基于DSP的光纤光栅水听器信号解调系统

　　光纤水听器自20世纪70年代提出以来之后,发展迅速,在水声物理研究、石油勘探以及军事上得到了广泛的应用[1].

　　从目前的发展状况来看,光纤水听器主要有两种类型,一是干涉型光纤水听器,另外一种是光纤光栅水听器.干涉型水听器用光纤干涉仪作传感头,其灵敏度高,但是传感头体积较大,不适合做水听器阵列;光纤光栅水听器利用刻在光纤上的光栅作传感头,体积小,利用光通信上成熟的波分复用(WDM)等技术很容易组成体积小的大阵列水听器[2].

　　1 光纤光栅水听器原理

　　光纤光栅水听器信号解调光路如图1所示.光纤光栅的反射波长λ受到声信号的调制:

　　其中:ωs为声信号角频率.测量反射波长K后通过式(1)即可求得所测量的声信号.光纤光栅反射光的波长信息通过图1中的M-Z干涉仪转换为光强信息,由光电探测器转换为电信号,经过一系列处理最终解调出声信号.

　　图1中的M-Z干涉仪为非平衡干涉仪[3],假设其中的3x3耦合器是偏振无关且无损耗的,根据文献[4-5],输出的三路光的光强表达式为:

　　其中:φ是波长为λ的光经过M-Z干涉仪两臂后产生的相位差,,ΔL是干涉仪的非平衡长度,n是光纤纤芯介质折射率.干涉仪输出的三路光强信号随光波长K而变化,但它们之间始终满足式(2)的关系,即它们的交流成分之间始终保持120°的固定相位差.这三路光电信号经过3x3解调算法[4-7]可求得其中的相位信号φ.实际的3x3耦合器有一定的非对称性,光电探测器接收到的三路光电信号交流成分振幅不完全相等,它们之间的相位差也与120°有些差异,但这些误差都非常小,在3x3解调算法中采用一些补偿措施[6,7]后可将3x3耦合器非对称的影响减小到可以忽略的地步(见图3中的实验结果).

　　相位信号φ随光波长λ而变化,而光纤光栅水听器反射的光波长K受声信号的调制,φ表达式为:

　　式(3)中λ0αcos(ωst)是声信号对光纤光栅反射波长的调制部分,相对中心波长λ0是非常小的量,例如采用中心波长λ0为1550nm的光纤光栅,声信号对波长的调制λ0αcos(ωst)一般小于1nm,所以式(3)可近似表示为:

　　其中,φs0cos(ωst).φss即为要测量的声音信号,只要求得φ(t),再将φ(t)经过高通滤波除去直流成分后即可得到φs.　　

　　2 解调系统的软硬件实现

　　解调系统包括硬件电路和软件两部分.电路实现将干涉仪输出的3路干涉光信号转换为电信号,经放大等处理后由ADC转换为数字信号并送到DSP中处理.DSP中实现软件3x3解调算法,并将解调的结果通过DAC输出.整个解调系统框图如图2所示.