干涉型光纤水听器数字化外差检测方法动态范围上限研究

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　　1　引言

　　信号检测技术是干涉型光纤水听器最基本、最关键的技术之一，其中零差法和外差法是两种基本的信号检测方法。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随机漂移会导致信号衰落。为了解决这一问题，研究人员提出了工作点控制法[1，2]、相位产生载波(PGC)法[3～6]以及3×3耦合器法[7，8]等，其中工作点控制法因为传感基元电学有源而不适用于水下传感;PGC法固有的信号混叠问题限制了检测信号的幅度和带宽从而制约了其发展[9，10];3×3耦合器法每基元有3路信号输出，当水听器阵列基元数目较多时，会使阵列结构及解调系统非常复杂而不利于大规模组阵。外差法引入相对较高的频率调制，将待测信号加载于其上，可以有效克服环境扰动的影响，同时还具有可携带的信号带宽大、易于构成多基元时分复用系统的优点，再加上目前光学移频器技术日趋成熟，价位不断趋于合理，使得这种方法不仅广泛用于光学测量和光通信[11，12]，也被以英国QinetiQ公司、Stingray公司和美国海军实验室为代表的国外光纤水听器研究机构确定为主流的信号检测方案[13～15]。但目前此方面文献报道的内容多针对阵列系统的光学结构、问询方法、噪声分析与测试和实验结果等，并没有给出外差检测方法解调及其性能的具体分析。本文对外差检测方法进行研究，主要分析系统动态范围上限，因为这一指标直接决定光纤水听器系统的性能及其应用。给出外差检测方法动态范围上限的决定因素以及扩展动态范围的方法，利用数值模拟验证理论分析，构建基于外差检测的光纤水听器系统，进行信号解调的实验研究。考虑到数字化解调稳定性高，噪声小，电路易实现，且目前数字芯片及信号处理技术比较成熟，本文将采用全数字化检测系统。

　　2　干涉型光纤水听器外差检测方法基本原理

　　外差法中，干涉仪输出信号为[16]

　　式中A为光强的直流项，B为光强交流项的振幅，与干涉仪的输入光强、耦合器的分束比、两束光的偏振态等有关，Δf为外差频率，Φ(t)中包含被测信号，也包括初相位及环境扰动等引入的噪声。外差法将频率较低的信号加载于频率较高的外差信号上，在经光电转换之后，可滤除(1)式的直流项，得

　　解调过程需要用到两个参考信号：

　　式中C为参考信号的幅度。

　　传感信号(2)与参考信号(3)，(4)混频后，得到的信号为

　　对(5)式和(6)式进行低通滤波，可以得到关于Φ(t)的一对正交项

　　接下来利用反正切方法[17，18]或微分-交叉相乘(DCM)[3]，即可解得Φ(t)，进而得到待测信号。