光纤水听器pgc和外差法信号解调的比较

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1、2013年第4期声学与电子工程总第112期光纤水听器PGC和外差法信号解调的比较叶博张自丽葛辉良(第七一五研究所，杭州，310012)摘要为满足现代水声传感对灵敏度、频带等方面的要求，研究了干涉型光纤水听器相位解调相关技术。从理论上分析PGC解调以及外差解调的可行性，研究了两种解调算法的动态范围上限的主要限制因素，并对两种解调方法的性能做出了比较。通过理论仿真可以看出外差法在解调大幅度、高频率的信号方面具有明显优势。关键词光纤光学；光纤水听器；信号解调；PGC法；外差法；动态范围光纤水听器是建立在光纤、光电子技术

2、基础上的一种新型传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转化成光信号。光纤水听器可以很灵敏地反映光相移的微小变化，但同时也将光相移和声压信号之问的线性关系转换为光强度与声压信号之间的非线性关系。因此，必须通过信号解调技术从光纤水听器输出光信号中提取图1采样外调制PGC的光纤水听器实验系统不意图声压信号。因此，信号检测技术是干涉型光纤水1．2PGC解调方式H听器最基本也是最关键的技术之一。干涉型光纤光纤水听器输出光信号经光电探头转化为电水听器的解调方法分为零差解调法和外差解调法信号，表达式如下：两大类。零差

3、法相对简单易实现，但外界环境扰I=A+Bcos(CcosCOot+(f))(1)动等因素引起的初相位的随机漂移会导致信号的式中，、为常数，正比于激光器的输出功率，衰弱。目前抗相位衰落的主要方法为：有源零差、B=KA，<1表示干涉条纹的可见度。C为载闭环工作点控制【11、3x3耦合器多项检测[2-3]、波信号所引起的相位幅度调制，为载波信号的PGC调制解调技术[4-61等。外差法可以将信号调角频率，cp(t)为待测信号与环境噪声共同引起的制到高频区，避免了低频噪声的干扰。普通外差相位变化。把式(1)进行bessel

4、展开：法L7】使用声光移频器产生外差信号。本文就PGCI=A+Bcos(CcosCOot+))=调制解调技术以及外差法解调技术进行深入分析+B[cos(CcosCOot)cos((o(t))一sin(Ccoso4t)sin(~o(t))]比较，并给出了仿真结果。+oo，．一=+((c)十2(一1)J2(C)cos(2ncoot))cos(~o(t))一n=llPGC调制原理及解调方式(2(一1)J2川(C)cos((2n+1)COot))sin(qo(t))1．1PGC的外调制方式n=0(2)如图l所示，在两臂等

5、长的Mach．Zehnder由式(2)可以看出：当COScp(t)=±1时，信干涉仪的一臂用数匝光纤缠绕PZT元件，把载波信号加到PZT元件上，引起干涉仪一臂光纤长度号中只含有的偶数倍频，当sincp(t)=±1，信发生变化，导致最后输出光波相位差随载波信号号中只含有的奇数倍频。同理，可以将相位变有规律的变化，从而实现相位调制。当光纤水听化cp(t)=Dcoscost+g(t)同样进行besseli'~l数展开：器位于水下声场时，由于声波对光纤水听器传感COS(f)=臂和参考臂的作用不同，所以光通过两条光纤臂[J

6、o(D)+2Yl(一1)J2(D)cos(2kcot)]cosg(t))-后的相位差会随着声波的变化而变化。并且该相k=l位差包含了探测声信号，外界环境噪声以及初始相位等。t2Z(一1)J2(D)cos((2k+1)cost)]sing(t)(3)1O叶博等：光纤水听器PGC和外差法信号解调的比较sin(a(t)=t2Z(一1)+,(D)cos((2k+1)cot)]cosV(t))一k=0[(D)+2(一1)(D)cos(2尼sin(f)k=l(4)综合分析式(2)、(3)、(4)可得出干涉信号的频图3PGC解

7、调原理图谱特征：l、频谱上含有载波频率以及载波倍频成将频率分别为和2coo的本地载波信号与分，其功率大小与调制信号的幅度以及贝塞尔函干涉仪的输出信号进行混频后得到]：数的阶数有关。2、待测信号(声信号)的频率成=，×COS2COot=ACOS2co0t+0(C)cos2~otCOS(f)+分出现在载波频率以及载波倍频的两侧，其功率Bcos~o(t)(一1)(C)[cos2(n+1)coot+cos2(n一1)coot]一大小与声信号的幅度以及贝塞尔函数的阶数有关。3、干涉信号理论上是无限带宽。从图2可以sin(f

8、)(一1)l(C)[cos(2n+3)co0t+cos(2n一1)COot]看出，当声信号幅度过大时，会发生频谱的混叠，。(6)为了避免上述情况的发生，并且考虑到后续处理12=×COSCOot=ACOSCOot+(C)cos~otCOSO)+需要用到的滤波器会存在相应的过渡带，所以对声信号的幅度有以下的限制[8】：Bcosfp(t)(一1)(C)[cos(2n+1)COo