干涉型光纤水听器PGC解调的DSP实现
干涉型光纤传感器及pgc解调技术研究
第二章干涉型光纤传感器及ＰＧＣ解调算法理论分析第二章干涉型光纤传感器及ＰＧＣ解调算法理论分析干涉型光纤传感器属于相位调制型光纤传感器，它通过干涉的方法使得待测信号包含在干涉信号的相位信息中，由于其结构简单、成本低、灵敏度高，是目前使用比较广泛、最有前途的一种光纤传感器。
对于相位调制信号，解调一般采用同步解调方法，其实质是信号频谱的线性搬移过程。
而用于干涉型光纤传感器的相位生成载波调制解调方法解调思路也是基于此原则，它是通过在被测信号带宽以外的某一频带之外引入大幅度的相位调制，使得被测信号位于调制信号的边带上，再分别与单倍频和二倍频信号混频后将被测信号搬移到零频附近经过低通滤波后得到两个相互正交的信号，再通过对这两个相互正交的信号经过微分交叉相乘算法或反正切算法处理后最终实现待测信号的解调。
本章中，对本课题的基于Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉结构的光纤传感器的传感原理及相位生成载波调制解调（ＰＧＣ）技术的数学模型进行详细的理论分析，同时比较分析了几种ＰＧＣ改进算法及其各自的优缺点，这对于设计干涉型光纤传感系统采用何种解调方法提供一定的参考价值。
２．１干涉型光纤传感器传感原理分析本课题采用的Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉型光纤传感器如图２．１所示，根据耦合模理论，∞Ｏ图２－１Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉型光纤传感器测器对图２一ｌ所示的Ｍａｃｈ—Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪的传感过程进行详细的理论分析推导，假设ＬＤ输出光的电场强度为吒，经耦合器ｌ输出为巨＝正，瓦易＝以。
如（２—１）（２－２）ＧＣＯＳｃｏｏｔ图２－８基频混频ＰＧＣ解调算法，＝彳＋Ｂｃｏｓ（ｃｃｏｓ‰ｆ＋缈Ｏ））（２—２４）其中缈（ｆ）＝Ｄｃｏｓｃｏｓｔ＋‰（ｆ），根据图２－８所示解调原理框图，干涉信号一路直接经低通滤波，一路与载波基频混频、低通滤波后得到Ａ＋ＢＪ０（Ｃ）ｃｏｓｑ，（，）一ＧＢＪｌ（Ｃ）ｓｉｎｆｏ（ｔ）式（２．２５）、（２．２６）经过微分交叉相乘相减后得到上式积分后得到么倒ｌ（Ｃ）ｓｉｎ口ｏ（ｔ）＋ＧＢ２山（ｃ）以（ｃ）缈。
干涉型光纤水听器PGC解调方案的研究
光纤传感臂
潜力而受 到人们 的重 视． 它具有 抗 电磁干扰 、 积 体
小、 重量轻 、 空间分 辨率高 、 易于构成 网络实现对多
点多参量 的测量等优点 ， 是现代化 国防建设 的重要 研究方向之一． 动态范围和灵敏度是衡量光纤水听 器的重要指标 ， 文中所采用 的干涉型光纤水 听器是 根据相干光的干涉原理制成 的， 因而不仅灵敏度高 ，
光 纤传 感器 因其 水 听器 的光路及 Ｐ Ｃ检测方 Ｇ
案 的实 现 原 理
该设计光纤水听器的传感头采用 Ｍｃｅ ｏ ｉ ｌ ｎ干 ｈｓ 涉仪 ， 在反射端安装 了 ２个法 拉第旋转 镜 （ Ｒ ， Ｆ Ｍ） 这种结构能够稳定输出信号 的可见度 ， 有效地消偏 振衰落 ， 提高稳定性和信噪比。 如图 １ 所示 ．
将水声信号转 换成光信号 ， 通过光纤传送至信 号处理 系统提 取声 信号信 息． 针对 干涉型光 纤水听 器 Ｐ Ｃ解调 Ｇ
方案作了研究 ， 并通过模数 混合的 Ｐ Ｃ解调 完成了对声信号 的检测 ． Ｇ 关键 词 ： 干涉 型光纤水 听器 ；Ｇ Ｐ Ｃ解调 （ 相位 载波解调 ）传感 器 ； 中图分类号 ＿Ｎ １ ． 文献标 识码 ： ， ９５ ６ Ｔ Ａ
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第３ ３卷第 ６期
应
用
科
技
Ｖ０． ３． ｏ ６ １３ Ｎ ．
２０ ０６年 ６月
干涉型光纤水听器PGC零差解调技术研究与实现
文章编号:100525630(2004)0320032206干涉型光纤水听器PGC 零差解调技术研究与实现Ξ周 波,李绪友,郝燕玲(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:通过严密的数学推导,对直接调制光源产生相位载波的马赫-曾德尔(M ach 2Zehnder )干涉型光纤水听器调制解调技术进行了研究。
在这一思想的指导下完成了相位载波(PGC )检测电路的硬件设计,给出了实验结果。
关键词:干涉型光纤水听器;相位载波;零差解调技术;光源调制中图分类号:T P 212 文献标识码:ARea l iza tion of i n terfero m etr ic f iber -optic hydrophone usi ngho m odyne de m odula tion techn iquesZH OU B o ,L I X u 2y ou ,H A O Y an 2ling(Co llege of A u tom ati on ,H arb in Engineering U n iversity ,H arb in 150001,Ch ina ) Abstract :T he p hase m odu lati on and dem odu lati on of in terferom etric M ach 2Zehnder fiber 2op tic hydrop hone u sing p hase generated carrier (PGC )techn ique w ith direct laser sou rce m odu lati on is analyzed th rough rigo rou s m athem atical calcu lati on .Fo llow ing th is idea ,the hardw are design of PGC detecti on system is com p leted and the exp eri m en tal resu lts are given ou t .Key words :in terferom etric fiber 2op tic hydrop hone ;p hase generated carrier (PGC );hom odyne dem odu lati on techn ique ;sou rce m odu lati on .1 引 言光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的调制效应,实现在海洋中侦听声场信号的光纤传感器。
相位生成载波(PGC)调制与解调讲解
相位生成载波（PGC ）调制与解调一、 PGC 调制干涉型光纤传感器的解调方法目前主要有：相位生成载波解调法、光路匹配差分干涉法、差分时延外差法。
由于相位生成载波解调信号有动态范围大、灵敏度高、线性度好、测相精度高等优点，是目前光纤传感干涉领域工程上较为实用的解调方法。
[1]相位生成载波的调制分为外调制和内调制。
外调制一般采用压电陶瓷（PZT ）作为相位调制器，假设调制信号频率为ω0 ，幅度为C ，调制信号可以表示为（1）式：0(t)cos(t)C φω= （1）则光纤干涉仪的输出的信号可表示为（2）式：00cos[(t)(t)]cos[cos(t)(t)]s s I A B A B C φφωφ=++=++ （2）式中，A 为直流量， B 为干涉信号幅度。
s (t)Dcos(t)(t)s φωψ=+，其中，ϕs (t) 不仅包含了待测信号D cos ωs t ，还包括了环境噪声引起的相位变化ψ(t)。
将（2）式按 Bessel 函数展开，得到（3）式[2]：k k 02k 02k 1010J (C)2(1)J (C)cos 2k t cos (t)2(1)J (C)cos(2k 1)t sin (t)s s k k I A B ωφωφ∞∞+==⎧⎫⎡⎤⎡⎤=++---+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭∑∑ (3)二、 PGC 解调微分交叉相乘（differential and cross —multiply ，DCM ）算法和反正切算法是两种传统的 PGC 解调算法，此外,文献[1]中还介绍了三倍频DCM 算法，基频混频PGC 算法，基于反正切算法和基频混频算法的改进算法，反正切-微分自相乘算法（Arctan-DSM ）算法。
下面分别介绍DCM 算法和反正切算法。
2.1 微分交叉相乘（DCM ）算法 DCM 算法的原理图如图1所示：图1 DCM 算法原理图输入的干涉信号I 分别与基频信号10cos S G t ω=和二倍频信号20cos 2S H t ω=进行混频，再通过低通滤波器滤除高频成分，可以得到信号的正弦项（5）式和余弦项（6）式：1s (t)(C)sin (t)I BGJ φ=- （5） 2s Q(t)(C)cos (t)BHJ φ=- （6）I(t) 、Q(t) 含有外界干扰，还不能直接提取待测信号，再通过微分交叉相乘（DCM ）方法得到两个正交信号的平方项，利用sin 2ϕs + cos 2ϕs = 1消除正交量，得到微分量（7）式：212s '(C)J (C)'(t)V B GHJ φ= (7)经过积分运算再通过高通滤波器滤除缓慢变化的环境噪声， 最终得到的解调信号为得到（8）式：[]2212s 12s (C)J (C)(t)(C)J (C)Dcos(t)(t)V B GHJ B GHJ φωψ==+ （8）相位噪声项 ψ(t) 通常情况下为缓变信号，将V 通过高通滤波器滤除相位噪声，就可以得到待测信号，实现传感信号的解调（9）式。
干涉型光纤水听器调制光源的一种实现方法
图 5 干涉型光纤水听器实验原理图 Fig.5 Scheme of interference-optical-fiber-hydrophone system
图 6 调制光源输出波形 Fig.6 Output of the modulated MQW-DFB laser
第2期
潘平 等：干涉型光纤水听器调制光源的一种实现方法
19
子输运的瞬态特性，原来静态下的单纵模将可能变 为多纵模，多纵模的谱线宽度远比单纵模宽。在高 速率调制下（如 2.5 Gb/s）仍能保持单模的激光器 称为动态单纵模激光器。这种激光器光输出仅有一 个模式，或虽有 3～5 个纵模，但主、边模抑制比大 于 30 dB，其谱线半宽度一般小于 0.5 nm。这么窄 的光在传输时展宽小，波形畸变低。多量子阱分布 反 馈 激 光 器 （ Multi-Quantum well Distributed Feedback Laser Diode），采用如下芯片结构：1）有 源区为量子阱（MQW）结构；2）有源区周边环境 一般为双沟掩埋结构或脊型波导结构；3）有源区附 近的光波导区为分布反馈用光栅。
激光驱动器选用MAX3263，是一种专为通讯设 计的数码调制LD驱动器，采用差分PECL电平输入， 提供互补的驱动电流，允许可编程，调制电流范围
为5~25 mA，可编程偏置电流范围5~60 mA。带温 度补偿的参考电压，使只须少量外部元件，就可对
该芯片的调制电流和偏置电流进行设置；而且，该
芯片内部已集成了防止LD损坏的慢启动电路，预置 慢启动时间为50 ns，外接电容可延长慢启动时间。
（或单一波长）的光，而光纤是色散介质，半导体 激光器在进行高速率强度调制时，由于载流子和光
抗偏振衰落干涉型光纤水听器系统的制作技术
本技术涉及光纤传感及水声信号测量领域，具体涉及一种抗偏振衰落干涉型光纤水听器系统，其特征在于包括光源调制单元(1)、多波长单频激光发射单元(2)、波长复用单元(3)、脉冲调制单元(4)、第一放大器(5)、光纤环形器(6)、传感阵列(7)、匹配干涉单元(8)、第二放大器(9)、波长解复用单元(10)、光电转换及解调单元(11)、显示及控制单元(12)，能够在保证水听器阵列加工成细阵(≤30mm)的条件下，避免出现偏振衰落现象。
技术要求1.一种抗偏振衰落干涉型光纤水听器系统，其特征在于包括光源调制单元(1)、多波长单频激光发射单元(2)、波长复用单元(3)、脉冲调制单元(4)、第一放大器(5)、光纤环形器(6)、传感阵列(7)、匹配干涉单元(8)、第二放大器(9)、波长解复用单元(10)、光电转换及解调单元(11)、显示及控制单元(12)，其中传感阵列(7)为完成信号传感的“湿端”，其余部分为完成信号探测、解调、显示控制的“干端”；传感阵列(7)包含多组时分传感阵列(702)，波长分离器(701)与波长增加器(703)，每组时分传感阵列对应一个单频光源波长，波长分离器(701)的COM端口为输入端口，透射端口连接时分传感阵列的输入端，反射端口连接下一个波长分离器的COM端口，依次类推；时分传感阵列(702)的输出端连接相应波长增加器(703)的透射端，波长增加器(703)的反射端连接前一个波长增加器的COM端，依次类推。
每一组时分传感阵列(703)均由若干支光纤光栅(7021)及一定长度的光纤环(7022)组成，其中光纤光栅(7021)的工作波长与连接本时分的波长分离器(701)与波长增加器(703)的透射波长对应，光纤环(7022)既作为延迟部件，又作为光纤水听器阵元的传感部件使用；匹配干涉单元(8)包含第一光纤耦合器(801)、光纤延迟线(802)、扰偏模块(803)及第二光纤耦合器(804)；光源调制单元(1)通过输出频率和振幅可变的正弦电压信号，对多波长单频激光发射单元(2)输出的连续光信号进行调制，受到调制的光信号进入波长复用单元(3)的输入端口，波长复用单元(3)的输出端口与脉冲调制单元(4)的输入端口相连，脉冲调制单元(4)的输出端口经过第一放大器(5)放大，第一放大器(5)的输出端口与光纤环形器(6)的(601)端口相连接，光纤环形器的(602)端口与传感阵列(7)的输入端口相连接；受到外界声信号调制的光脉冲信号被时分传感阵列(7)中的光纤光栅(7021)返回并通过光纤环形器(6)的(602)端口进入，由(603)端口输出进入匹配干涉单元(8)，由于匹配干涉单元中光纤延迟线(802)的长度与时分传感阵列(702)中的光纤环(7022)相同，因此由第一光纤耦合器(801)输出的两路脉冲信号将在时域产生叠加并发送干涉，同时由于扰偏模块(803)对于干涉仪一臂的扰偏作用，输出干涉信号将不会受到偏振衰落现象的影响，可以输出可见度基本稳定的干涉信号；干涉信号由第二放大器(9)进行放大后输出至波长解复用单元(10)将不同波长的干涉信号分离出来并送至光电转换及解调单元(11)，对干涉信号进行光电转换及解调处理，最终通过显示及控制单元(12)完成解调信号的显示及参数设置。
基于参考干涉仪的光纤水听器解调技术研究
一
距 离传输 与成 阵等 优 点，是近年 来发 展较 为迅速 的
一
种 新 型水 听器 。在 工程 应用 中，光纤水 听器信 号
由 （ ２ ）式可 知 ，相位 噪声 ：
：
１ 光 源 噪 声 对 解 调 系 统 动 态 范 围影 响 分 析
在 内调制 无源 Ｐ ＧＣ 解 调技 术 中 ，激 光器 产生
１ ４
— — Ｄ
Ｃ
（ ３ ）
陆曼 等：基于参考干涉仪的光纤水听器解调技少 干涉 仪两 臂光程 差或
光 纤 水 听器 是通 过 接 收水 中 的 声波 信 息对 目
标 进行 探测 、定位 和 识别 的一种传 感器 ，具 有灵 敏 度 高 、频 带宽 、动态 范 围大 、抗 电磁 干扰 、适于 远
的噪声对 解调 信 号有较 大影 响 。要得 到不 失 真 的解 调信 号 ，需要详 细研 究光源 噪 声对解 调 系统 动态 范
解 调 技 术 有 两 个 重 要 指标 ， 即动 态 范 围和 频 带 宽
度 。增 大信 号解 调 的动态 范 围必须 以低 的解 调噪 声
，
可分 为光强度 噪声和光 相位噪 声两方面 Ｊ 。光源
为基础 。一方 面 ，动态 范围本 身 即为最 大不 失真信 号和 最 小可检 测信 号之 差 ，解调 噪声 的升 高将减 小
２ ０ １ ３ 年 第 ２ 期
声 学 与 电子 工程
总第 １ １ ０ 期
基 于参 考 干 涉 仪 的光 纤水 听器 解 调 技 术研 究
光纤水听器PGC和外差法信号解调的比较
１ ． ２ Ｐ Ｇ Ｃ解 调 方 式 Ｈ
光 纤水 听器 输 出光信 号经 光 电探 头转 化 为 电
信 号 ，表 达 式 如 下 ：
两 大类 。零 差 法 相 对 简 单 易 实现 ，但 外 界 环 境扰 动 等 因 素 引起 的初 相 位 的 随 机漂 移 会 导致 信 号 的 衰 弱 。目前 抗 相位 衰落 的主 要 方 法 为 ：有源 零 差 、 闭环 工 作 点 控 制 【 １ １ 、３ ｘ ３耦合 器多项检测［ ２ － ３ ］ 、 Ｐ ＧＣ 调制 解 调 技 术［ ４ － ６ １ 等 。外 差 法 可 以将 信 号 调 制 到 高 频 区 ， 避 免 了低 频 噪 声 的干 扰 。普 通 外 差 法Ｌ ７ 】 使 用 声光 移 频 器 产 生 外 差信 号 。本 文 就 Ｐ Ｇ Ｃ 调 制 解 调 技 术 以及 外 差 法 解 调 技术 进 行 深 入 分 析 比较 ，并给 出 了仿 真 结 果 。
角频率 ，ｃ ｐ （ ｔ ） 为待测信号与环境 噪声共 同引起 的
相 位 变 化 。把 式 （ １ ）进 行ｂ ｅ ｓ ｓ ｅ ｌ 展开： Ｉ ＝Ａ＋ Ｂｃ ｏ ｓ （ Ｃｃ ｏ ｓ Ｃ Ｏ ｏ ｔ ＋ ） ） ＝
＋Ｂ ［ ｃ ｏ ｓ （ Ｃ ｃ ｏ ｓ Ｃ Ｏ ｏ ｔ ） ｃ ｏ ｓ （ （ ｏ （ ｔ ） ） 一 ｓ ｉ ｎ （ Ｃ ｃ ｏ ｓ ｏ ４ ｔ ） ｓ ｉ ｎ （ ￣ ｏ （ ｔ ） ） ］
化ｃ ｐ （ ｔ ） ＝Ｄｃ ｏ ｓ ｃ ｏ ｓ ｔ ＋ ｇ（ ｔ ） 同样 进 行ｂ ｅ ｓ ｓ ｅ ｌ ｉ ＇ ￣ ｌ 数展 开：
Ｃ Ｏ Ｓ （ ｆ ） ＝
［ Ｊ ｏ （ Ｄ ） ＋ ２ Ｙ ｌ （ 一 １ ） Ｊ ２ （ Ｄ） ｃ ｏ ｓ （ ２ ｋ ｃ ｏ ｔ ） ］ ｃ ｏ ｓ ｇ （ ｔ ） ） －
干涉型光纤传感器相位载波系统解调能力分析
干涉型光纤传感器相位载波系统解调能力分析在光纤干涉型传感解调系统中，针对相位生成载波（PGC，Phase Generated Carrier）解调系统可恢复输入信号能力，提出将卡森准则引入到PGC调相带宽设计领域。
结合光纤传感器工程应用中常见的宽频信号激励形式，给出宽带信号解调评价指标，以验证PGC卡森宽带调相带宽估计外推公式的估计准确性和适用性，统一指导PGC系统无失真解调输入信号能力的设计。
标签：相位生成载波；光纤干涉型传感器；卡森准则；PGC解调；可承受信号能力1 背景相位干涉型光纤传感器相移灵敏度可以做的很高，光纤传感器高灵敏度的显著特点使其在微弱信号检测领域应用前景非常可观。
然而导致这个特点的机理，也构成光纤传感器和传统的电类传感器在信号层面上最大的差异：即光纤传感器对于输入信号的响应属于调角范畴；而电类传感器对于输入信号的响应属于调幅范畴。
角度调制属于非线性调制，调角信号会产生新的频率成分；而幅度调制属于线性调制，调幅信号不会产生新的频率成分。
光纤传感器PGC调制解调系统的设计过程，只有结合输入信号的特征去确定调角信号带宽，才能选择合适的载波频率，使得调制解调过程输出的信号保真[1]。
文章以此为研究目的，借鉴了通信模拟角度调制领域常用的卡森调相带宽估计准则，将卡森准则从外差载波调相带宽估计场合[2-3]引入到PGC载波调相带宽估计领域：针对光纤传感器工程中典型宽带信号，如：线性调频信号，实测激振力模拟冲激信号，采用卡森宽带调角带宽估计公式确定出系统PGC载波频率，利用该载波频率解调相应的经过插值升采样处理的原始信号，并给出宽带信号解调好坏评价指标——时域的输入输出信号归一化相关系数（Normalized Correlation Coefficient，NCC）以及归一化均方根误差（Normalized Root Mean Square Error，NRMSE），以验证PGC卡森宽带带限调相带宽估计外推公式的估计准确性和适用性，指导工程实际中宽频信号的解调。
基于干涉解调技术的光纤激光器水声传感系统
筠光电工程第３５誊第１２搬令沙（ｆ）＝毋（ｆ）＋Ｃｃｏｓ（‰ｆ），两项相加、相减得：ｑ＝（１＋ｃｏｓ（１２００＋∞）·ｃｏｓ（沙（ｆ））＋ｓｉｎ（１２００＋国·ｓｉｎ缈Ｏ））之ｔ＝（１一ｅｏｓ≤１２０。
÷国）·ｅｏｓ◇◇）＞一ｓ馘１２◇ｏ＋囝·ｓｉ戮（沙（≠））交叉微分相乘并相减得：Ⅳ一２ｓｉｎ（１２０。
＋回杪（ｆ）积分得输出：２ｓ域１２００＋圆矿◇），经过带通滤波嚣，滤除低频漂移织◇）和高频调豢ｇ信号ｅｃｏｓ（ｊ鸥幻，得到与声压成难比的相位信息纸（ｆ）。
因此，系统采用的解调算法在３×３耦合器分光比不完全对称的情况下，不用复杂的系数调整过程即能得到稳定的输出，引入的高频调制信号可通过低通滤波滤除，不会影响传感系统豹动态范隧，僵会限制系统的频带宽度。
在选定信号处理频带宽度豹水声簧感实际应用巾，适当选择调制频率，本解调算法能消除３×３耦合器分光比不完全对称带来的诸多影响，获得整个频带内信号的稳定输出，具有实用价值。
４ＤＦＢ光纤激光器水声传感实验实验中，将ＤＦＢ光纤激光器施加一定的应力后固定于金属榧架上，外经４ｍｍ，长７ｃｍ，其结构如图毒新示。
龄Ｂ光纤激光器出射激光的光谱如阁５所示。
金属支架使用聚氨酯涂覆保护后，使用比较法在７１０所武昌分部的消声水池内测试了该ＤＦＢ光纤激光器６．３ｋ抛水声响赢灵敏度和线性度。
９８０鼬泵浦光源功率为ｌ１５黼Ｗ，干涉仪中ＰｚＴ调制频率为２０ｋＨｚ，光电探测器的信号输入ＤＳＰ采厨上述箨法进行信号勰调，ＤＳＰ采用Ａ盛ａｌｏｇＤ辨ｉｃｅｓ公司的Ｂｌａｃｋｆｉｎ系列ＤｓＰ中的ＡＤＳＰ—ＢＦ５３３，解调输出端ＤＡ转换时相位和电压的转换因子为８，即电雁相对于相位有ｌ８国（参考值ｌＷ蕊≥的增益，光纾干涉纹菲平衡长度为２∞ｍ，标准水听器为Ｂ＆ＫＨｙｄｆｏｐｈｏｎｅ１卯ｅ８ｌｏｏ，灵敏度为－２１６．３ｄＢ参考值ｌＶ／妒ａ）。
干涉型光纤水听器PGC零差解调技术研究与实现
干涉型光纤水听器PGC零差解调技术研究与实现
周波;李绪友;郝燕玲
【期刊名称】《光学仪器》
【年(卷),期】2004(026)003
【摘要】通过严密的数学推导,对直接调制光源产生相位载波的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型光纤水听器调制解调技术进行了研究.在这一思想的指导下完成了相位载波(PGC)检测电路的硬件设计,给出了实验结果.
【总页数】6页(P32-37)
【作者】周波;李绪友;郝燕玲
【作者单位】哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔
滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
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3.干涉型光纤水听器零差解调虚拟仪器实现 [J], 刘尔;周力
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光纤水听器PGC解调归一化参数实时估计方法
光纤水听器PGC解调归一化参数实时估计方法周少玲;贠晓辉【摘要】针对光纤水听器相位生成载波(PGC)相位解调中采用离线估计归一化参数进行处理带来的明显失真,提出了一种归一化参数实时估计方法.该方法通过先计算2路正交信号目前时间点信号幅度与前一时间点信号幅度平方差,再计算两者比值得到归一化参数.通过仿真结合试验测量,验证了该方法可以在较小信号幅度情况下实现准确的归一化参数估计.试验结果表明,当光纤水听器上施加峰值为0.3 rad的信号时,采用实时估计的归一化参数值估计误差小于3％,用该值进行光纤水听器信号解调处理,得到的信号与总谐波失真比优于48 dB,可满足工程化应用需要.【期刊名称】《鱼雷技术》【年(卷),期】2014(022)002【总页数】5页(P91-95)【关键词】光纤水听器;相位生成载波;参数实时估计;总谐波失真【作者】周少玲;贠晓辉【作者单位】中国电子科技集团公司第23研究所,上海,200437;中国船舶重工集团公司第705研究所,陕西西安,710075;水下信息与控制重点实验室,陕西西安,710075【正文语种】中文【中图分类】TJ630.34;TP212.14光纤水听器具有无需水下供电, 易于构成大规模阵列, 能够适应恶劣环境等优点, 在海洋环境监测、安全防御和资源勘探等领域有着广泛的应用[1-3]。
干涉型光纤水听器利用双光束干涉原理,将环境声压变化转换为光纤中光相位变化, 通过信号处理系统提取声信号信息。
外界环境扰动引起干涉仪初相位随机漂移, 当相位为π/2及其整数倍时将出现相位信号衰落。
从干涉信号中准确提取被测信号的解调技术是光纤水听器研究的组成部分。
表征信号解调技术性能的指标主要包括解调结果的准确性、稳定性、噪声水平、动态范围、成本以及复杂度等。
被动零差法是目前应用较为广泛的光纤水听器信号解调方法, 包括3×3耦合器检测法和相位生成载波(phase generated carrier, PGC)法。
干涉型光纤光栅水听器实验研究
2009年第 1 期 声学与电子工程 总第 93 期干涉型光纤光栅水听器实验研究李东明 张自丽 桑卫兵 周苏萍（第七一五研究所 声纳技术国防科技重点实验室， 杭州，310012） 摘要介绍了干涉型光纤光栅水听器的传感原理，阐述了光纤光栅水听器的干涉仪解调实验系统构成方式。
利用金属弹性片增敏结构构成的光纤光栅水听器试样，测得其增敏结果为9000倍，试样测试得到100~1000Hz内−172 ~−164dB的相移灵敏度实验结果。
关键词 光纤光栅；水听器；干涉仪；灵敏度；增敏光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型光纤器件。
光纤光栅是在裸光纤内部形成折射率周期性分布的光栅，具有全光纤化、插入损耗低、成本低、体积小的优点，并且通过对光栅结构的设计可以得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域展现出广阔的应用前景。
在光纤传感领域，光纤光栅可以用作测量诸如温度、应变、振动、压力、声场、电磁场等物理量和某些化学量的传感元件。
光纤光栅在水声传感领域具有非常广泛的应用前景，光纤光栅水听器具有抗电磁干扰、宽动态范围、体积小、全光传输、便于多路复用等优点。
美国海军和英国GEC Marcon 都有这方面的开发项目[2]。
美国国防部目前正在进行利用光纤光栅探测水下舰艇的运行方向、速度以及发动机的振动频率等研究。
日本国家防卫研究院也对光纤光栅探测水下声信号的能力进行了研究，在80 dB~140 dB re μPa 范围内检测信号与声压具有良好的线性关系[1]。
近来，我们对干涉型光纤光栅水听器进行了一定的理论和试验研究，并对增敏结构进行了必要的设计和实验，获得了初步的试验结果。
所谓干涉型即采用解调干涉仪作为解调光系统，干涉仪臂长差经过设计与光纤光栅线宽进行匹配，干涉仪输出的干涉光束经过光电转换和数字解调可以得到相应的声信号。
光纤光栅增敏是通过优化设计水听器封装结构提高裸光纤光栅接收声波能力的技术，通过良好的增敏可以使光纤光栅的传感灵敏度大幅增加。
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2005年第24卷第8期传感器技术(Journa l o f T ransducer T echno logy)干涉型光纤水听器PGC解调的DSP实现袁大岭,李平,张仁和(中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室,北京100080)摘要:提出了基于数字信号处理器(D SP)系统的相位载波(PGC)解调的软硬件实现。
针对PGC解调中混频信号与实际调制信号的频率偏差,在DSP系统实现中采用一路A/D转换器对调制信号进行同步采样,从而克服了频率偏差对解调结果的影响。
结合TM S320C6201的CPU结构和片内资源,对算法实现进行了并行优化,实现了系统的实时解调。
实验表明:优化后算法的运算时间显著减少,D SP解调信号与参考信号的相关系数达到0.9。
关键词:干涉型光纤水听器;相位载波;解调;数字信号处理器中图分类号:TP274+.2文献标识码:A文章编号:1000-9787(2005)08-0057-03I mple m ent ation of PGC de m odulation for i nterfero m etricoptic fi ber hydrophone based on DSPYUAN Da-li n g,LI Pi n g,Z HANG R en-he(National L aboratory of Acoustics,Institu te of Acou stics,Ch i n ese Academy of S cien ce s,Be iji n g100080,Ch i na)Abstract:A d i g ita l i m ple m en tati on o f PGC demodu lati on based on DSP syste m is demonstra ted.T o overco m e the frequency o ffset bet w een the m ix i ng s i gna l and m odu l a ting signa l i n PG C de m odu l a tion,an additiona lA/D channe li n D SP sy stem is used to sa mp le t he m odu l ating signa.l To adapt f o r t he rea-l ti m e applica ti on,the a l go rith m i sopti m ized parall e lly based on T M S320C6201CPU arch itecture and chi p resources.T he exper i m ent show s the operati on ti m e of opti m i zed a l gor ith m has been g reatly reduced and the correlati on coeffi c i ent bet ween the reference si gna l and t he output processed by DSP is greater than0.9.K ey word s:i n terferom etr ic optic fi ber hydrophone;phase generated carr i er(PG C);de m odulati on;di g ita l signa l processo r(DSP)0引言在干涉型光纤水听器的信号检测方法中,相位载波(phase generated carrier,PGC)调制解调技术由于避免了有源相位跟踪技术的反馈补偿系统,适宜全光实现、远距离传输等优点,成为目前信号检测的主要方法。
其数字化实现因为混频、微分与交叉相乘(d ifferenti ate and cro ss m ultipl y, DCM)和积分等运算实现简单、滤波器设计简捷灵活、易于调试等优点,逐渐取代了传统的电路实现[1],本文给出了基于TM S320C6201的PG C解调实现。
在工程应用中,影响PGC解调的一个问题是由于调制激光源的频率漂移而产生的相位噪声。
为了消除这种相位噪声,一种方法[2]是采用附加的参考干涉仪,在对声场干涉仪和参考干涉仪分别进行混频与滤波运算后通过数学运算来消除。
然而,这种方法要求参考干涉仪与声场干涉仪的光学参数要完全匹配,在实现中很难做到,而且,这种方法增加了运算量,不利于实时实现。
一种简单的方法是收稿日期:2005-02-20直接对调制信号进行同步采样(采样频率等于对声场干涉仪信号的采样频率),使采样信号作为解调的混频信号。
在本文的数字信号处理器(di g ita l si gnal processor,D SP)系统实现中,本文作者通过一路附加的A/D转换电路来实现对调制信号的采样。
TM S320C6201是高性能32位定点DSP芯片,其时钟速率达到了200MH z,峰值运算速率达到1600M IPS,具有8个独立的功能运算单元和128k字节的片内静态随机访问存储器(static rando m access memo ry,SRAM),适合高速率的并行数据处理。
本文给出了基于DSP的PGC算法实现,并根据TM S320C6201的CPU结构对算法进行了优化。
实验部分给出了算法优化前后运算时间与存储量的比较,以及一次海试中声场干涉仪的接收信号和D SP的处理结果,并对处理结果和参考信号进行了比较。
1PGC调制解调原理干涉型光纤水听器的PG C检测方式是通过在干涉仪中57传 感 器 技 术 第24卷引入检测信号带宽外的某一大幅度相位调制信号,使所检测的声信号成为这些大幅度载波的边带信号,然后,用相干检测(PGC 解调)的方法来提取声信号,并达到减小环境噪声对信号影响的目的[1]。
系统的光路示意图见参考文献[3]。
对于M ach -Z ehnder 型干涉仪、F abry -P erot 型干涉仪等多种干涉仪,其检测信号可表示为[1]I =A +B cos [C cos (X 0t)+U (t)],(1)式中 A 为与干涉仪输入光强、偏振器、耦合器损耗等有关的直流项[4];B 与干涉仪的输入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等参数有关[4];C 为调制幅度;X 0为调制频率;U (t)为声场信号、干涉仪的固有相位差、两束光信号的初始相位差以及外界环境噪声的叠加,可表示为U (t)=s(t)+U 0(t),(2)式中 s (t)为声场信号;U 0(t)为其他因素产生的相位差。
PGC 解调的目的即是从式(1)中提取声信号s (t),其原理[1]如图1所示。
其中G,H ,K 为常系数,中间信号的表示如图1所示。
图1 PGC 解调框图F i g 1 Block di agra m of PGC de m odulati on从图1可知,PGC 解调主要涉及混频、滤波、微分、积分、加法、乘法等运算,而这些运算均可由数值运算来代替,适宜在DSP 上实现。
2 DSP 系统实现2.1 系统硬件的设计整个系统主要由数据采集、DSP 处理及数据输出三部分组成。
数据采集部分完成模拟信号的限幅、滤波、A /D 采样及传输控制;DSP 对采样信号进行实时处理,并实时输出处理后的数据;数据输出部分接收由DSP 传输的处理数据,并通过并口实时传送至主机。
图2是系统的硬件设计框图。
图2 系统框图F ig 2 Block diagra m of syste m声场干涉仪信号与调制信号的采样由16位A /D 转换器AD 7723完成,AD 7723为16位sig m a -delta 型A /D 转换器,其有效输入带宽达到460k H z ,采样率可达到1.2M H z ,可满足系统的采样率和频带要求。
两路A /D 转换器的同一采样时钟,由24.576MH z 的外接晶振通过D SP 的定时器分频得到。
由于定时器的分频比是可编程的,所以,系统可以根据声信号的频带要求灵活设置A /D 转换器的采样率。
两路A /D 转换器采用AD7723的串行模式1方式连接,并经由DSP 的串口多通道缓冲串口(mu lt-i channe l buffered serial port ,M CBSP)实现对两路信号的同时采样。
D SP 与主机间的数据传输采用主机并口)))增强型并口(enhanced parallel po rt ,EPP)模式的读操作来实现。
EPP模式能在一个工业标准架构(i ndustry standard arch itecture ,IS A )总线周期内实现字节的读写,其读写速率[5]一般大于500kB /s ,最高读写速率能达到1M B /s ,满足数据输出的速率要求。
为防止高速采样时的存储溢出,系统采用SRAM CY 7C1329作为DSP 的同步扩展外部存储器。
CY 7C1329为存储量为64k @32位的同步RAM,支持流水线操作,可与D SP 进行无缝连接。
CY 7C1329采用DSP 的100M 时钟SS -CLK 时钟作为同步时钟,其地址空间映射到E M IF 的CE0存储区。
程序的加载采用AM 29LV 040B FLA S H 芯片实现。
AM 29LV 040B 是512@8位的FLA S H 存储器,其接口电压为3.3V,可实现与DSP 的无缝连接。
逻辑控制实现对系统的复位、外部事件中断、采样控制以及数据输出的控制,采用简单的门电路实现。
2.2 P GC 算法的实现及优化由硬件部分可知,混频信号c 1(t)直接由A /D 采样获得。
对于数字化实现,混频增益G,H 失去意义,可以设定G,H 相等,故c 2(t)可由c 1(t)利用余弦公式获得c 2(t)=2c 21(t)-1.(3)作为近似,微分采用差商[6]代替,积分采用梯形公式[6]实现,即d y 1(t)=y 1(t +1)-y 1(t),(4)z (t)=z (t -1)+12[y (t -1)+y (t +1)].(5)在PGC 解调中,滤波对解调结果和系统的实时性影响最大。
为了降低信号的相位失真,系统采用了线性相位的有限冲击响应(fi n ite i m pulse response ,F I R )滤波器,并在满足系统实时性要求和片内存储资源的基础上,加大了滤波器阶数,以保证对小信号的检测。
软件开发环境CCS2.2支持汇编语言和C 语言的独立和混合编程。
为了提高效率,本文采用了以C 语言为主的编程模式,并在此基础上对算法实现进行了优化,以提高系58第8期 袁大岭等:干涉型光纤水听器PG C 解调的D SP 实现 统的解调速度。