求2或3所述的光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块以为FPGA核心。
6.根据权利要求2或3所述的光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，所述标准水听器为压电水听器。
7.根据权利要求2或3所述的光纤水听器的声压灵敏度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块与人机交互模块通过千兆以太网相连。
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