一种改进的PGC调制解调检测方法与流程

本发明涉及一种光纤水听器的信号检测算法，主要是一种改进的pgc调制解调检测方法。

背景技术：

光纤水听器作为干涉型光纤传感器的一种，具有灵敏度高、体积小、重量轻、便于大规模复用、抗电磁干扰等特点，目前广泛应用于水下军事、石油勘探、保密监听等领域。

干涉仪的随机相位衰弱会导致输出信号信噪比的随机涨落，因此实现信号的稳定检测是光纤水听器走向应用的核心技术之一。光纤水听器的信号检测方法主要有以下几种：有源零差检测、闭环控制工作点检测、锁相检测、3×3耦合器多相检测、远程匹配零差检测和相位载波(phasegeneratedcarrierpgc)调制解调检测等。

有源零差检测、闭环控制工作点检测和锁相检测属于有源检测，需要在湿端水听器探头中增加压电陶瓷环，无法实现全光检测；3×3耦合器多相检测、远程匹配零差检测和pgc调制解调检测属于无源检测，湿端全光，适于远距离传输及成阵。

目前，主流光纤水听器检测方案多采用pgc调制解调检测技术。通过将传感信号调制在高频载波上，利用奇次载波和偶次载波的边带信号不会同时衰减至零的特点实现传感信号的稳定检测。此外pgc调制解调检测技术还具有低频噪声低，信号处理端结构简单的优点。

pgc调制解调检测技术中相位载波的产生方法主要分外调制和内调制两种。外调制通过对干涉仪中的相位调制器加载单频正弦调制信号实现，相位调制器由缠绕在压电陶瓷上的光纤环构成。压电陶瓷在单频正弦信号下周期性伸缩，引起光纤环长度的周期变化，此时，干涉仪两臂的相位差为：

其中n为光纤纤芯折射率，λ为激光器波长，l为干涉仪两臂臂长差，δlm为调制下光纤环的最大臂长差变化，ω0为调制信号频率。令c即为调制深度。

内调制通过可调频光源实现，通过对激光器光源加载单频正弦调制信号，光源光频发生周期性变化，干涉仪两臂的相位差为：

其中c为真空光速，ν为光源发出光的频率，δνm为调制下光源的最大光频变化，令c即为调制深度。

pgc调制解调检测技术的实现过程如图1所示。经过检测得到的信号表达式为：

ghb²j1(c)j2(c)φs(16)

其中，g、h为检测波函数的幅值，一般令g＝h，b为输出信号交流项，与干涉仪输入光强，干涉仪两臂信号分光比以及两臂信号偏振度相关，c为外加载波引入的调制深度，j1(c)为第一类1阶bessel函数，j2(c)为第一类2阶bessel函数，φs为传感信号。式(16)经过标定去除系统参数g、h、b、c的影响，最终得到光纤水听器的输出信号φs。

但在实际系统中，除参数g、h是可控确定的，参数b、c存在漂移。引起输出信号交流项b漂移的主要因素包括：

a.光源输出光功率的变化；

b.干涉仪两臂偏振态的变化。

根据外加载波引入的调制深度c的表达式，引起调制深度c漂移的主要因素包括：

a.臂长差l随环境因素的变化；

b.光源光频ν存在随机漂移δν；

c.单频正弦调制信号的不稳定。

通过标定的方法，仅能确定标定时刻的系统参数状态，而外加载波引入的调制深度c以及输出信号交流项b的漂移引起的信号变化无法实时修正，因此直接应用上述pgc调制解调检测方法，会影响光纤水听器信号幅值获取的准确性和稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种改进的pgc调制解调检测方法，尤其是针对pgc调制解调检测中输出信号交流项b和外加载波引入的调制深度c漂移引起的信号检测误差的修正算法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种改进的pgc调制解调检测方法，该方法的步骤如下：光光纤水听器的输出信号经混频、低通滤波后，利用数学解算得到调制深度c的第一类1阶bessel函数j1(c)和2阶bessel函数j2(c)的比例关系：利用该比例关系对光纤水听器的低通滤波后信号进行归一化计算，得到两路消除了交流项b和调制深度c影响的信号，该两路信号再经过微分、交叉相乘、积分和高通滤波运算，最终得到所需检测的外界声信号。

该方法的具体包括如下步骤：

(1)通过光电探测器获取光纤水听器的输出：

其中，a为输出信号直流项，b为输出信号交流项，c为外加载波引入的调制深度，ω0为载波圆频率，，φs为传感信号，φn外界环境噪声，φ0初始相位差。式(17)的贝塞尔展开如下，其中jn(c)为第一类n阶bessel函数：

(2)分别将式(17)乘以gcosω0t和hcos2ω0t，并令g＝h，将结果通过低通滤波器滤掉所有频率大于ω0的成分，得到奇次载波ω0和偶次载波2ω0处的边带信号：

(3)将式(19)，式(20)作微分，得：

(4)将微分后信号与微分前的边带信号相乘，式(19)×式(21)得：

式(20)×式(22)得：

(5)将式(23)除以式(24)得：

至此，得到了调制深度c的第一类1阶bessel函数j1(c)和2阶bessel函数j2(c)的比例关系。调制深度c为1.65rad～3.10rad范围内时，j1(c)≥0，j2(c)≥0，将式(25)取绝对值并开根号与式(20)相乘得：

(6)联立式(26)、式(19)求平方和并开根号得到系数：

hbj1(c)(27)

再将式(26)、式(19)分别除以式(27)，得到归一化信号如下：

至此，经过归一化后的两路信号，消除了交流项b和调制深度c的影响。

(7)将式(28)，式(29)微分得：

(h)将微分后信号与微分前信号交叉相乘，并将得到的结果相减，式(29)×式(30)得：

式(28)×式(31)得：

式(32)-式(33)得：

(8)将相减后的信号进行积分，式(34)积分得：

(9)将式(35)经高通滤波，滤除低频环境噪声φn，以及初始相位差φ0，得：

φs(36)

式(36)为最终得到的光纤水听器的输出信号φs，该结果不受交流项b和调制深度c的漂移影响。

本发明的有益效果为：针对目前的光纤水听器的调制解调检测算法中，无法对输出信号交流项b和调制深度c的漂移引起的信号检测误差进行修正的问题，在不改变硬件设备的条件下，修正输出信号交流项b和外加载波引入的调制深度c的漂移对信号幅值的检测误差，提高光纤水听器的信号检测的稳定性。

附图说明

图1是通用光纤水听器pgc调制解调检测算法示意图。

图2是本发明改进的pgc调制解调检测方法示意图。

图3是算法改进前后调制深度c对信号解调的对比。

图4是算法改进前后交流项b对信号解调的对比。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

图1为通用光纤水听器pgc调制解调方案，其中利用了dcm(微分交叉相乘)进行信号结算。

图2为改进的pgc调制解调检测算法示意图，该方法的步骤如下：

光光纤水听器的输出信号经混频、低通滤波后，利用数学解算得到调制深度c的第一类1阶bessel函数j1(c)和2阶bessel函数j2(c)的比例关系：利用该比例关系对光纤水听器的低通滤波后信号进行归一化计算，得到两路消除了交流项b和调制深度c影响的信号，该两路信号再经过微分、交叉相乘、积分和高通滤波运算，最终得到所需检测的外界声信号。

具体改进方案为红框内部分，利用了数学关系修正了输出信号交流项b，外加载波引入的调制深度c这两个参数的漂移对声信号解调的影响，具体步骤如下：

(1)通过光电探测器获取光纤水听器的输出：

(2)分别将式(37)乘以gcosω0t和hcos2ω0t，并令g＝h，将结果通过低通滤波器，滤掉所有频率大于ω0的成分，得到奇次载波ω0和偶次载波2ω0处的边带信号：

(3)将式(38)，式(39)作微分，得：

(4)将微分后信号与微分前的边带信号相乘，式(38)×式(40)得：

式(39)×式(41)得：

(5)将式(42)除以式(43)得：

调制深度c为1.65rad～3.10rad范围内时，j1(c)≥0，j2(c)≥0，将式(44)取绝对值并开根号与式(39)相乘得：

(6)联立式(45)与式(25)求平方和并开根号得到系数：

hbj1(c)(46)

再将式(38)、式(45)分别除以式(46)，得到归一化信号如下：

(7)将式(47)，式(48)微分得：

(8)将微分后信号与微分前信号交叉相乘，并将得到的结果相减，式(48)×式(49)得：

式(47)×式(50)得：

式(51)-式(52)得：

(9)将相减后的信号进行积分，式(53)积分得：

(10)将式(54)经高通滤波，滤除低频环境噪声φn，以及初始相位差φ0，得：

φs(55)

式(55)为最终得到的光纤水听器的输出信号φs，该结果不受交流项b和调制深度c的漂移影响。

仿真计算结果如图3，图4所示。模拟信号幅值设置为-3.01db，设定调制深度c为2.37rad，交流项b为1。

改变调制深度c，原pgc调制解调检测算法与改进后的pgc调制解调检测算法的信号解调结果对比如图3所示。当调制深度c变化时，原pgc调制解调检测算法得到的信号幅值随调制深度变化而变化，30％的调制深度变化，信号幅值的解调结果变化超过1.5db，而改进后的pgc调制解调检测算法得到的信号幅值变化小于0.02db。

改变交流项b，原pgc调制解调检测算法与改进后的pgc调制解调检测算法的信号解调结果对比如图4所示。当交流项b变化时，原pgc调制解调检测算法得到的信号幅值随调制深度变化而变化，30％的交流项变化，信号幅值的解调结果变化超过2.5db，而改进后的pgc调制解调检测算法得到的信号幅值变化小于0.02db。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。