一种基于光纤激光水听器的pgc改进解调算法
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中图分类号：TP212 文献标志码：A DOI：10.5768/JAO202041.0208001
Improved PGC demodulation algorithm based on optical fiber laser hydrophone
RAN Yanli1,2，NI Jingli2，FU Runqiu2，LIU Deming2
（1. 深圳大学 微纳光电子学研究院，广东 深圳 518060；2. 深圳华中科技大学研究院 NGIA 深圳分室，广东 深圳 518060）
摘 要 ： 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。 关键词：光纤传感；水听器；光纤激光器；解调算法
收稿日期：2019-07-16； 修回日期：2016-09-29 基金项目：深圳市发展改革委战略性新兴产业和未来产业发展专项资金 ([2017]853 号) 作者简介：冉艳丽（1985−），女，博士后，主要从事光纤传感及光纤激光器的研究。E-mail：ylran@
第 41 卷 第 2 期 2020 年 3 月
文章编号：1002-2082 (2020) 02-0421-07
应用光学 Journal of Applied Optics
Vol. 41 No. 2 Mar. 2020
一种基于光纤激光水听器的 PGC 改，刘德明2
（1. Institute of Microscale Optoelectronics, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; ；2. NGIA Shenzhen Branch, Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute, Shenzhen 518060, China） Abstract： Based on the optical fiber laser hydrophone of distributed feedback (DFB), a new demodulation algorithm of single differential division (PGC-SDD) was proposed for the deficiency of traditional phase generated carrier (PGC) demodulation scheme. Compared with the demodulation algorithms of traditional differential cross-multiplication (PGC-DCM) and the Arctan, the improved algorithm could reach the demodulation results with reduced amount of operation steps and computation, in which only the signals in one of the two channels needed differential calculation. The PGC-SDD algorithm could effectively suppress the light intensity disturbance caused by environment and the harmonic distortion caused by modulation depth, which made the demodulation results closer to the signal to be tested. The simulation and experimental results show that the signal-to-noise ratio of PGC-SDD algorithm can reach to 17.5 dB, higher than 12.4 dB of PGCDCM algorithm and 13.9 dB of PGC-Arctan algorithm. Key words：optic fiber sensing；hydrophone；optical fiber laser；demodulation algorithm
引言
光 纤 水 听 器 [1-2] 传 感 与 传 输 介 质 均 为 光 纤 本 身，它能高灵敏地探测水下微弱声场信号，可实现 目标探测、海洋环境监测等功能。由于低频声波 在水中传输损耗小、传播距离远，因此光纤水听器 可以探测较远距离的目标。
自 20 世纪 70 年代以来，基于光纤水听器被认 为是目前传统压电声学传感器的替代品，在许多 国家受到了广泛关注。光纤水听器在尺寸、可靠 性、抗电磁干扰和电无源传感方面具有优势，被用 于监测其它船只和潜艇。在民用领域，它们广泛 应用于石油、天然气井测量和地震分析中[3-4]。
Improved PGC demodulation algorithm based on optical fiber laser hydrophone
RAN Yanli1,2，NI Jingli2，FU Runqiu2，LIU Deming2
（1. 深圳大学 微纳光电子学研究院，广东 深圳 518060；2. 深圳华中科技大学研究院 NGIA 深圳分室，广东 深圳 518060）
摘 要 ： 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。 关键词：光纤传感；水听器；光纤激光器；解调算法
收稿日期：2019-07-16； 修回日期：2016-09-29 基金项目：深圳市发展改革委战略性新兴产业和未来产业发展专项资金 ([2017]853 号) 作者简介：冉艳丽（1985−），女，博士后，主要从事光纤传感及光纤激光器的研究。E-mail：ylran@
第 41 卷 第 2 期 2020 年 3 月
文章编号：1002-2082 (2020) 02-0421-07
应用光学 Journal of Applied Optics
Vol. 41 No. 2 Mar. 2020
一种基于光纤激光水听器的 PGC 改，刘德明2
（1. Institute of Microscale Optoelectronics, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China; ；2. NGIA Shenzhen Branch, Shenzhen Huazhong University of Science and Technology Research Institute, Shenzhen 518060, China） Abstract： Based on the optical fiber laser hydrophone of distributed feedback (DFB), a new demodulation algorithm of single differential division (PGC-SDD) was proposed for the deficiency of traditional phase generated carrier (PGC) demodulation scheme. Compared with the demodulation algorithms of traditional differential cross-multiplication (PGC-DCM) and the Arctan, the improved algorithm could reach the demodulation results with reduced amount of operation steps and computation, in which only the signals in one of the two channels needed differential calculation. The PGC-SDD algorithm could effectively suppress the light intensity disturbance caused by environment and the harmonic distortion caused by modulation depth, which made the demodulation results closer to the signal to be tested. The simulation and experimental results show that the signal-to-noise ratio of PGC-SDD algorithm can reach to 17.5 dB, higher than 12.4 dB of PGCDCM algorithm and 13.9 dB of PGC-Arctan algorithm. Key words：optic fiber sensing；hydrophone；optical fiber laser；demodulation algorithm
引言
光 纤 水 听 器 [1-2] 传 感 与 传 输 介 质 均 为 光 纤 本 身，它能高灵敏地探测水下微弱声场信号，可实现 目标探测、海洋环境监测等功能。由于低频声波 在水中传输损耗小、传播距离远，因此光纤水听器 可以探测较远距离的目标。
自 20 世纪 70 年代以来，基于光纤水听器被认 为是目前传统压电声学传感器的替代品，在许多 国家受到了广泛关注。光纤水听器在尺寸、可靠 性、抗电磁干扰和电无源传感方面具有优势，被用 于监测其它船只和潜艇。在民用领域，它们广泛 应用于石油、天然气井测量和地震分析中[3-4]。