分布反馈光纤激光水听器相位一致性的测试方法

1 基 本 原理
光纤激光水听器的相位一致性是指当两个或两 个以上光纤激 光 水 听 器 在 相 同 瞬 时 声 压 作 用 下 ，各 个 水听器 解 调 后 结 果 的 相 位 差 值 。 如 图 1 所 示 ，参 考 压 电水听器和被测光纤激光水听器同时置于发射器 F 激发 的声场中 接收 声 压,所测得 的光 纤 激光水听 器和 参考压电水听器的相位差值为：
第 40 卷 第 2 期
Vol.40 No.2
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2011 年 2 月 Feb. 2011
分 布 反 馈 光 纤 激 光 水听 器 相 位 一 致 性的测试 方法
宋 晓 燕 ，张 文 涛 ，何 俊 ，李 芳 ，刘 育 梁
（ 中 国 科 学 院 半 导 体 研 究 所 光 电 系 统 实 验 室 ， 北 京 100083 ） 摘 要 ： 在 传 统 压 电 水 听 器 相 位 一 致 性 测 试 的 基 础 上 提 出 了 分 布 反 馈 (DFB) 光 纤 激 光 水 听 器 相 位 一
收 稿 日 期 ： 2010-05-22 ；
修 订 日 期 ： 2010-3 计 划 资 助 项 目 (2009AA11Z212 ） ； 中 国 科 学 院 科 研 装 备 研 制 项 目 （ YZ200901 ） 作 者 简 介 ： 宋 晓 燕 （1985- ）， 女 ， 硕 士 生 ， 主要 从 事 水 听 器 测 试 及 测 试 设 备 研制方 面 的研究工 作 。 Email:songxiaoyan08@ 导 师 简 介 ： 刘 育 梁 （ 1966- ） ， 男 ， 研 究 员 ， 博 士 生 导 师 ， 主 要 从 事 光 电 系 统 方 面 的 研 究 工 作 。 Email:ylliu@
Ψij= Ψio- Ψjo
(2)
2 系统介 绍
2.1 光 纤 激 光 水 听 器 解 调 部 分
解调仪系统内部原理图如图 2 所示。 光纤激光水 听器在抽运激光 的 作 用 下 产 生 窄 线 宽 单 频 激 光 ，激 光 波长对应外界正弦信号做周期性变化。 经过波分复用 耦 合 器 后 ，滤 去 抽 运 激 光 。 为 减 少 回 波 损 耗 ，激 光 从 波 分复用器输出经 过 光 纤 隔 离 器 后 ，再 进 入 非 平 衡 迈 克 尔逊干涉仪。 干涉仪在两臂末端使用法拉第旋转反射
图 2 光纤激光水听器解调系统图
Fig.2 Demodulation system of optical fiber laser hydrophone
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红外与激光工程
第 40 卷
2.2 数 字 化 高 精 度 相 位 检 测 器
(Optoelectronic System Laboratory, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)
Abstract: A method of detecting the phase congruency of distributed feedback (DFB) optical fiber laser hydrophones was proposed based on detection system of traditional piezoelectric hydrophones, and the phase congruency detection system was set up. A polarization - insensitive unbalanced Michelson fiber interferometer was employed to transfer the frequency shifts to the phase shifts of the interferometer. After converting the output optical signal of the interferometer to electric signal, a normalized phase generated carrier (PGC) demodulation technique was used to demodulate the acoustic signal. Then the demodulated signal and the signal of the reference piezoelectric hydrophone were input into a high - resolution digital phase detector to get the phase difference. Repeat the above steps with another optical fiber laser hydrophone and compare the two results, the phase congruency between the two optical fiber laser hydrophones would be calculated. Corresponding experiments show the reliability of the phase congruency detection system and the high phase congruency between optical fiber laser hydrophones. Key words: distributed feedback optical fiber laser hydrophone; phase generated carrier; phase congruency; high - precision digital phase detector
致性的测试方法， 并搭建了测试系统。 采用偏振无关的非平衡迈克尔逊干涉仪和归一化的相位载波
(PGC) 解 调 方 案 ， 解 调 出 光 纤 激 光 水 听 器 感 受 的 水 声 信 号 ， 并 与 参 考 压 电 水 听 器 作 对 比 ， 使 用 高 精 度 相
位 检 测 器 将 两 信 号 转 化 为 相 位 差 信 号 ；重 复 测 量 第 二 支 光 纤 激 光 水 听 器 ；将 两 个 相 位 差 值 作 比 较 即 可 得 到 光 纤 激 光 水 听 器 的 相 位 一 致 性 。 实 验 证 明 了 测 试 系 统 的 稳 定 性 ；同 时 对 光 纤 激 光 水 听 器 的 相 位 一 致 性 进 行 了 测 试 和 分 析 ，证 明 了 光 纤 激 光 水 听 器 具 有 很 高 的 相 位 一 致 性 。 关键词： 分布反馈光纤激光水听器； 中 图 分 类 号 ： TN253 ； TP212.14 相位一致性； 相位载波； 高精度相位检测器
图 1 光纤激光水听器相位一致性测试系统原理图
Fig.1 Phase congruency detection system of optical fiber laser hydrophone
器 是 相 同 的 。 PGC 解 调 系 统 引 入 的 相 位 差 只 取 决 于 解 调 仪 中 的 器 件 参 数 、 PGC 解 调 程 序 中 的 参 数 设 置 ， 而 与探头本身无 关 。 因 此 ，在 解 调 系 统 参 数 保 持 不 变 的 情 况 下 ， ΨPGC 对 于 不 同 的 光 纤 激 光 水 听 器 是 相 同 的 。 那 么 ，两 支 光 纤 激 光 水 听 器 的 相 位 一 致 性 为 ：
镜 ，消 除 由 于 输 入 光 偏 振 态 变 化 引 起 的 干 涉 信 号 的 衰 落 现 象 ，提 高 解 调 结 果 的 稳 定 性 。 干 涉 仪 将 外 界 信 号 引起的激光器波 长 变 化 转 化 为 干 涉 仪 的 相 位 变 化 ，然 后 进 入 光 电 探 测 器 (PD) 转 化 为 电 压 信 号 ， 利 用 同 步
文献标志码： A
文 章 编 号 ： 1007-2276(2011)02-0310-05
Experiment on the phase congruency of distributed feedback optical fiber laser hydrophones
Song Xiaoyan, Zhang Wentao, He Jun, Li Fang, Liu Yuliang
第2期
宋 晓 燕 等 ：分 布 反 馈 光 纤 激 光 水 听 器 相 位 一 致 性 的 测 试 方 法
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0 引 言
随着消声 潜 艇 技 术 的 不 断 提 高 ，光 纤 水 听 器 得 到 迅 速 发 展 。 近 年 来 ， 以 分 布 反 馈 (DFB) 光 纤 激 光 器 作 为 传感元件的新 一 代 水 听 器 引 起 了 广 泛 关 注 ，并 在 国 防 等诸多领域 开 始 获 得 应 用 。 与 传 统 水 听 器 相 比 ，光 纤 激光水听器具有体积小、灵敏 度极高、单模工 作 特 性 稳 定 、线 宽 超 窄 、响 应 频 带 宽 、适 于 组 阵 等 优 点 。 结 合 高分辨率波长 解 调 技 术 ，它 能 够 实 现 超 高 灵 敏 度 的 信 号 探 测 [1] 。 因 此 ， 基 于 DFB 光 纤 激 光 器 的 有 源 型 光 纤 水听器在需要 小 尺 寸 、高 灵 敏 度 水 听 器 的 领 域 具 有 广 泛 的应用 潜 力 [2-5] 。 对 于 水 下 声 纳 系统 ， 往往 需 要 光 纤 激 光 水 听 器的 拖曳 阵 列 来分 析 声源 的 强 度 和 位 置 [6]。 目 前 ， 阵 列 信 号 处理 通 常采 用波 束 形 成 算 法 ， 它 主 要 对 特 定 方 向 的 有 用 信 号 形 成 波 束 ， 来 实 现 目 标 定 位 要 求 [7-8] 。 因 此 ， 这 就 需 要 各 个 光 纤 激 光 水 听 器 换 能 机 制 有很高 的 相 位 一 致 性 。 然 而 ， 目 前 还没 有 文 献 报 道 有 关 光 纤 激 光水听器相位一致的相位测试方法。 文中主要在传统水听器相位一致性测试方法的 基础上首次提出了光纤激光水听器相位一致性的测 试方法，搭建了测试系统，进而给 出了测试系 统 稳 定 性的实验证明。 并使用高精度相位互相关算法实现了 对光纤激光水听器相位一致性的测试。
A/D 采 集 卡 将 模 拟 电 压 信 号 转 化 为 数 字 信 号 ， 再 对 数
字 信 号 进 行 如 图 3 所 示 的 归 一 化 PGC 相 位 载 波 解 调 算 法 ，最 终 得 到 外 界 正 弦 信 号 。
Ψio= Ψi- Ψo
(1)
式 中 ： Ψi 和 Ψo 分 别 是 光 纤 激 光 水 听 器 和 参 考 压 电 水 听 器 在 声 场 中 所 测 得 的 相 位 值 。 易 知 Ψio 由 三 部 分 组 成 ： 声 场 中 不 同 位 置 的 瞬 时 声 压 的 相 位 差 值 Ψp 、 光 纤 激 光 水 听 器 PGC 解 调 系 统 引 入 的 相 位 差 ΨPGC 及 两 水 听 器 探 头 换 能 机 制 的 相 位 一 致 性 Ψphasei 。 参 考 水 听 器 Jo 在 声 场 中 位 置 不 变 ， 保 持 被 测 光 纤 激 光 水 听 器 与 F 、 Jo 的 相 对 位 置 不 变 ， 将 光 纤 激 光 水 听 器 J i 替 换 为 J j 。 因 此 ， Ψp 对 于 不 同 的 光 纤 激 光 水 听