法布里－珀罗干涉型光纤水听器中的相位载波解调方法

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1/T＝I0/(I0－IR)，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。

说明书

(一)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$\frac{1}{T}=\frac{I_0}{I_0-I_R},$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I₀射入光纤F-P腔干涉，携带被测信号的透射光I_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$\frac{1}{T}=\frac{I_0}{I_T},$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1，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，F-P腔的反射光强为I_R，反射系数为R，则

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ω_c，典型的双光束干涉的输出信号为

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，得到待测信号的线性输出。由于F-P是多光束干涉，输出光强(1)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ω_c，F-P腔透射率$T=\frac{I_0-I_R}{I_0}=1-R,$由式(1)变换可得

可见，如果测出令$A=1+\frac{F}{2},$$B=-\frac{F}{2},$则(3)式在形式上与(2)式完全相同，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，A＝1+F/2，B＝-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，由于干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)附图说明

图1 F-P干涉的原理框图；

图2 PGC原理框图；

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，携带被测信号的反射光经光电转换，检测到反射光强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$\frac{1}{T}=\frac{I_0}{I_0-I_R},$接下来进行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I₀射入光纤F-P腔干涉，携带被测信号的透射光I_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$\frac{1}{T}=\frac{I_0}{I_T},$接下来进行PGC解调，得到位相输出。

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-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-130dB～-115dB(0dB对应1V/μPa)。工作频带20Hz～2kHz时，带内起伏小于±5dB；工作频带为2kHz～5kHz时，带内起伏不大于±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1g时的加速度灵敏度：26-30dB(0dB对应1V/g)。