光纤激光水听器的PGC实时全数字解调系统

　　分布反馈(DFB)光纤激光水听器使用激光谐振腔作为传感元件，通过检测输出激光波长的位移获得外界声压信息。它具有声压响应灵敏度高、尺寸小、抗电磁干扰、易于制作小直径轻型线性阵列等特点，在水下预警、远程目标探测等领域具有较明显的优势，当今各国海军对都其投入了大量的研究[1-3]。

　　相位载波零差法(PGC)是利用远离水声信号频带的高频、大幅度载波信号对光纤干涉仪信号的初始相位进行调制，避免了由于相位随机漂移造成的检测灵敏度低、非线性误差大、动态范围小等缺点，在光纤传感器，尤其是光纤激光水听器解调方面具有广泛的应用[4-5]。

　　通常PGC解调使用模拟电路实现，其最突出的问题是不灵活、稳定性差且不易调试;由于PGC解调算法较为复杂，需要多次相乘、滤波、微分、积分等，数字化解调的实现往往也是非实时的，这对于水声探测进入实用是一个非常大的障碍。文中在数学推导及仿真的基础上，实现了对单阵元光纤激光水听器的PGC实时全数字解调，有效解决了实时全数字解调过程中调制信号和混频信号的频差问题，为水听器阵列的实时全数字解调奠定了基础。

　　1　光纤激光水听器

　　PGC调制解调原理DFB光纤激光器是在一段掺铒光纤内写入光纤光栅，这种结构在泵浦作用下形成激光谐振腔，发射出与腔长等相关的特定波长的激光[6-8]。图1为基于迈克尔逊干涉仪的光纤激光水听器PGC检测方案原理图。

　　用单频信号ω0调制PZT元件，在光电探测器处的光电流转换为电压信号可表示为

　　式中：A正比于干涉仪的输入光功率，且比值B/A为干涉条纹的可见度;C为调制信号的幅度;φ(t)表示待测信号与环境噪声及初始相位共同引起的相位变化。如图1所示，将幅度分别为G、H和角频率分别为ω0、2ω0的载波信号与干涉仪输出信号进行混频，并分别通过低通滤波器后[9]，得到

　　将两式微分并与两式交叉相乘后，再对两路信号进行差分运算得

　　积分后得到

　　其中，φ(t)包含了待测信号以及环境噪声等造成的相位变化，后者通常情况下是缓变信号，所以通过高通滤波器，最后可得到包含待测信号的信息。

　　2　调制信号与混频信号的频差问题

　　光电探测电路输出信号Vi=A+Bcos(Ccosω0t+φ(t))通过模/数转换器(ADC)进行采样后，与角频率分别为ω0、2ω0的载波信号进行混频。在实时全数字解调过程中，如何正确获取混频信号是系统实现的关键技术之一。当实际调制信号与混频信号存在相差θ和频差m时，相当于在混频时Vi分布乘上cos(ω0t+mt+θ)和cos(2ω0t+2mt+2θ)，经过低通滤波，式(2)、(3)表达式变为