專利名稱：一種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聲傳感器參數(shù)計(jì)量領(lǐng)域，主要是一種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏 度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
由于光纖傳感器所具有的獨(dú)特優(yōu)越性，它在國防領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，主要用于 導(dǎo)航和安全防衛(wèi)等方面。其中，在水聲領(lǐng)域應(yīng)用的光纖傳感器主要是光纖水聽器及其陣列。 光纖水聽器是一種新型的聲傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電水聽器，光纖水聽器具有探測靈敏 度高、響應(yīng)頻帶寬、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)輕巧、抗電磁干擾和易于大規(guī)模成陣等特點(diǎn)，是現(xiàn)代聲 納的一個(gè)重要發(fā)展方向。所以，在1976年美國海軍研究室的Bucaro等人發(fā)表第一篇有關(guān) 光纖水聽器的論文后，各軍事強(qiáng)國紛紛投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行有關(guān)光纖水聽器的研究和 試驗(yàn)。目前中國國內(nèi)還沒有建立有關(guān)光纖水聽器靈敏度校準(zhǔn)方面的系統(tǒng)。光纖水聽器是一種新型的聲傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的壓電水聽器，光纖水聽器具有 靈敏度高、頻帶響應(yīng)寬、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)輕巧、抗電磁干擾和易于大規(guī)模成陣等特點(diǎn)，是現(xiàn) 代聲納的一個(gè)重要發(fā)展方向。根據(jù)其傳感原理，大致可分為強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制型、相位 調(diào)制型和波長調(diào)制型四種光纖水聽器類型，這四種光纖水聽器中，強(qiáng)度型和偏振型光纖水 聽器由于其探測靈敏度遠(yuǎn)不如相位干涉型，目前已基本不再研究；以FBG為核心元件的波 長調(diào)制型光纖水聽器近年來正在不斷研究發(fā)展，但主要還停留在實(shí)驗(yàn)室或者試驗(yàn)陣列的研 究階段；目前工程實(shí)用化的光纖水聽器均采用相位調(diào)制型。通常壓電水聽器校準(zhǔn)的電聲參數(shù)主要是靈敏度，而光纖水聽器根據(jù)其工作原理的 不同，其主要的電聲參數(shù)有可能是靈敏度，也有可能是相移靈敏度，如目前研究最為成熟的 相位調(diào)制型光纖水聽器的電聲參數(shù)就是相移靈敏度。兩種靈敏度在光信號(hào)的處理上是不同 的。其中，相移靈敏度的檢測則比較復(fù)雜。對(duì)相位干涉型光纖水聽器相移靈敏度的校準(zhǔn)，通 常采用的方法有干涉條紋計(jì)數(shù)法和貝塞爾函數(shù)比值法。干涉條紋計(jì)數(shù)法非常直觀，但在信 號(hào)較小且有干擾時(shí)誤差偏大；在信號(hào)較大干涉條紋數(shù)較多時(shí)精度較高。貝塞爾函數(shù)比值法 利用貝塞爾函數(shù)比值求得相位干涉型光纖水聽器光相移，從而得到光纖水聽器相移靈敏度 的方法，在信噪比不高時(shí)校準(zhǔn)精度較差。而目前最先進(jìn)的是利用光纖水聽器信號(hào)解調(diào)技術(shù) 如相位載波(PGC)調(diào)制解調(diào)技術(shù)校準(zhǔn)光纖水聽器的相移靈敏度。這樣的測量具有很高的精 度。PGC方法的基本思想是通過在干涉儀輸出相位中生成一個(gè)相位載波，使輸出信號(hào) 可以分解為兩個(gè)正交分量，通過對(duì)兩者分別處理，可以得到信號(hào)的線性表達(dá)式。通過相位載 波，使光源輸出的光波相位隨載波信號(hào)有規(guī)律的變化，從而實(shí)現(xiàn)了相位調(diào)制。PGC解調(diào)則是 通過信號(hào)處理的方法，從光纖水聽器的輸出信號(hào)中解調(diào)出被測信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是要克服上述技術(shù)的不足，而提供一種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法，用于對(duì)新型水聽器——相位干涉型光纖水聽器的相移靈敏度 校準(zhǔn)和測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通 用校準(zhǔn)系統(tǒng)，由控制和管理系統(tǒng)、水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、光相位解調(diào)系統(tǒng)和電信號(hào)接收系統(tǒng)四 個(gè)子系統(tǒng)組成，控制和管理系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)及其外設(shè)，通過通用接口管理與控制水聲信號(hào)發(fā) 射系統(tǒng)，光相位解調(diào)系統(tǒng)和電信號(hào)接收系統(tǒng)三部分工作，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和信號(hào)處理計(jì)算； 水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)由信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射換能器和聲管組成，用于得到光纖水聽器校 準(zhǔn)所需要的聲場；信號(hào)源的信號(hào)通過功率放大器放大后，輸入發(fā)射換能器，發(fā)射換能器發(fā)出 特定頻率的聲信號(hào)，以水為聲波傳播媒質(zhì)，在聲管中形成穩(wěn)定的聲場；光相位解調(diào)系統(tǒng)用于 解調(diào)光纖水聽器輸出的光干涉信號(hào)，光纖水聽器感應(yīng)聲場中的聲波，并輸出光干涉信號(hào)進(jìn) 入解調(diào)儀處理；電信號(hào)接收系統(tǒng)由濾波器，示波器和數(shù)字采集卡組成，采集卡采集被測光纖 水聽器光信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的模擬輸出信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)水聽器的輸出信號(hào)。光相位解調(diào)子系統(tǒng)由0PD4000相位解調(diào)儀、窄線寬激光光源和外調(diào)制器組成，用 于對(duì)干涉光的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)并采用模擬信號(hào)輸出結(jié)果，從光纖水聽器出來的光干涉信 號(hào)經(jīng)過解調(diào)處理以后得到所需要的光相位數(shù)值。本發(fā)明所述的這種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)方法，步驟如下首 先窄線寬激光光源經(jīng)過外調(diào)制器的高頻調(diào)制后進(jìn)入光纖水聽器，輸入光在光纖水聽器內(nèi)部 分成感應(yīng)臂光路和參考臂光路兩路，光纖水聽器處在聲場中，聲波作用在光纖水聽器上，使 得水聽器內(nèi)部的感應(yīng)臂光纖產(chǎn)生變化，而水聽器的參考臂不感應(yīng)聲場，感應(yīng)臂和參考臂干 涉后的干涉光輸入到解調(diào)儀中，采用PGC信號(hào)處理技術(shù)解調(diào)出的干涉光的光相位，該光相 位的數(shù)值與聲波的大小成固定比例，得到聲波大小和光相位大小，然后依據(jù)公式得到光纖 水聽器的相移靈敏度。作為優(yōu)選，校準(zhǔn)系統(tǒng)采用比較法，將相位干涉型光纖水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器分別或 同時(shí)置于校準(zhǔn)聲場中進(jìn)行測量，標(biāo)準(zhǔn)水聽器是指其靈敏度已知的水聽器，用于測量聲場大 小，在聲壓作用下光纖水聽器輸出受調(diào)制的光信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后變成電信號(hào)，相位解調(diào)后 對(duì)它進(jìn)行測量得到其光相移值為Φ ；再測得標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出的開路電壓信號(hào)Utl ；利用已知 的標(biāo)準(zhǔn)水聽器的靈敏度Mtl，靈敏度通常采用對(duì)數(shù)的表達(dá)方式，由下列公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到相位干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級(jí)
權(quán)利要求
1.一種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征是由控制和管理系 統(tǒng)、水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、光相位解調(diào)系統(tǒng)和電信號(hào)接收系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)組成，控制和管理系 統(tǒng)是計(jì)算機(jī)及其外設(shè)，通過通用接口管理與控制水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)，光相位解調(diào)系統(tǒng)和電 信號(hào)接收系統(tǒng)三部分工作，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和信號(hào)處理計(jì)算；水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)由信號(hào)源、 功率放大器、發(fā)射換能器和聲管組成，用于得到光纖水聽器校準(zhǔn)所需要的聲場；信號(hào)源的信 號(hào)通過功率放大器放大后，輸入發(fā)射換能器，發(fā)射換能器發(fā)出特定頻率的聲信號(hào)，以水為聲 波傳播媒質(zhì)，在聲管中形成穩(wěn)定的聲場；光相位解調(diào)系統(tǒng)用于解調(diào)光纖水聽器輸出的光干 涉信號(hào)，光纖水聽器感應(yīng)聲場中的聲波，并輸出光干涉信號(hào)進(jìn)入解調(diào)儀處理；電信號(hào)接收系 統(tǒng)由濾波器，示波器和數(shù)字采集卡組成，采集卡采集被測光纖水聽器光信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)的模 擬輸出信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)水聽器的輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征是 光相位解調(diào)子系統(tǒng)由0PD4000相位解調(diào)儀、窄線寬激光光源和外調(diào)制器組成，用于對(duì)干涉 光的相位進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)并采用模擬信號(hào)輸出結(jié)果，從光纖水聽器出來的光干涉信號(hào)經(jīng)過解 調(diào)處理以后得到所需要的光相位數(shù)值。
3.一種采用如權(quán)利要求1所述的基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)的校 準(zhǔn)方法，其特征是首先窄線寬激光光源經(jīng)過外調(diào)制器的高頻調(diào)制后進(jìn)入光纖水聽器，輸入 光在光纖水聽器內(nèi)部分成感應(yīng)臂光路和參考臂光路兩路，光纖水聽器處在聲場中，聲波作 用在光纖水聽器上，使得水聽器內(nèi)部的感應(yīng)臂光纖產(chǎn)生變化，而水聽器的參考臂不感應(yīng)聲 場，感應(yīng)臂和參考臂干涉后的干涉光輸入到解調(diào)儀中，采用PGC信號(hào)處理技術(shù)解調(diào)出的干 涉光的光相位，該光相位的數(shù)值與聲波的大小成固定比例，得到聲波大小和光相位大小，然 后依據(jù)公式得到光纖水聽器的相移靈敏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)方法，其特征在 于校準(zhǔn)系統(tǒng)采用比較法，將相位干涉型光纖水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器分別或同時(shí)置于校準(zhǔn)聲 場中進(jìn)行測量，標(biāo)準(zhǔn)水聽器是指其靈敏度已知的水聽器，用于測量聲場大小，在聲壓作用下 光纖水聽器輸出受調(diào)制的光信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后變成電信號(hào)，相位解調(diào)后對(duì)它進(jìn)行測量得 到其光相移值為Φ ；再測得標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出的開路電壓信號(hào)Utl ；利用已知的標(biāo)準(zhǔn)水聽器的 靈敏度Mtl，靈敏度通常采用對(duì)數(shù)的表達(dá)方式，由下列公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到相位干涉型光 纖水聽器的相移靈敏度級(jí)M41,
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光相位解調(diào)儀的相移靈敏度通用校準(zhǔn)系統(tǒng)及方法，該校準(zhǔn)系統(tǒng)是基于OPD4000光相位解調(diào)儀而建立，用于干涉型光纖水聽器的相移靈敏度校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)由控制和管理系統(tǒng)、水聲信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)、光相位解調(diào)系統(tǒng)和電信號(hào)接收系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)組成。光相位解調(diào)子系統(tǒng)是基于相位生成載波外調(diào)制解調(diào)技術(shù)的原理組成，能夠?qū)Ω缮婀獾南辔贿M(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)并采用模擬信號(hào)輸出結(jié)果。本發(fā)明有益的效果是能精確實(shí)時(shí)地得到相位干涉型光纖水聽器的相移靈敏度頻率響應(yīng)，并能提供模擬和數(shù)字兩種數(shù)據(jù)形式的輸出，適用于各類不同臂長差的相位干涉型光纖水聽器相移靈敏度校準(zhǔn)，且具有校準(zhǔn)頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、操作簡便和測量不確定度低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102072761SQ201010589979
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者張軍, 徐平, 王世全, 羅馬奇, 費(fèi)騰, 陳毅 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所