[發(fā)明專利]外差干涉式光纖水聽(tīng)器同步電參考系統(tǒng)及噪聲消除方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610615210.0
• 申請(qǐng)日: 2016-07-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106323441B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張磊;王海亮;張海巖;王學(xué)鋒;李振;鄭百超;郝良彬;侯振興;于文鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號(hào): G01H9/00
• 分類號(hào): G01H9/00;G01H3/00
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 馬全亮

1.外差干涉式光纖水聽(tīng)器同步電參考系統(tǒng)，其特征在于包括：窄線寬激光器(1)、第一耦合器(2)、第一聲光調(diào)制器(3)、第二聲光調(diào)制器(4)、第一光纖延時(shí)環(huán)(5)、第二耦合器(6)、環(huán)形器(7)、傳感探頭(8)、光電探測(cè)器(9)、同步電參考裝置(10)和數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)；

窄線寬激光器(1)出射的連續(xù)激光通過(guò)第一耦合器(2)分為兩路，兩束激光分別進(jìn)入第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)，被調(diào)制成頻率不同的脈沖激光；第一聲光調(diào)制器(3)輸出的脈沖激光經(jīng)過(guò)第一光纖延時(shí)環(huán)(5)進(jìn)行延時(shí)后輸入到第二耦合器(6)，第二聲光調(diào)制器(4)輸出的脈沖激光直接輸入到第二耦合器(6)，第二耦合器(6)將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行耦合后，將輸出的脈沖激光經(jīng)過(guò)環(huán)形器(7)進(jìn)入水聽(tīng)器的傳感探頭(8)，由傳感探頭反射回的傳感光信號(hào)經(jīng)環(huán)形器(7)到達(dá)光電探測(cè)器(9)，光電探測(cè)器(9)將輸出的電信號(hào)送入數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)；同步電參考裝置(10)產(chǎn)生同步電參考信號(hào)及其正交電參考信號(hào)并送入數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)，數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)根據(jù)接收到的三路電信號(hào)解調(diào)出水聲信號(hào)；

同步電參考裝置(10)還給第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

所述同步電參考裝置(10)包括第一聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(16)、第二聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(17)、混頻電路(18)、濾波電路(19)和移相電路(20)；

第一聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(16)和第二聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(17)分別給第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)，第一聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(16)和第二聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(17)還生成移頻參考信號(hào)并送入混頻電路(18)；混頻電路(18)將兩個(gè)移頻參考信號(hào)混頻后，輸入到濾波電路(19)進(jìn)行低通濾波，將濾波后的電參考信號(hào)分為兩路，其中一路電參考信號(hào)直接送入數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)，另一路電參考信號(hào)送入移相電路(20)，通過(guò)移相90°得到其正交參考電信號(hào)，正交參考信號(hào)送入數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)，獲得的參考信號(hào)和同步參考信號(hào)的頻率與傳感信號(hào)的頻率保持同變；

脈沖激光經(jīng)過(guò)所述的第一光纖延時(shí)環(huán)(5)的時(shí)間大于等于脈沖激光的脈寬；傳感探頭(8)包括第三耦合器(12)、第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(13)、第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(14)和第二光纖延時(shí)環(huán)(15)；進(jìn)入傳感探頭(8)的脈沖激光經(jīng)過(guò)第三耦合器(12)后分成兩路，一路脈沖激光經(jīng)過(guò)第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(13)反射后回到第三耦合器(13)中，另一路脈沖激光經(jīng)過(guò)第二光纖延時(shí)環(huán)(15)后，再通過(guò)第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(14)進(jìn)行反射，之后經(jīng)過(guò)第二光纖延時(shí)環(huán)(15)進(jìn)入第三耦合器(12)中，第三耦合器(12)將收到的兩路反射信號(hào)進(jìn)行耦合，輸出傳感光信號(hào)到環(huán)形器(7)；在第三耦合器(12)處耦合的兩路反射信號(hào)的光程差與第一光纖延時(shí)環(huán)(5)的長(zhǎng)度相同；所述傳感探頭(8)的外部設(shè)有增敏的封裝，用于拾取水聲信號(hào)。

2.一種基于權(quán)利要求1所述的外差干涉式光纖水聽(tīng)器同步電參考系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的噪聲消除方法，其特征在于步驟如下：

(1)窄線寬激光器(1)出射的頻率為f₀的連續(xù)激光通過(guò)第一耦合器(2)分為兩路，兩束激光分別進(jìn)入第一聲光調(diào)制器(3)和第二聲光調(diào)制器(4)，被調(diào)制成頻率為f₁′+f₀和頻率為f′₂+f₀的脈沖激光，其中，f₁′＝f₁+δf₁(t)，f′₂＝f₂+δf₂(t)，f₁，f₂為兩個(gè)聲光調(diào)制器固有的移頻頻率，δf₁(t)，δf₂(t)為頻率抖動(dòng)項(xiàng)；

(2)第一聲光調(diào)制器(3)輸出的頻率為f₁′+f₀脈沖激光經(jīng)過(guò)第一光纖延時(shí)環(huán)(5)進(jìn)行延時(shí)后輸入到第二耦合器(6)，第二聲光調(diào)制器(4)輸出的頻率為f′₂+f₀脈沖激光直接輸入到第二耦合器(6)，第二耦合器(6)將兩束輸入脈沖激光進(jìn)行耦合，兩個(gè)脈沖光的光強(qiáng)可以表示為：

其中，V₁(t)為第一聲光調(diào)制器(3)輸出的頻率為f₁′+f₀脈沖激光的光強(qiáng)，V₂(t)為第二聲光調(diào)制器(4)輸出的頻率為f′₂+f₀脈沖激光的光強(qiáng)，A₁和A₂表示交流項(xiàng)幅值，t為時(shí)間，它們分別代表兩個(gè)聲光調(diào)制器移頻噪聲轉(zhuǎn)化成的相位噪聲；是由環(huán)境引起的低頻噪聲項(xiàng)；

(3)第二耦合器(6)輸出的一束脈沖激光經(jīng)過(guò)環(huán)形器(7)進(jìn)入水聽(tīng)器傳感探頭(8)，由傳感探頭(8)反射回的傳感光信號(hào)到達(dá)環(huán)形器(7)，經(jīng)環(huán)形器(7)之后送入光電探測(cè)器(9)，光電探測(cè)器(9)將輸出的電信號(hào)送入數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)；

光電探測(cè)器(9)輸出的電信號(hào)為：

其中，B＝2A₁A₂,外差頻率Δf＝f₁-f₂，ψ(t)為傳感探頭(8)拾取的水聲信號(hào)，是待解調(diào)的信號(hào)；

(4)第一聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(16)輸出的移頻參考信號(hào)與第二聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)(17)輸出的移頻參考信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度分別表示為：

U₁(t)＝C₁cos(2πf₁t+φ₁(t)+φ₀)；

U₂(t)＝C₂cos(2πf₂t+φ₂(t)+φ′₀)；

其中，φ₀和φ′₀表示兩個(gè)移頻參考信號(hào)的初始相位；C₁和C₂為移頻參考信號(hào)的交流項(xiàng)幅值；

(5)U₁(t)和U₂(t)經(jīng)過(guò)混頻電路(18)和濾波電路(19)后，其強(qiáng)度表示為：

I_ref＝Dcos(2πΔft+(φ₁(t)-φ₂(t))+φ)

其中D＝2C₁C₂，φ＝φ₀-φ′₀為濾波后生成的同步參考信號(hào)的初始相位，同步參考信號(hào)通過(guò)移相電路(20)移相后得到正交參考信號(hào)：

I′_ref＝Dsin(2πΔft+(φ₁(t)-φ₂(t))+φ) ；

(6)在數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(11)中，將I_sig分別與(5)中I_ref和I′_ref相乘并進(jìn)行低通濾波后得到：

其中，W₁和W₂為低通濾波后的結(jié)果；

將W₁和W₂相除，通過(guò)反正切運(yùn)算得到水聲信號(hào)ψ(t)：