专利名称：一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法
技术领域：
本发明属于水声传感器参数计量领域，主要是一种基于光相位解调仪的相移灵敏 度通用校准系统及方法。
背景技术：
由于光纤传感器所具有的独特优越性，它在国防领域的应用越来越广，主要用于 导航和安全防卫等方面。其中，在水声领域应用的光纤传感器主要是光纤水听器及其阵列。 光纤水听器是一种新型的声传感器，相对于传统的压电水听器，光纤水听器具有探测灵敏 度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声 纳的一个重要发展方向。所以，在1976年美国海军研究室的Bucaro等人发表第一篇有关 光纤水听器的论文后，各军事强国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤水听器的研究和 试验。目前中国国内还没有建立有关光纤水听器灵敏度校准方面的系统。光纤水听器是一种新型的声传感器，相对于传统的压电水听器，光纤水听器具有 灵敏度高、频带响应宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现 代声纳的一个重要发展方向。根据其传感原理，大致可分为强度调制型、偏振调制型、相位 调制型和波长调制型四种光纤水听器类型，这四种光纤水听器中，强度型和偏振型光纤水 听器由于其探测灵敏度远不如相位干涉型，目前已基本不再研究；以FBG为核心元件的波 长调制型光纤水听器近年来正在不断研究发展，但主要还停留在实验室或者试验阵列的研 究阶段；目前工程实用化的光纤水听器均采用相位调制型。通常压电水听器校准的电声参数主要是灵敏度，而光纤水听器根据其工作原理的 不同，其主要的电声参数有可能是灵敏度，也有可能是相移灵敏度，如目前研究最为成熟的 相位调制型光纤水听器的电声参数就是相移灵敏度。两种灵敏度在光信号的处理上是不同 的。其中，相移灵敏度的检测则比较复杂。对相位干涉型光纤水听器相移灵敏度的校准，通 常采用的方法有干涉条纹计数法和贝塞尔函数比值法。干涉条纹计数法非常直观，但在信 号较小且有干扰时误差偏大；在信号较大干涉条纹数较多时精度较高。贝塞尔函数比值法 利用贝塞尔函数比值求得相位干涉型光纤水听器光相移，从而得到光纤水听器相移灵敏度 的方法，在信噪比不高时校准精度较差。而目前最先进的是利用光纤水听器信号解调技术 如相位载波(PGC)调制解调技术校准光纤水听器的相移灵敏度。这样的测量具有很高的精 度。PGC方法的基本思想是通过在干涉仪输出相位中生成一个相位载波，使输出信号 可以分解为两个正交分量，通过对两者分别处理，可以得到信号的线性表达式。通过相位载 波，使光源输出的光波相位随载波信号有规律的变化，从而实现了相位调制。PGC解调则是 通过信号处理的方法，从光纤水听器的输出信号中解调出被测信号。
发明内容
本发明的目的正是要克服上述技术的不足，而提供一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法，用于对新型水听器——相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度 校准和测量。本发明解决其技术问题采用的技术方案这种基于光相位解调仪的相移灵敏度通 用校准系统，由控制和管理系统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四 个子系统组成，控制和管理系统是计算机及其外设，通过通用接口管理与控制水声信号发 射系统，光相位解调系统和电信号接收系统三部分工作，并进行参数设置和信号处理计算； 水声信号发射系统由信号源、功率放大器、发射换能器和声管组成，用于得到光纤水听器校 准所需要的声场；信号源的信号通过功率放大器放大后，输入发射换能器，发射换能器发出 特定频率的声信号，以水为声波传播媒质，在声管中形成稳定的声场；光相位解调系统用于 解调光纤水听器输出的光干涉信号，光纤水听器感应声场中的声波，并输出光干涉信号进 入解调仪处理；电信号接收系统由滤波器，示波器和数字采集卡组成，采集卡采集被测光纤 水听器光信号解调系统的模拟输出信号和标准水听器的输出信号。光相位解调子系统由0PD4000相位解调仪、窄线宽激光光源和外调制器组成，用 于对干涉光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果，从光纤水听器出来的光干涉信 号经过解调处理以后得到所需要的光相位数值。本发明所述的这种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准方法，步骤如下首 先窄线宽激光光源经过外调制器的高频调制后进入光纤水听器，输入光在光纤水听器内部 分成感应臂光路和参考臂光路两路，光纤水听器处在声场中，声波作用在光纤水听器上，使 得水听器内部的感应臂光纤产生变化，而水听器的参考臂不感应声场，感应臂和参考臂干 涉后的干涉光输入到解调仪中，采用PGC信号处理技术解调出的干涉光的光相位，该光相 位的数值与声波的大小成固定比例，得到声波大小和光相位大小，然后依据公式得到光纤 水听器的相移灵敏度。作为优选，校准系统采用比较法，将相位干涉型光纤水听器和标准水听器分别或 同时置于校准声场中进行测量，标准水听器是指其灵敏度已知的水听器，用于测量声场大 小，在声压作用下光纤水听器输出受调制的光信号，经光电转换后变成电信号，相位解调后 对它进行测量得到其光相移值为Φ ；再测得标准水听器输出的开路电压信号Utl ；利用已知 的标准水听器的灵敏度Mtl，灵敏度通常采用对数的表达方式，由下列公式进行计算，即可得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度级
权利要求
1.一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统，其特征是由控制和管理系 统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四个子系统组成，控制和管理系 统是计算机及其外设，通过通用接口管理与控制水声信号发射系统，光相位解调系统和电 信号接收系统三部分工作，并进行参数设置和信号处理计算；水声信号发射系统由信号源、 功率放大器、发射换能器和声管组成，用于得到光纤水听器校准所需要的声场；信号源的信 号通过功率放大器放大后，输入发射换能器，发射换能器发出特定频率的声信号，以水为声 波传播媒质，在声管中形成稳定的声场；光相位解调系统用于解调光纤水听器输出的光干 涉信号，光纤水听器感应声场中的声波，并输出光干涉信号进入解调仪处理；电信号接收系 统由滤波器，示波器和数字采集卡组成，采集卡采集被测光纤水听器光信号解调系统的模 拟输出信号和标准水听器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统，其特征是 光相位解调子系统由0PD4000相位解调仪、窄线宽激光光源和外调制器组成，用于对干涉 光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果，从光纤水听器出来的光干涉信号经过解 调处理以后得到所需要的光相位数值。
3.一种采用如权利要求1所述的基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统的校 准方法，其特征是首先窄线宽激光光源经过外调制器的高频调制后进入光纤水听器，输入 光在光纤水听器内部分成感应臂光路和参考臂光路两路，光纤水听器处在声场中，声波作 用在光纤水听器上，使得水听器内部的感应臂光纤产生变化，而水听器的参考臂不感应声 场，感应臂和参考臂干涉后的干涉光输入到解调仪中，采用PGC信号处理技术解调出的干 涉光的光相位，该光相位的数值与声波的大小成固定比例，得到声波大小和光相位大小，然 后依据公式得到光纤水听器的相移灵敏度。
4.根据权利要求3所述的基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准方法，其特征在 于校准系统采用比较法，将相位干涉型光纤水听器和标准水听器分别或同时置于校准声 场中进行测量，标准水听器是指其灵敏度已知的水听器，用于测量声场大小，在声压作用下 光纤水听器输出受调制的光信号，经光电转换后变成电信号，相位解调后对它进行测量得 到其光相移值为Φ ；再测得标准水听器输出的开路电压信号Utl ；利用已知的标准水听器的 灵敏度Mtl，灵敏度通常采用对数的表达方式，由下列公式进行计算，即可得到相位干涉型光 纤水听器的相移灵敏度级M41,
全文摘要
本发明涉及一种基于光相位解调仪的相移灵敏度通用校准系统及方法，该校准系统是基于OPD4000光相位解调仪而建立，用于干涉型光纤水听器的相移灵敏度校准，校准系统由控制和管理系统、水声信号发射系统、光相位解调系统和电信号接收系统四个子系统组成。光相位解调子系统是基于相位生成载波外调制解调技术的原理组成，能够对干涉光的相位进行实时解调并采用模拟信号输出结果。本发明有益的效果是能精确实时地得到相位干涉型光纤水听器的相移灵敏度频率响应，并能提供模拟和数字两种数据形式的输出，适用于各类不同臂长差的相位干涉型光纤水听器相移灵敏度校准，且具有校准频带宽、动态范围大、操作简便和测量不确定度低等特点。
文档编号G01H9/00GK102072761SQ201010589979
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者张军, 徐平, 王世全, 罗马奇, 费腾, 陈毅 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所