基于正交频分复用的光纤水听器阵列高频率响应探测方法技术

一种基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法，通过将水听器阵列的探测光调制为多个具有相互正交的载波的探测光脉冲，使用相干接收法采集光纤水听器阵列对于正交探测光脉冲的响应信号，通过对其离散形式采用匹配滤波，从而分类出不同载波的探测光脉冲对应的响应信号，最后通过正交解调得到返回光的相位，实现对声信号的高采样率探测；本发明专利技术通过多个相互正交的探测光脉冲和相干接收响应的方式实现传感，运用简单的解调算法，实现密集的频分复用，并提高对于水听器阵列的探测频率。

【技术实现步骤摘要】
基于正交频分复用的光纤水听器阵列高频率响应探测方法
本专利技术涉及的是一种水下声信号传感领域的技术，具体是一种基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法。
技术介绍
为了实现对于水下目标的定位，需要对水听器做大规模复用。随着复用规模的增大，光纤水听器系统会受到探测光在光纤中行返时间的限制，表现出频率响应不足的问题。对于复用规模达到50km的光纤水听器系统，目前技术仅能实现1kHz的频率响应，无法满足声信号传感的需求。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于正交频分复用的光纤水听器阵列高频率响应探测方法，通过多个相互正交的探测光脉冲和相干接收响应的方式实现传感，运用简单的解调算法，实现密集的频分复用，并提高对于水听器阵列的探测频率。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种基于正交频分复用的光纤水听器阵列高频率响应探测方法，通过将水听器阵列的探测光调制为多个具有相互正交的载波的探测光脉冲，使用相干接收法采集光纤水听器阵列对于正交探测光脉冲的响应信号，通过对其采样信号作匹配滤波，分类出不同载波的探测光脉冲对应的响应信号，最后通过正交解调得到返回光的相位，实现对声信号的高采样率探测。本专利技术涉及一种实现上述方法的光纤水听器系统，包括：光源模块、光调制模块、光纤水听器模块、相干接收模块与信号检测模块，其中：光源模块分别向光调制模块和相干接收模块输出窄线宽激光作为种子光和本地光，光调制模块根据种子光生成探测光脉冲并输出至光纤水听器模块，光纤水听器模块收到探测光脉冲并将反射光信号输出至相干接收模块，相干接收模块将反射光信号和本地光进行干涉处理后转换为数字信号并输出至信号检测模块，信号检测模块通过匹配滤波和解调得到反射光信号的相应相位并实现对声信号的高采样率探测。所述的光源模块包括：窄线宽激光器和第一光纤耦合器，其中：窄线宽激光器与第一光纤耦合器相连，第一光纤耦合器将光源分发给光调制模块与相干接收模块。所述的光调制模块包括：声光调制器、电信号发生器和射频放大器，其中：电信号发生器将产生的载波电信号送入射频放大器，射频放大器放大电信号功率后驱动声光调制器。所述的光纤水听器模块包括：光纤环行器和光纤水听器阵列，其中：光纤环形器将接收的来自光调制模块传输的探测光脉冲传输至水听器阵列，水听器阵列周期性地反射探测光脉冲并经光纤环形器传输至相干接收模块。所述的相干接收模块包括：第二光纤耦合器和平衡光电探测器，其中：第二光纤耦合器将接收来自光纤环形器传输的信号光和来自第一光纤耦合器传输的本地光进行干涉，干涉信号经平衡光电探测器转换为电流信号。所述的检测模块包括：信号采集器和数据处理器，其中：信号采集器采集电流信号并传输至数据处理器进行匹配滤波和正交解调，得到反射光信号的相应相位并实现对声信号的高采样率探测。技术效果本专利技术整体解决了现有光纤水听器系统在探测大规模水听器阵列时，因为受到探测光脉冲在光纤中行反时间的限制，导致的系统对于光纤的探测频率较低的问题。与现有技术相比，本专利技术以相干探测为基础的探测系统结构，辅以以正交频分复用调制为基础的调制与解调，能够显著提升长距离光纤水听器阵列的探测频率。附图说明图1为实施例测量系统示意图；图2为本实施例的接收信号示意图；图3为实施例解调信号的噪声等级效果示意图；图中：窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2及其第一端口a、第二端口b、第三端口c、电信号发生器3、射频放大器4、声光调制器5、光线环行器6及其第一端口a、第二端口b、第三端口c、光纤水听器阵列7、第二光纤耦合器8及其第一端口a、第二端口b、第三端口c、第四端口d、平衡光电探测器9、信号采集器10、数据处理器11。具体实施方式如图1所示，为本实施例涉及一种基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测系统，包括：窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、探测光脉冲发生机构、光线环行器6、光纤水听器阵列7、第二光纤耦合器8和信号解调机构，其中：窄线宽激光器1与第一光纤耦合器2的a端口连接，第一光纤耦合器2的b端口与探测光脉冲发生机构相连，第一光纤耦合器2的c端口与第二光纤耦合器8的b端口连接，探测光脉冲发生机构与光纤环行器6的a端口相连，光纤环行器6的b端口与光纤水听器阵列7相连，光纤环行器6的c端口与第二光纤耦合器8的a端口相连，第二光纤耦合器8的第三端口c和第四端口d均与信号解调机构相连。所述的光纤水听器阵列7，具体按以下方式进行布置：将反射率为-40dB的反射点(或等效结构，如光纤光栅或耦合器-反射镜组合等)用单模光纤以20m为间隔连接形成的50km长的阵列。所述的窄线宽激光器1将产生的功率恒定的激光并由第一光纤耦合器按照50：50的比例分配给声光调制器5和第二耦合器8的b端口。所述的探测光脉冲发生机构包括：依次相连的电信号发生器3、射频放大器4与声光调制器5，其中：电信号发生器3产生的电信号为正交射频脉冲，频率分别为181.25MHz、187.5MHz、193.75MHz和200MHz，脉冲宽度为100ns，这些信号被射频放大器4放大后用于驱动声光调制器5，声光调制器将连续光调制为具有正交载波的脉冲探测光，该探测光经过光纤环行器6传输至光纤水听器阵列7。所述的信号解调机构包括：依次相连的光电探测器9、信号采集模块10和数据处理模块11，当探测光在光纤水听器阵列7中传输时，会周期性地产生反射信号，反射信号经过光纤环行器6传输至第二光纤耦合器8中并与本地光进行干涉，干涉信号被光电探测器9转换为电流信号，信号采集模块10对采集到的电流信号离散化并经数据处理模块11处理。本实施例涉及一种基于系统的光纤水听器探测方法，通过信号采集模块10采集一次水听器阵列反射信号与本地光干涉所产生的电信号，数据处理模块11对该电信号做匹配滤波，并在匹配滤波后做正交解调实现对声信号的高采样率探测。所述的与本地光干涉所产生的电信号{U(n)；n＝1,...,N}以n为变量，表示该过程经信号采集模块11之后生成的离散信号，其连续时域表示为：其中：U(t)中的t表示时间，rect(t)为方波脉冲函数，脉冲宽度为tw；ts为光在两个水听器基元之间往返的时间且大于tw，tr为略长于光在水听器阵列中行反时间，声光调制器的调制频率为所述的匹配滤波算法为I(t)＝∑U(t)×rect(t-ntw-itr)cos(ωit)以及Q(t)＝∑U(t)×rect(t-ntw-itr)sin(ωit)。所述的正交解调算法为与现有技术相比，本方法实现密集的频分复用，可以将系统对于水听器阵列的探测频率提升16倍，实现更高的频率响应；频谱利用率更高，可以实现更多路载波的复用；相比已有的压缩感知提升频率响应的方法，该方法可以实现对于信号的高精度线性解调，不会损失系统的其他性能。经过具体测试，本方法的频谱利用率为：其中：n为复用载波数量。通过上述解调方法对水听器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法，其特征在于，通过将水听器阵列的探测光调制为多个具有相互正交的载波的探测光脉冲，使用相干接收法采集光纤水听器阵列对于正交探测光脉冲的响应信号，通过对其离散形式采用匹配滤波，从而分类出不同载波的探测光脉冲对应的响应信号，最后通过正交解调得到返回光的相位，实现对声信号的高采样率探测；/n所述的正交探测光脉冲为：使用声光移频器调制得到的具有不同载波的脉冲E

【技术特征摘要】
1.一种基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法，其特征在于，通过将水听器阵列的探测光调制为多个具有相互正交的载波的探测光脉冲，使用相干接收法采集光纤水听器阵列对于正交探测光脉冲的响应信号，通过对其离散形式采用匹配滤波，从而分类出不同载波的探测光脉冲对应的响应信号，最后通过正交解调得到返回光的相位，实现对声信号的高采样率探测；
所述的正交探测光脉冲为：使用声光移频器调制得到的具有不同载波的脉冲Ei(t)＝rect(t)cos[(ωc+ωi)t]，其中：下标i为用于区分不同载波脉冲的任意整数；rect(t)为方波脉冲函数，脉冲宽度为tw；声光移频器的调制频率为ωc代表探测光频率。


2.根据权利要求1所述的基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法，其特征是，所述的光纤水听器阵列，具体按以下方式进行布置：将反射率为-40dB的反射点用单模光纤以20m为间隔连接形成的50km长的阵列。


3.根据权利要求1所述的基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法，其特征是，所述的相干接收法是指：采集一次水听器阵列反射信号与本地光干涉所产生的电信号，经匹配滤波后做正交解调实现对声信号的高采样率探测。


4.根据权利要求3所述的基于正交频分复用的高频率响应光纤水听器阵列探测方法，其特征是，所述的与本地光干涉所产生的电信号{U(n)；n＝1,...,N}以n为变量，表示该过程经采集后生成的离散信号，其连续时域表示为：其中：U(t)中的t表示时间，rect(t)为方波脉冲函数，脉冲宽度为tw；ts为光在两个水听器基元之间往返的时间且大于tw，tr为略长于光在水听器阵列中行反时间，声光调制器的调制频率为
所述的匹配滤波算法为I(t)＝∑U(t)×rect(t-ntw-itr)cos(ωit)以及Q(t)＝∑U(t)×rect(t-ntw-itr)sin(ωit)；
所述的正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊昕昱，何祖源，吴梦实，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31