法布里-珀罗干涉型光纤水听器中的相位载波解调方法

专利名称：法布里-珀罗干涉型光纤水听器中的相位载波解调方法
技术领域：
发明涉及的是一种法布里-珀罗干涉型光纤水听器的系统输出检测方法，具 体地说是在法布里-珀罗干涉型光纤水听器中采用本发明方法能够实现相位载波 解调技术的运用。
(二)
背景技术：
光纤水听器灵敏度高、体小质轻、不受电磁干扰；矢量水听器有良好的低声 频和次声频性能，本身不产生明显的声场畸变，可以视为点接收器，因此它的指 向性好，性能参数稳定，可以用于精确测量或长时间测量。将两者优点相结合， 将对水声探测技术的未来发展将产生重要的影响。当前重点是研制拖曳线列阵声 纳中的光纤矢量水听器单元，利用高灵敏度和低噪声的光纤声压水听器和光纤加 速度传感器是可以实现的。这不但可以从根本上解决左右舷目标分辨的问题，而 且会提高拖线列阵的空间增益，有利于探测远程微弱目标，因此光纤水听器将成 为未来海洋技术中最理想的声信号接收器件之一。
在F-P干涉型光纤水听器方案中，因多光束干涉，相位灵敏度更高。由于信 号传感传输都在一根光纤上完成，光路结构简单，不存在偏振干扰等双光路固有
缺点。但也由于多光束干涉，成熟的PGC检测技术无法直接用于F-P干涉。
(三)

发明内容
本发明的目的在于提供一种在法布里-珀罗干涉型光纤水听器的位相检测技
术中能够应用PGC调制与解调技术的法布里-珀罗干涉型光纤水听器中的相位载 波解调方法。
本发明的目的是这样实现的
入射光按光强比l: 4分成两束， 一路直接光电检测的光强为/。，另一路经
级联的3dB耦合器射入光纤F-P腔，形成多光束干涉后，测出反射光强4 ，使/。、
4通过减法器、除法器硬件或软件算法实现系统输出为丄=~^,接下来进行PGC解调，得到位相输出。 或者是入射光经3dB耦合器以光强/。射入光纤F-P腔干涉，携带被测信号的透射 光^经光电转换，通过除法器硬件或计算机软件算法后变换为透射率的倒数输出* = ^，接下来进行PGC解调，得到位相输出。本发明在原有双光路PGC检测技术的基础上，提出了一种在F-P干涉型光 纤水听器中能够运用PGC解调技术的方法。拓展了传统PGC技术的应用范围。 1、 F-P干涉输出光强的数学表达形式如图l，入射光通过3dB耦合器射入精细度为F的光纤F-P腔，令待测位相 为p， F-P腔的反射光强为^，反射系数为i ，则4 = 7。. ^ = 7。l1 + Fsin'V^乂(1 )2、 PGC技术在干涉型光纤水听器的信号检测处理技术中，普遍采用PGC的处理方法， 可以采用软件算法实现，算法稳定可靠且便于数字化集成。如图2，设光源或PZT 产生的相位调制频率为A.,典型的双光束干涉的输出信号为/ = J + Bcos[Ccos(w力+ H (2)经过贝塞尔函数展开、混频、低通滤波、求导交叉相乘相减、积分、高通滤 波等环节，得到待测信号p的线性输出。由于F-P是多光束干涉，输出光强(l)式不满足典型的双光束干涉的数学表达形式——(2)式，因而成熟的PGC技术 无法采用。令相位调制频率^， F-p腔透射率r二^Ll^二i —a，由式(O变换可得々1 尸y = 1 + 了 - j cos[C cos(co力+ p](3)可见，如果测出丄，令^ = 1 + ^， 5 =-玍，贝U (3)式在形式上与(2)式 r 2 2
完全相同，PGC的技术就可以在F-P干涉中实现。
本发明的方法解决了光源强度起伏对光纤水听器PGC解调的影响，即解决 了寄生调幅问题。
传统PGC解调是通过调制PZT或光源注入电流实现相位载波调制。调制光 源注入电流将不可避免对光源输出功率产生影响，即寄生调幅。在(2)式中， A、 B都是入射光强的函数，这就使传统PGC技术面临这一影响。而由(3)式， J = l + F/2， 5 = -F/2与入射光强无关，仅是F-P腔精细度F的函数，因而后 续进行PGC解调不受光源强度起伏的影响。
本发明的方法可以扩展至所有采用法布里-珀罗干涉构成的各种系统的相位 检测。
F-P干涉是典型的多光束干涉，相位灵敏度高，由于千涉与传输过程均在一 根光纤内完成，因而不受非对称性干扰的影响。用其构成干涉式光纤传感器具有 独特优点。但由于传统PGC解调是针对典型双光路干涉进行的，无法直接用于 F-P干涉。本发明通过对F-P腔透射率的倒数运算，采取新的光路设计，提出了 在F-P多光束干涉系统中运用PGC解调技术的方法。拓宽了 PGC解调的应用范 围。所有需要利用相位检测的F-P干涉仪均可使用本方法实现信号解调。
(四)


图l F-P干涉的原理框图； 图2 PGC原理框图3反射式检测的F-P干涉型光纤水听器的PGC解调原理框图； 图4透射式检测的F-P干涉型光纤水听器的PGC解调原理框图； 图5透射式检测的F-P干涉型光纤水听器单元外观及实验系统；
图6 F-P干涉型光纤水听器的声压灵敏度实测曲线；
图7 F-P干涉型光纤水听器加速度灵敏度实测曲线。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述
结合图3，本发明的第一种实施方式为入射光按光强比1: 4分成两束，
一路直接光电转换为出射光强/。，另一路经级联的3dB耦合器射入光纤F-P腔，形成多光束干涉后，携带被测信号的反射光经光电转换，检测到反射光强^。 使/。、 ^通过减法器、除法器硬件或软件算法实现系统输出为丄=~^，接r /。—/R下来进行PGC解调，得到位相输出。本发明的方法除采取上述实施方式的检测F-P腔反射光强的方法外，还可以 采取检测F-P腔透射光强的方法，实现法布里-珀罗干涉型光纤水听器的PGC解调。结合图4，本发明的第二种实施方式为入射光经3dB耦合器以光强/。射入 光纤F-P腔干涉，携带被测信号的透射光/T经光电转换，通过除法器硬件或计算机软件算法后变换为透射率的倒数输出* = 4，接下来进行PGC解调，得到位7" /丁相输出。下面结合附图以F-P干涉型光纤水听器实例对本发明效果作辅助说明。以图 3光路构成的F-P干涉型光纤水听器，其基本力学结构是在弹性柱壳上缠绕光纤 F-P谐振腔，水中声压使柱壳发生形变带动F-P腔长变化，产生位相差的变化， 经过本发明——F-P的PGC方法实现声压信号解调。水听器外形尺寸远小于所 测量声波的波长，见图5。F-P干涉型光纤水听器灵敏度测量在国防水声计量一级站进行。63Hz 2kHz 时在校准器中进行，按GB4310-84《低频水听器校准方法》实施；2kHz 5kHz 时在消声水池中进行，按GB7965-87《声学一水声换能器测量》实施。实测三只 水听器的灵敏度指标灵敏度范围-D0dB -115dB (0dB对应1V/uPa)。工作频 带20Hz 2kHz时，带内起伏小于士5dB;工作频带为2kHz 5kHz时，带内起伏 不大于士3dB。加速度灵敏度测量频段20Hz 200Hz，在振动台上进行，依实验 情况确定试验时的加速度，折算出lg时的加速度灵敏度26-30dB (0dB对应 1V/g)。
权利要求
1、一种法布里-珀罗干涉型光纤水听器中的相位载波解调方法，其特征是入射光按光强比1∶4分成两束，一路直接光电检测的光强为I0，另一路经级联的3dB耦合器射入光纤F-P腔，形成多光束干涉后，测出反射光强IR，使I0、IR通过减法器、除法器硬件或软件算法实现系统输出为<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>I</mi><mn>0</mn> </msub> <mrow><msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn></msub><mo>-</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>R</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100725320002C1.tif" wi="24" he="10" top= "62" left = "126" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>接下来进行PGC解调，得到位相输出。
2、 一种法布里-珀罗干涉型光纤水听器中的相位载波解调方法，其特征是入射光经3dB耦合器以光强/。射入光纤F-P腔干涉，携带被测信号的透射光/7 经光电转换，通过除法器硬件或计算机软件算法后变换为透射率的倒数输出丄=4，接下来进行PGC解调，得到位相输出。
全文摘要
本发明提供的是一种法布里-珀罗干涉型光纤水听器中的相位载波解调方法，其特征是入射光按光强比1∶4分成两束，一路直接光电检测的光强为I₀，另一路经级联的3dB耦合器射入光纤F-P腔，形成多光束干涉后，测出反射光强I_R，使I₀、I_R通过减法器、除法器硬件或软件算法实现系统输出为1/T＝I₀/(I₀-I_R)，接下来进行PGC解调，得到位相输出。本发明通过对F-P腔透射率的倒数运算，采取新的光路设计，提出了在F-P多光束干涉系统中运用PGC解调技术的方法。拓宽了PGC解调的应用范围。所有需要利用相位检测的F-P干涉仪均可使用本方法实现信号解调。
文档编号G02F2/00GK101603857SQ20091007253
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者刘佳杰, 崇 康, 董云吉 申请人:哈尔滨工程大学