水面聲光耦合光纖水聽器的抗波浪解調方法

水面聲光耦合光纖水聽器的抗波浪解調方法

李棟，周金海，瞿柯林，祝艷宏，金曉峰*

(浙江大學 信息與電子工程學系，杭州 310027)

摘要：為了減弱基于水面聲光耦合的光纖水聽器水面波動對解調信號造成的幅度衰落，采用了利用檢測信號臂光強度信息補償解調信號幅度的方法。從理論上推導了該方法修正解調信號的過程，并對該過程進行了數值仿真，同時實際搭建光纖水聽器探測系統，利用π/2相位解調法對水面恒定振動信號進行了實驗驗證。結果表明，相比原始解調信號，修正后的信號幅度基本穩定，幅度值整體提高5dB，解調信號失真度減小，相位噪聲得到抑制，信噪比得到提高，可辨認信號時間長度擴展為原來的3.5倍。該方案能有效克服由水面波動引起的解調信號衰落現象，信號質量得到優化，系統抗波浪解調能力得到提高。

關鍵詞：光纖光學；光纖水聽器；水聲測量；抗波浪解調；π/2相位解調法

*通訊聯系人。E-mail:jinxf00@zju.edu.cn

引言

20世紀70年代，伴隨著光纖通信技術的發展，光纖傳感技術以其獨特的優越性，迅速發展成為一種新型的傳感技術，而光纖水聽器作為光纖傳感器的一個典型研究領域，更是受到了研究者的青睞[1-2]，其在資源勘探、海洋環境測量以及軍事潛艇等領域都有廣泛的應用[3-4]。目前研究的重點之一是水聲測量，其關鍵技術是盡可能無失真地檢測水下振動信號[5]。

傳統的光纖水聽器需要依靠浸入水中的傳感頭將聲波信號轉化為光信號，但因此也限制了光纖水聽器在大范圍海底表面遙感以及復雜海底情況下的使用[6-8]。為了提高光纖水聽器的靈活性和機動性，美國海軍水下作戰中心BLACKMON等人提出了基于水面聲光耦合技術的光纖水聽器，并利用激光多普勒原理進行水下聲波的檢測[9]。然而，在水面波動時，解調信號會出現衰落甚至消隱現象，這對探測結果造成了很大影響。為此，BLACKMON等人又提出了增大激光束直徑和接收端面積的方法，并且采用基于激光的反射跟蹤系統來減弱信號衰落，但是在水面較大波動情況下仍然無法實時跟蹤反射光，而且該跟蹤系統的引入會給原有檢測系統帶來額外噪聲，還會產生一個系統固有的調制頻率和附加的多普勒頻移[10]。

針對上述情況，作者在本文中探究了信號臂光強度和解調信號幅度之間的關系，繼而提出了一種通過實時測量信號臂光強度信息來補償解調信號幅度的方案。

1水面聲光耦合光纖水聽器π/2相位解調法基本原理

水面聲光耦合的光纖水聽器π/2相位解調法是近年來提出的一種新型零差解調方法[11]，圖1是系統的結構圖。

Fig.1Structure diagram of the π/2 phase demodulation method for fiber hydrophone based on the acousto-optic coupling on the water surface,C1—1×2 coupler; C2—2×2 coupler; PM—phase modulator; FD—frequency divider; SG—signal generator; PD— photodetector; DAQ—device-data acquisition device

參考臂和信號臂光信號在分光比為50∶50的2×2耦合器中發生干涉效應，再經過光電轉換，得到的電壓信號形式為:

式中，fs(t)為需要檢測的水聲振動信號，ps(t)為光相位調制器的相位調制方波信號，φ(t)為總相位噪聲，A1為干涉輸出直流分量大小，A2為:

式中，k為光電探測器的電壓光譜響應度，I為激光器的輸出光強，P1為C1耦合器分信號臂光功率百分比，L1和L2分別為參考臂和信號臂的光功率衰減系數。

將兩路電信號送入數據采集器中進行模數轉換，并將(1)式和(2)式兩式相減，得到的數據中奇數點和偶數點分別取出，即為兩路正交信號，為了使兩路信號對應點在時間上保持一致，對其中一路信號相鄰兩點取平均值做近似處理，最后采用微分交叉相乘法(differentiate and cross multiply,DCM)，將所需的信號fs(t)解調出來，解調結果形式如下：

2信號幅度補償原理

將上述解調系統用于實際檢測，設定水下振動信號恒定不變，當水面波動時，解調信號會出現幅度衰落、甚至消隱，這將嚴重影響解調信號的質量，干擾了對解調信號的判斷，給后期的數據分析造成了極大的困難。

造成信號衰落的主要原因是，光纖準直器位于水面上方，且其出射激光方向垂直向下并保持不變。水面波動時，反射光不能原路返回，準直器接收到水面反射光功率不斷變化，可以反映在信號臂衰減系數L2的變化上。由(3)式和(4)式兩式可知，L2的變化引起A2的變化，最終使得解調信號產生幅度失真。

如果在原有信號臂上分出一部分光，并進行光電探測，就得到信號臂的光強度信息，可以根據這一路信號的大小來補償解調信號幅度的衰落，稱這一光路為檢測臂。

設信號臂耦合器分檢測臂光功率百分比為P2，那么經過光電探測后輸出檢測臂光強信號為:

而兩路干涉信號經過光電探測后形式仍為(1)式和(2)式，但是A1和A2被B1和B2代替，其中，B1為干涉輸出直流分量大小，B2為:

那么重復上述解調過程，得到的解調結果形式仍然如(4)式所示，其中的A2也相應地被B2代替。將(6)式代入解調信號中:

(7)式除以(5)式，得到:

這時，水面波動情況下解調信號中的變量L2被消掉了，由于剩下的參量可以認為是基本恒定不變的，因此就得到了無失真的解調信號。

Fig.2Resultsofnumericalsimulation(samplingrate: 200kHz;signalfrequency: 3.6kHz)

a—originalsignalandoutputofPD3(PD3:photodetectorofthedetectionarm)b—amendedsignalc—spectrumoforiginalsignald—spectrumofamendedsignal

3數值仿真

下面對恒定振幅的單頻水下信號進行數值仿真。水面波動較劇烈時，在很長一段時間內準直器接收不到或者只接收到極少量的水面反射光，這段時間解調信號會淹沒在系統的基底噪聲中，信噪比很差。由于修正過程會將噪聲同步放大，為了使修正結果獲得更高的信噪比，需要選取一段有效時間。現定義最小信號幅度系數為實際可以接收的最小信號幅度與一固定信號幅度的比值，這個固定的信號幅度就是解調信號補償之后最終得到的穩定幅度，同時將解調信號幅度大于最小可接收信號幅度的這段時間稱為修正信號的有效時間。根據(5)式和(7)式可知，原始解調信號幅度和檢測臂信號幅度是成正比的，為了方便信號處理，現將檢測臂信號歸一化，其中的歸一化電壓值對應解調信號修正后的穩定幅度。下面對水面波動較大情況下的修正過程進行仿真。

仿真中設采樣率為200kHz，水下振動信號頻率為3.6kHz，選取最小信號幅度系數為0.04，在有效時間段內得到圖2的仿真結果。時域上，由于水面波動造成解調信號幅度出現衰落，補償之后的信號幅度在有效時間內基本保持恒定;頻域上，修正后解調信號幅度整體比原始信號高5dB，而且信號帶寬有所減小，信號頻率更加集中，說明修正后信號的相位噪聲得到抑制，信噪比得到提高。

4實驗驗證

下面搭建采用抗波浪解調方案的光纖水聽器π/2相位解調系統，系統結構如圖3所示。和圖1相比，信號臂上多了一個1×2耦合器，將準直器移至水面之上，并調節其出射的激光方向垂直向下，同時壓電換能器產生3.6kHz恒定振幅的水下振動信號。信號發生器輸出200kHz的方波觸發采樣，并通過分頻器驅動光相位調制器。將3路光電探測器輸出的電信號送入數據采集器中，并對采集到的數據進行解調處理。

Fig.3Structurediagramofanti-wavedemodulationexperiment(C3:1×2coupler)

取水面波動較劇烈時刻采集到的實驗數據，并選取最小信號幅度系數為0.04的一段有效時間進行分析，如圖4所示。

Fig.4Experimentalresults(samplingrate: 200kHz;signalfrequency: 3.6kHz)

a—originalsignalandoutputofPD3(PD3:photodetectorofthedetectionarm)b—amendedsignalc—spectrumoforiginalsignald—spectrumofamendedsignal

圖4a中原始解調信號中間時刻的幅值較大，兩端幅值較小，信號衰落現象嚴重，并且和檢測臂信號變化情況相同。圖4b是采用抗波浪解調方法對原始解調信號進行幅度補償得到的時域結果，可以看出，修正后信號幅度較原始信號有了很明顯改觀，在有效時間段內基本保持穩定。圖4c、圖4d兩圖所示的是頻域結果，對比幅度補償前后，補償后信號幅度比之前整體提高5dB，而且由于幅度的不穩定造成的3.6kHz單頻信號出現頻帶展寬等現象，也得到了很好的改善，信號頻率更加純凈。

另外，通過計算得到如下數據，原始解調信號的3dB帶寬為80Hz，修正后為25Hz，相位噪聲得到很好的抑制；原始解調信號和水下振動信號的互相關系數為0.6689，修正后為0.7237；如果設幅度減小到無失真信號的1/2為幅度失真下限，幅度大于這一下限的時間為可辨認信號時間，那么原始解調信號的可辨認信號時間長度為0.005s,而修正后可辨認信號時間長度為0.0175s，擴展為原來的3.5倍。

雖然修正后解調信號幅度較原始信號有了很大改觀，但是仍然存在一定程度的幅度波動，其主要原因有以下幾點：(1)由于實驗室水池有限，水面回波會對水面振動產生干擾；(2)在(8)式的修正結果中，所示的k,I,P1,P2,L1等參量在上述分析中都認為是恒定不變的，而實際上，因為環境影響、器件本身都會造成這些參量的不穩定；另外，數據采集、解調過程和修正處理過程均會存在一定的誤差。

以上分析的是水面波動比較劇烈的情況，這種情況相對復雜，對于水面波動較弱的情況，在所有時間段內均可以進行幅度補償，修正過程和上述過程類似，在此不做詳細闡述。

5結論

由于水面波動對解調信號造成的衰落現象和信號臂光功率變化密切相關，因此通過實時檢測信號臂光強度信息，并據此對解調信號進行幅度補償在理論上是可行的。而實驗結果與理論分析和數值仿真結果是一致的，表明該方案不僅能夠改善水面波動對解調信號造成的影響，還能在一定程度上減弱解調信號相位噪聲，擴大可辨認信號的時間范圍、提高信號質量、增大系統動態范圍，是一種簡便有效的方案。

參考文獻

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Anti-wave demodulation method for acousto-optic coupling

fiber hydrophones on the water surface

LIDong,ZHOUJinhai,QUKelin,ZHUYanhong,JINXiaofeng

(Department of Information & Electronics Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract：A novel method was put forward to weaken the signal fading phenomenon of an acousto-optic coupling fiber optic hydrophone on the water surface when the water fluctuates. The method compensated the signal amplitude by detecting the light intensity of the signal arm. The amendment process of demodulation signal was analysed in theory and bynumerical simulation. A fiber optic hydrophone system based on π/2 phase demodulation technique was constructed to test the water constant vibration signal. The results show that, compared with the original demodulation signal, the amplitude of the amended signal is stabilized and increased by 5dB wholly. The distortion degree is reduced, the phase noise is suppressed, the signal to noise ratio is improved and the time range of the identifiable signal is extended to 3.5 times. This method can overcome the signal fading phenomenon caused by surface fluctuation effectively, optimize the signal quality and enhance the ability of anti-wave demodulation for the system.

Key words:fiber optics; fiber optic hydrophone;underwater acoustic measurement; anti-wave demodulation; π/2 phase demodulation method

收稿日期：2014-03-31；收到修改稿日期：2014-04-02

作者簡介：李棟(1987-)，男，碩士研究生，主要從事光纖水聲傳感技術的研究。

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH34B03)

中圖分類號：TP212.9

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.001

文章編號：1001-3806(2015)01-0001-05