[發明專利]一種基于光相位解調儀的相移靈敏度通用校準系統及方法

有效

• 申請號: 201010589979.2
• 申請日: 2010-12-06
• 公開（公告）號: CN102072761A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 陳毅;張軍;費騰;羅馬奇;徐平;王世全
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一五研究所
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 杭州九洲專利事務所有限公司 33101
• 代理人: 陳繼亮

技術領域

本發明屬于水聲傳感器參數計量領域，主要是一種基于光相位解調儀的相移靈敏度通用校準系統及方法。

背景技術

由于光纖傳感器所具有的獨特優越性，它在國防領域的應用越來越廣，主要用于導航和安全防衛等方面。其中，在水聲領域應用的光纖傳感器主要是光纖水聽器及其陣列。光纖水聽器是一種新型的聲傳感器，相對于傳統的壓電水聽器，光纖水聽器具有探測靈敏度高、響應頻帶寬、耐惡劣環境、結構輕巧、抗電磁干擾和易于大規模成陣等特點，是現代聲納的一個重要發展方向。所以，在1976年美國海軍研究室的Bucaro等人發表第一篇有關光纖水聽器的論文后，各軍事強國紛紛投入大量人力和財力進行有關光纖水聽器的研究和試驗。目前中國國內還沒有建立有關光纖水聽器靈敏度校準方面的系統。

光纖水聽器是一種新型的聲傳感器，相對于傳統的壓電水聽器，光纖水聽器具有靈敏度高、頻帶響應寬、耐惡劣環境、結構輕巧、抗電磁干擾和易于大規模成陣等特點，是現代聲納的一個重要發展方向。根據其傳感原理，大致可分為強度調制型、偏振調制型、相位調制型和波長調制型四種光纖水聽器類型，這四種光纖水聽器中，強度型和偏振型光纖水聽器由于其探測靈敏度遠不如相位干涉型，目前已基本不再研究；以FBG為核心元件的波長調制型光纖水聽器近年來正在不斷研究發展，但主要還停留在實驗室或者試驗陣列的研究階段；目前工程實用化的光纖水聽器均采用相位調制型。

通常壓電水聽器校準的電聲參數主要是靈敏度，而光纖水聽器根據其工作原理的不同，其主要的電聲參數有可能是靈敏度，也有可能是相移靈敏度，如目前研究最為成熟的相位調制型光纖水聽器的電聲參數就是相移靈敏度。兩種靈敏度在光信號的處理上是不同的。其中，相移靈敏度的檢測則比較復雜。對相位干涉型光纖水聽器相移靈敏度的校準，通常采用的方法有：干涉條紋計數法和貝塞爾函數比值法。干涉條紋計數法非常直觀，但在信號較小且有干擾時誤差偏大；在信號較大干涉條紋數較多時精度較高。貝塞爾函數比值法利用貝塞爾函數比值求得相位干涉型光纖水聽器光相移，從而得到光纖水聽器相移靈敏度的方法，在信噪比不高時校準精度較差。而目前最先進的是利用光纖水聽器信號解調技術如相位載波(PGC)調制解調技術校準光纖水聽器的相移靈敏度。這樣的測量具有很高的精度。

PGC方法的基本思想是通過在干涉儀輸出相位中生成一個相位載波，使輸出信號可以分解為兩個正交分量，通過對兩者分別處理，可以得到信號的線性表達式。通過相位載波，使光源輸出的光波相位隨載波信號有規律的變化，從而實現了相位調制。PGC解調則是通過信號處理的方法，從光纖水聽器的輸出信號中解調出被測信號。

發明內容

本發明的目的正是要克服上述技術的不足，而提供一種基于光相位解調儀的相移靈敏度通用校準系統及方法，用于對新型水聽器——相位干涉型光纖水聽器的相移靈敏度校準和測量。

本發明解決其技術問題采用的技術方案：這種基于光相位解調儀的相移靈敏度通用校準系統，由控制和管理系統、水聲信號發射系統、光相位解調系統和電信號接收系統四個子系統組成，控制和管理系統是計算機及其外設，通過通用接口管理與控制水聲信號發射系統，光相位解調系統和電信號接收系統三部分工作，并進行參數設置和信號處理計算；水聲信號發射系統由信號源、功率放大器、發射換能器和聲管組成，用于得到光纖水聽器校準所需要的聲場；信號源的信號通過功率放大器放大后，輸入發射換能器，發射換能器發出特定頻率的聲信號，以水為聲波傳播媒質，在聲管中形成穩定的聲場；光相位解調系統用于解調光纖水聽器輸出的光干涉信號，光纖水聽器感應聲場中的聲波，并輸出光干涉信號進入解調儀處理；電信號接收系統由濾波器，示波器和數字采集卡組成，采集卡采集被測光纖水聽器光信號解調系統的模擬輸出信號和標準水聽器的輸出信號。

光相位解調子系統由OPD4000相位解調儀、窄線寬激光光源和外調制器組成，用于對干涉光的相位進行實時解調并采用模擬信號輸出結果，從光纖水聽器出來的光干涉信號經過解調處理以后得到所需要的光相位數值。

本發明所述的這種基于光相位解調儀的相移靈敏度通用校準方法，步驟如下：首先窄線寬激光光源經過外調制器的高頻調制后進入光纖水聽器，輸入光在光纖水聽器內部分成感應臂光路和參考臂光路兩路，光纖水聽器處在聲場中，聲波作用在光纖水聽器上，使得水聽器內部的感應臂光纖產生變化，而水聽器的參考臂不感應聲場，感應臂和參考臂干涉后的干涉光輸入到解調儀中，采用PGC信號處理技術解調出的干涉光的光相位，該光相位的數值與聲波的大小成固定比例，得到聲波大小和光相位大小，然后依據公式得到光纖水聽器的相移靈敏度。