一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法技术

本发明专利技术属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，该方法相对于传统通过精确控制相位载波调制深度C值进而减小信号检测中谐波失真影响的方法，能够在不引入复杂的反馈控制系统的前提下，解决C值在较大范围内变化时信号检测发生谐波失真的问题。采用该方法时，在较大的静水压力变化条件下仍然能够实现光纤水听器的低失真信号检测，同时，光纤水听器系统的复杂度不会增加，光纤水听器阵列更容易实现大规模复用，这为光纤水听器在深海环境中的应用打下坚实基础。实基础。实基础。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法


[0001]本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法。

技术介绍

[0002]光纤水听器一直以来被国内外军事和民用研究机构所重视，许多机构都投入了大量的人力物力来对其进行研究。在光纤水听器的众多研究方向中，高稳定、低失真的光纤水听器信号检测技术研究是最为重要的研究方向，其对于在复杂多变的环境中有效地提取声信号具有重要的工程实践意义。
[0003]相位载波调制解调技术(phase generated carrier，PGC)是一种在光纤水听器中常用的信号检测技术，其具有光学结构简单、易于复用、适用于远程大规模系统等优点，被国内外广泛应用。在PGC信号检测技术中，为实现湿端无源，需要对激光器进行光频调制并结合非等臂干涉仪才能产生相位载波，这将在两个方面导致信号检测失真：一是激光器光频调制受温度和振动影响难以保持稳定，导致相位载波的调制深度容易从预设值处发生偏移，从而导致信号检测发生失真；二是光纤水听器受到静水压影响，干涉仪臂差将随着水深变化而发生显著变化，从而导致相位载波的调制深度产生显著改变，最终导致信号检测失真。特别是将光纤水听器应用于深海环境下，数十兆帕斯卡量级的静水压将使干涉仪臂差产生米量级的变化，相位载波的调制深度变化甚至可达到100％以上，此时，运用传统的PGC信号检测方法进行信号检测将产生严重的谐波失真，导致信号检测完全失效。
[0004]近些年来，已有一些研究者针对相位载波调制深度不稳定导致信号检测失真问题提出了一些解决方法，这些解决方法的主要思路集中在对相位载波的调制深度进行反馈控制，进而实现稳定、无失真的信号检测：文献1(Phase Modulation Depth Evaluation and Correction Technique for the PGC Demodulation Scheme in Fiber
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Optic Interferometric Sensors，Anton V.Volkov等人，IEEE SENSORS JOURNAL，2017年17期13卷)提出采用一至四次载波与干涉信号进行混频并低通滤波后对相位载波调制深度C值进行测算，并使用PI反馈控制系统将C值稳定控制在2.63值处，实现了稳定的信号检测；文献2(Demonstration of multi
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channel fiber optic interrogator based on time
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division locking technique in subway intrusion detection,WENZHU HUANG等人，Optics Express，2020年28卷8期)采用粗精反馈控制对32路空分复用的光纤水听器阵列中各基元水听器的相位载波调制深度C进行了快速精确控制，实现了光纤水听器阵列各基元的稳定信号检测。虽然上述文献通过反馈控制方法均实现了对相位载波调制深度C的稳定控制，但反馈控制系统增加了光纤水听器系统的整体复杂度，不利于光纤水听器系统基元数的大规模拓展，同时，这些方法也没有考虑相位载波调制深度C值在深海环境下发生大幅度变化时能否依旧实现稳定控制的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，其相对于传统通过精确控制相位载波调制深度C值进而减小信号检测中谐波失真影响的方法，能够在不引入复杂的反馈控制系统的前提下，解决C值在较大范围内变化时信号检测发生谐波失真的问题。采用该方法时，在较大的静水压力变化条件下仍然能够实现光纤水听器的低失真信号检测，同时，光纤水听器系统的复杂度不会增加，光纤水听器阵列更容易实现大规模复用，这为光纤水听器在深海环境中的应用打下坚实基础。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0007]一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，包括以下步骤：
[0008]S1：通过PGC方法在光纤水听器输出光干涉信号中产生调制频率为f0、调制深度C的相位调制载波；
[0009]S2：使用光电探测器探测光纤水听器输出光干涉信号，将光干涉信号转换为电干涉信号V；
[0010]S3：使用载波相位延时测定方法测定电干涉信号的载波相位延时
[0011]S4：使用一对本地参考信号
[0012][0013]分别与电干涉信号相乘，得到一对混频信号m1、m2，其中m1为使用参考信号v1与电干涉信号相乘所得混频信号，m2为使用参考信号v2与电干涉信号相乘所得混频信号；
[0014]S5：对混频信号m1、m2分别使用低通滤波器进行低通滤波，得到滤波后的混频信号s1、s2；
[0015]S6：使用滤波后的混频信号s1、s2，进行v
s
＝arctan(s1/s2)运算再进行高通滤波即可检测出施加在光纤水听器上的外界声信号。
[0016]优选地，S1中，PGC方法包括采用激光器频率调制结合非等臂干涉仪产生相位载波或在干涉仪一臂内加入相位调制器产生相位载波。
[0017]优选地，S3中，载波相位延时测定方法包括以下步骤：
[0018]S3.1：使用一对用来提取载波相位延时的本地参考信号
[0019][0020]分别与电干涉信号相乘，得到一对混频信号p1、p2，其中p1为使用参考信号d1与电干涉信号相乘所得混频信号，p2为使用参考信号d2与电干涉信号相乘所得混频信号；
[0021]S3.2：对混频信号p1、p2分别使用低通滤波器进行低通滤波，得到滤波后的混频信号g1、g2；
[0022]S3.3：使用滤波后的混频信号g1、g2，进行运算，再将在时间上取平均值即可计算出载波相位时延
[0023]优选地，S4中，一对本地参考信号的三个线性系数a2、a3、a4，按如下矩阵公式计算：
[0024][0025]式中，J
k
(C),k＝2,3,4为k阶第一类贝塞尔函数在C处的取值,J
′
k
(C)为J
k
(C)的一阶导数，J
″
k
(C)为J
k
(C)的二阶导数。
[0026]优选地，取调制深度C为4，可根据(3)式计算出本地参考信号线性系数a2＝2.388,a3＝
‑
3.7942,a4＝
‑
2.4778。此时，可得所述一对本地参考信号为
[0027][0028]优选地，按照公式(4)所示的一对本地参考信号按照检测步骤进行信号检测，可实现所述调制深度C在2.25
‑
5.45范围内任意变化的低失真稳定信号检测，亦即所述调制深度C在任意海深条件下发生显著变化时，仍然能够实现低失真稳定信号检测。
[0029]本专利技术可以达到以下技术效果：
[0030](1)本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：通过PGC方法在光纤水听器输出光干涉信号中产生调制频率为f0、调制深度C的相位调制载波；S2：使用光电探测器探测光纤水听器输出光干涉信号，将光干涉信号转换为电干涉信号V；S3：使用载波相位延时测定方法测定电干涉信号的载波相位延时S4：使用一对本地参考信号分别与电干涉信号相乘，得到一对混频信号m1、m2，其中m1为使用参考信号v1与电干涉信号相乘所得混频信号，m2为使用参考信号v2与电干涉信号相乘所得混频信号；S5：对混频信号m1、m2分别使用低通滤波器进行低通滤波，得到滤波后的混频信号s1、s2；S6：使用滤波后的混频信号s1、s2，进行v
s
＝arctan(s1/s2)运算再进行高通滤波即可检测出施加在光纤水听器上的外界声信号。2.一种根据权利要求1所述光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，其特征在于：S1中，PGC方法包括采用激光器频率调制结合非等臂干涉仪产生相位载波。3.一种根据权利要求1所述光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，其特征在于：S1中，PGC方法还包括在干涉仪一臂内加入相位调制器产生相位载波。4.一种根据权利要求1所述光纤水听器全海深高稳定光电信号检测方法，其特征在于：S3中，载波相位延时测定方法包括以下步骤：S3.1：使用一对用来提取载波相位延时的本地参考信号分别与电干涉信号相乘，得到一对混频信号p1、p2，其中p1为使用参考信号d1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建飞，张一弛，孟洲，陈默，胡晓阳，路阳，陈伟，陈羽，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：