数字化相位载波解调方案在光纤水听器系统中的实现

本文分析了干涉型光纤水听器内调制相位载波(PGC)调制解调的原理，提出了PGC调制解调的全数字化方案，通过计算机仿真，并在光纤水听器系统中实现了PGC的数字化解调。实验室光纤水听器与标准水听器对比测试以及实际海况试验都证明，数字化PGC解调技术在光纤水听器系统的实现对水声信号的检测是有效的。     

干涉型光纤水听器伪工作点控制检测方法

提出了一种用于干涉型光纤水听器信号检测的伪工作点控制方法.为了验证该方法的可行性,搭建了干涉型光纤水听器声压灵敏度测量系统,编写了实时信号采集和处理程序,对某一光纤水听器进行了测量.在频带20 Hz~2.5 kHz上,该光纤水听器的声压灵敏度为－156.5 dB(0 dB=1 rad/μPa),频响波动<±0.8 dB,与采用PGC调制解调方法测量的结果基本一致.由于传感部分不含有源器件,该方法实现了无源检测.另外,它还具有解调算法简单、检测频带宽等优点.     

光纤光栅传感信号解调技术研究进展

光纤光栅传感器是一种新型传感器,有着非常广泛的应用前景。限制光纤光栅传感器大量实际应用的主要障碍是传感信号解调,因而,光纤光栅传感信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文对现有已报道的光纤光栅传感信号的解调方法进行综述,并归类为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉法。对各种方法的原理及相关改进方法进行了阐述,并对其优缺点做了比较分析,最后,对光纤光栅传感信号的解调技术发展进行了展望。     

基于光频调节的干涉型光纤水听器相位补偿检测方法

提出了一种基于光源频率调节的干涉型光纤水听器主动相位补偿的信号检测方法。详细介绍了该方法的基本检测原理,对信号解调误差进行了理论分析与仿真。为了验证该方法的可行性,搭建了实验系统,并编写了实时的信号采集、处理程序,对某一干涉型光纤水听器的声压灵敏度进行了测试。在频带20 Hz-1.3 kHz上,平均声压灵敏度为-162.2 dB(0 dB=1 rad/μPa),波动小于±0.8 dB,与采用相位载波调制解调方法测量的结果基本吻合。实验结果证明该方法是有效的。由于传感部分不含有源器件,便于实现全光纤化,且解调算法简单、检测频带宽,该方法能被广泛应用到各种干涉型光纤传感器的信号检测当中。     

光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度；对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

一种光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究

为了校准光纤光栅水听器的灵敏度,开展了光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究.本文首先介绍了光纤光栅水听器的工作原理;其次,采用可调谐激光器和带工作点控制的强度调制法,实现了光纤光栅水听器的信号解调和稳态测量;在此基础上,利用比较法建立了一种光纤光栅水听器校准系统,校准频率范围为20 Hz～10 kHz;最后,在该频率范围内对采用等效相移布喇格光栅研制的一只光纤光栅水听器的灵敏度进行了校准,对系统的测量不确定度进行了估算.结果表明,该系统可准确校准光纤光栅水听器的灵敏度,扩展不确定度为0.9 dB(k＝2).     

一种光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究

为了校准光纤光栅水听器的灵敏度,开展了光纤光栅水听器灵敏度校准技术研究.本文首先介绍了光纤光栅水听器的工作原理;其次,采用可调谐激光器和带工作点控制的强度调制法,实现了光纤光栅水听器的信号解调和稳态测量;在此基础上,利用比较法建立了一种光纤光栅水听器校准系统,校准频率范围为20 Hz~10 kHz;最后,在该频率范围内对采用等效相移布喇格光栅研制的一只光纤光栅水听器的灵敏度进行了校准,对系统的测量不确定度进行了估算.结果表明,该系统可准确校准光纤光栅水听器的灵敏度,扩展不确定度为0.9 dB(k=2).     

3×3光纤耦合器解调方法

介绍了3×3光纤耦合器输出解调方法的原理,推导出了3×3光纤耦合器输出解调信号的数学表达式,给出了3×3光纤耦合器输出解调算法的解调频率范围,分析了外界干扰信号、耦合器的不对称性、以及信号中存在高次谐波对解调结果的影响。分析结果表明:该方法有比较宽的频率解调范围,能够克服温度变化等外界因素的干扰,能够消除3×3耦合器3个输出端存的偏差对解调结果的影响以及在信号中存在高次谐波的影响。该方法具有性能稳定、不需要载波、不需要稳定的工作点以及抗干扰能力强等优点,具有较强的实用性和可行性,对解调电路的数字化设计具有理论指导意义。     

光纤光栅传感系统信号解调技术的研究

波长编码信号的解调是光纤光栅传感系统进入实用化的关键技术之一。本文讨论了光纤光栅传感信号解调的基本原理，分析了国内外提出的常用解调方法的工作机理和特点，并总结了信号解调过程中存在的主要技术难点，指出其发展方向，为光纤光栅传感系统解调部分的设计提供了依据。     

一种提高光纤水听器解调系统噪声传递系数稳定性的多相相位生成载波解调算法

相位生成载波（PGC）调制解调是干涉型光纤水听器常用的解调方法。首先,分析并建立了PGC解调系统的噪声传递模型,研究了光源强度噪声对PGC解调输出噪声的影响机理,分析了调制深度和工作点两个参数对PGC解调噪声稳定性的影响。然后,提出了一种基于3×3耦合器的多相PGC解调方案,即在传统PGC解调架构中引入3×3耦合器进行多相检测,利用3×3耦合器的相移特性对三路干涉信号进行融合处理。在不同的调制深度条件下,该方案可以降低水听器工作点变化所引起的光源强度噪声传递系数波动范围。实验结果显示,在常用的调制深度范围（1.7～3.4）内,工作点变化导致的噪声传递系数波动峰谷值小于0.5 dB,噪声稳定性相比传统PGC解调系统显著提升。     

一种基于光纤激光水听器的PGC改进解调算法

基于分布反馈式（DFB）光纤激光水听器，针对传统相位生成载波（PGC）解调方案中的不足，提出了一种新型的单路微分相除（PGC-SDD）解调算法。与传统的微分交叉相乘（PGC-DCM）和反正切（PGC-Arctan）解调算法相比，该方法仅需要双通道的1路信号作微分处理，以较少的运算步骤和计算量达到解调信号的目的。PGC-SDD算法能够更有效地应对环境引起的光强扰动和调制深度引起的谐波畸变，使解调结果更接近待测信号。对3种解调算法进行仿真和实验验证，结果表明:采用PGC-DCM解调其信噪比约12.4 dB，PGC-Arctan算法的信噪比约13.9 dB，PGC-SDD算法的信噪比达到了17.5 dB。     

对基于光纤光栅的两种水听器灵敏度的讨论

本文简单介绍了基于光纤光栅的光纤布喇格光栅(FBG)水听器以及分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的基本工作原理与信号解调的基本方法。在此基础上提出了FBG水听器和DFB光纤激光水听器波长漂移率、压力灵敏度系数、相位灵敏度与相位灵敏度级以及电压灵敏度的定义以及物理涵义.并且对干涉型光纤水听器与DFB光纤激光水听器在相位灵敏度以及物理涵义上的区别进行了说明.     

基于FPGA的光纤水听器PGC解调算法实现

针对干涉型光纤水听器信号的PGC（Phase Generated Carrier，相位产生载波）数字化调制解调原理，提出一种基于FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的实现方案。相比基于DSP的实现方案，该方案可将处理系统的采样率提高1—2个量级，从而大大提高可处理水声信号的上限频率，提高系统的抗混叠能力。     

基于独热码有限状态机的斐索干涉解调相位补偿方法

针对相位调制型超弱光纤光栅水听器阵列解调过程中发生的相位翻转现象,提出了一种基于独热码编码的有限状态机相位补偿方法,用来在现场可编程逻辑门阵列中对翻转信号进行实时修正.将解调信号相位及其补偿条件设计在独热码编码的有限状态机中,通过状态机内部状态的即时转移,实现高时钟速率下光纤干涉系统解调信号的相位补偿.对多种相位补偿方式在功能仿真和实验测试中的功耗、占用资源及时序等进行对比分析,结果表明基于独热码状态机的相位补偿方法,不仅可以正确地解决相位翻转问题,保证信号的完整性,同时还可以增加信号解调动态范围,使系统的逻辑延迟降低6%,在水声光纤传感解调系统的高吞吐率和高时钟频率应用环境下具有一定优势.     

一种耐静压分布反馈式光纤激光水听器探头设计

大深度工作环境下，静水压会引起分布反馈式光纤激光水听器反射中心波长漂出解调系统的复用窗口，使水听器无法解调目标声压信号；不同的静水压也会引起分布反馈式光纤激光水听器灵敏度的变化，影响光纤激光水听器阵列的一致性。基于电力声类比理论，提出带静压补偿的分布反馈式光纤激光水听器探头，建立结构的声压传递函数，分析各结构参数对传递函数的影响，为分布反馈式光纤激光水听器探头频率响应平坦化设计提供理论依据。加工制作了耐静压分布反馈式光纤激光水听器样品进行测试，在0 kHz～10 kHz频率范围内声压灵敏度波动范围不大于±2.4 dB，2.3 MPa内出射激光中心波长漂移量不大于0.06 nm，对深水光纤激光水听器的研究具有指导意义。     

Development of an optical fiber hydrophone with fiber Bragg grating

A new type of optical fiber hydrophone is constructed with a fiber Bragg grating (FBG) based on the intensity modulation of laser light in an FBG under the influence of sound pressure. The FBG hydrophone shows linearity, with dynamic range about 70 dB. It can measure amplitude and phase of an acoustic field in real time, and operates in a wide range of acoustic frequency, at least from 1 kHz to 3 MHz. No signal distortion is observed in the detected signal. Because of the simplicity in its operating principle and geometry, an FBG hydrophone is expected to be an acoustic sensor of high practicality compared to a conventional optical fiber hydrophone.     

基于Sagnac干涉仪的光纤非接触式瞬变信号测量技术

基于对Sagnac干涉仪在外界瞬变信号影响下响应特性的理论分析,提出了一种基于光纤Sagnac干涉仪的非接触式测量技术.针对陷波波形的特性,提出了相应的解调技术.实验结果表明,基于Sagnac干涉仪的非接触式测量技术不仅能识别瞬变信号,同时能实现对信号源的良好定位,相对定位准确度达到1.5%.     

基于ARM的光纤光栅传感信号解调系统的研究

提出了一种以ARM芯片S3C44B0X为核心,采用可调谐光纤F-P滤波器的光纤光栅解调方案。详细介绍了解调原理、系统的软硬件设计以及相关信号的数据处理。实验结果显示设计的系统灵敏度高、解调速度快、成本较低。     

采用3×3耦合器的分布反馈式光纤激光传感器解调技术

为了实现分布反馈式光纤激光传感器(DFB FL)大动态范围、稳定解调,建立了基于3×3耦合器的迈克尔逊干涉仪解调系统。对该系统所采用的对称解调算法(NPS)和反正切解调算法进行了深入研究。首先,介绍了基于3×3耦合器解调算法的原理及耦合器不对称时的调校方法。接着,对干涉仪所需最小非平衡路径长度的选取与系统强度噪声、激光器频率噪声的关系进行了分析。最后,针对NPS算法与反正切算法最大可解调信号幅度进行了分析对比,并研究了微分器对对称解调方法解调范围的影响。实验结果表明:NPS算法动态范围高于反正切算法,微分器的幅频特性不理想会减小解调动态范围。在采样频率为125 k Hz、信号频率为1 k Hz、干涉仪非平衡路径为100 m时,NPS算法与反正切算法的动态范围分别达到96 d B和90 d B。用解调前调校的方法,基于3×3耦合的解调方法动态范围大,能够实现稳定解调,满足工程应用要求。