光纤水听器系统光纤传输噪声的自适应消除

　　0 引言

　　干涉型光纤水听器远程传输系统[1-2]中，传输光纤受到振动、弯曲和温度变化等环境因素的影响时，长度和折射率等参数将发生随机变化。这些参数变化随着传输距离的增加而逐步累积，最终在系统中引入强的背景噪声。对于光纤长度和折射率变化引入的传输噪声，已有较多的研究。Kirkendall 等[3]指出大幅度应力作用在传输光纤上引起光纤长度变化，将在非平衡干涉仪中引入的相位调制噪声;Kersey 等[4]使用庞加莱球描述了传输光纤中双折射引入的偏振噪声;Garoszewicz 等[5]使用琼斯矩阵法研究了输入偏振态变化引入的噪声;吴悦峰等[6]研究了当法拉第旋转角有偏差时，引导光纤偏振态扰动在干涉仪中引人相位噪声。光纤传感系统常用的噪声抑制方法之一是使用参考探头获得系统噪声，再与传感探头进行噪声相减。Kersey等[7]通过相减法消除了激光器频率抖动导致的相位噪声，Henrik 等[8]抑制了光纤长度变化在双脉冲中引入的多普勒噪声。噪声相减法是基于系统中参考探头与传感探头噪声完全一致的原理，但已有研究结果[4-6]均表明，扰动传输光纤引入的噪声不仅与输入偏振态有关，还与光纤干涉仪信号光和参考光的偏振态有关，而干涉仪或探头获得的噪声仅仅是部分相关的。因此直接相减法对传输噪声的抑制效果往往不能令人满意。

　　自适应噪声消除[9]的优势是通过自适应算法调整滤波器系数，可实现系统噪声的最佳估计，从而达到最优的噪声消除效果。经过几十年的发展，自适应噪声消除已经在通信、雷达等领域得到了广泛应用。近年来它也开始应用于光纤传感领域，例如减小光纤陀螺信号随机漂移[10-11]、抑制光纤矢量水听器光源和电路噪声[12]等。本文将自适应噪声消除法使用到光纤水听器远程传输系统中，设计合理的光学系统和滤波器算法，对光纤传输噪声进行了滤除。实验上采用归一化最小均方误差(NLMS)算法分别实现了6km传输光纤中偏振噪声和相位调制噪声的较好抑制，并完整保留了传感探头的信号。

　　1 基本原理

　　适用于光纤水听器系统的自适应噪声消除原理如图1所示。

　　图1中，自适应噪声消除系统的输入信号由参考信号u(n)和基本信号d(n)组成。其中u(n)由声压和加速度不敏感的参考探头获得，它仅包含系统的相位噪声φnr(n)。基本信号d(n)由传感探头获取，它包含系统相位噪声φnp(n)和探头接收外界传感信号获得的信息φs(n)。如果将光源噪声、电路噪声、远程传输的散射nr(n)和φnp(n)主要为具有一定相关性的传输噪声。由此相关性，φnr(n)经自适应滤波W(n)处理后可得到对φnp(n)的估计，即φnr(n)。φnr(n)与d(n)相减的误差信号e(n)再通过某种算法对W(n)进行反馈控制，使φnr(n)逐步逼近φnp(n)。经多次迭代处理后，最终的误差信号e(n)即为传感探头消除噪声后，信号φs(n)的最优估计。