一种干涉型光纤水听器相移PGC解调方法及解调系统

本发明属于光纤传感，具体涉及一种干涉型光纤水听器相移pgc解调方法及解调系统。

背景技术：

1、干涉型光纤水听器是目前应用最广泛的光纤水听器，其传感核心是光纤干涉仪，被测声信号是以相位形式加载在光纤干涉仪的干涉信号中，因此实现对干涉仪相位的稳定检测是光纤水听器技术的关键。

2、相位自噪声和噪声稳定性是光纤水听器系统的重要性能指标。目前常用的干涉型光纤水听器的相位检测算法主要有相位载波调制(pgc)解调、3×3耦合器相移检测法、外差法等，其中pgc解调方法具有良好的低频噪声性能，但其相位自噪声将随着干涉仪初始相位差的变化而变化，当外界环境扰动引起干涉仪初始相位差漂移时，将导致相位噪声的大幅度波动；3×3耦合器相移检测法易受外界低频噪声和低频干扰的影响，其相位噪声也与干涉仪初始相位差有关；外差法需采用匹配式的光学结构，其中匹配干涉仪及匹配干涉仪与光纤水听器干涉仪之间的传输光纤均参与干涉过程，易受外界环境干扰影响，降低系统的低频噪声性能。

3、本发明提出一种干涉型光纤水听器相移pgc解调方法及解调系统，采用斜波相位调制，结合非平衡光纤干涉仪结构，获得三路具有不同初始相位的pgc调制干涉信号，采用相移pgc解调算法完成相位解算，可在不额外增加光电探测和信号采集硬件的条件下，获得稳定的低噪声解调相位输出，有效提高系统的相位自噪声和噪声稳定性性能，同时具有较好的算法冗余性能，可方便与时分复用技术结合应用于大规模干涉型光纤水听器阵列系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的缺点和不足，提供一种高噪声稳定性的干涉型光纤水听器相移pgc解调方法及解调系统，为干涉型光纤水听器应用提供一种有效的低噪声信号检测方案。

2、一种干涉型光纤水听器相移pgc解调方法，包括如下步骤：

3、s1、采用激光器产生光信号，对光信号进行正弦频率调制，输出正弦频率调制光波，将正弦频率调制光波输入至光脉冲调制器，经过处理，输出周期性的光脉冲；

4、s2、将光脉冲采用第一耦合器进行光纤分束，得到三束光脉冲，对三束光脉冲进行光纤延时和光纤合束处理，输出一个由三束光脉冲组成的光脉冲序列；

5、s3、通过相位调制器对光脉冲序列进行相位调制，得到相位调制后的光脉冲序列，将经过相位调制后的光脉冲序列输入至光纤干涉仪，经过干涉处理，输出干涉光脉冲序列；

6、s4、将干涉光脉冲序列输入至光电转换器中进行光电转换和数字采样，得到采样信号，将采样信号输入至信号处理系统进行解时分处理，得到三路解时分处理后的采样信号；

7、s5、对三路解时分处理后的采样信号进行pgc解调处理并高通滤波，得到三路高通滤波后的解调相位信号，对三路高通滤波后的解调相位信号求和并取平均值，得到最终解调相位信号。

8、优选地，s2中将光脉冲采用第一耦合器进行光纤分束，得到三束光脉冲，具体包括：将光脉冲输入至第一光纤耦合器的输入端，经过第一光纤耦合器进行分束处理，分别通过第一光纤耦合器的第一输出端口输出第一光脉冲，通过第一光纤耦合器的第二输出端口输出第二光脉冲，通过第一光纤耦合器的第三输出端口输出第三光脉冲。

9、优选地，s2中对三束光脉冲进行光纤延时和光纤合束处理，输出一个由三束光脉冲组成的光脉冲序列，具体包括：将第一光脉冲直接输入至第二光纤耦合器的第一输入端口，将第二光脉冲输入至第一光纤延时线，经过延时处理后输入至第二光纤耦合器的第二输入端口，将第三光脉冲输入至第二光纤延时线，经过延时处理后输入至第二光纤耦合器的第三输入端口，第二光纤耦合器对输入的第一光脉冲以及经过延时处理后的第二、第三光脉冲进行光纤合束处理，输出一个光脉冲序列。

10、优选地，第一光纤延时线的长度为l，第二光纤延时线的长度为2l，l的具体设置为：

11、

12、式中，l为第一光纤延时线的长度，n为光纤纤芯折射率，c为真空中的光速，ts为光脉冲重复时间周期。

13、优选地，s4中的采样信号包含光学相对强度噪声或电路噪声，s4中将采样信号输入至信号处理系统进行解时分处理，得到三路解时分处理后的采样信号，当采样信号中包括光学相对强度噪声时，解时分处理后的采样信号可用公式表示为：

14、

15、当采样信号中包括电路噪声时，解时分处理后的采样信号可用公式表示为：

16、

17、式中，vi(t)为t时刻第i路解时分处理后的采样信号，a为采样信号的直流幅值，b为采样信号的交流幅值，nii(t)为t时刻第i路解时分处理后的采样信号的光学相对强度噪声，nci(t)为t时刻第i路解时分处理后的采样信号的电路噪声，c为调制深度，ωm为pgc调制频率，为t时刻第i路采样信号的相位。

18、优选地，s5中对三路解时分处理后的采样信号进行pgc解调处理并高通滤波，相应得到三路高通滤波后的解调相位信号，具体包括：

19、s51、从三路解时分处理后的采样信号中任取一路进行锁相检波并低通滤波，得到两路检波信号；

20、s52、采用反正切算法对两路检波信号进行解算，得到解调相位信号；

21、s53、对解调相位信号进行高通滤波，得到高通滤波后的解调相位信号；

22、s54、从三路解时分处理后的采样信号中再取另一路，直到三路解时分处理后的采样信号都被选取，经过步骤s51至s53处理，得到三路高通滤波后的解调相位信号。

23、优选地，s51中从三路解时分处理后的采样信号中任取一路进行锁相检波并低通滤波，得到两路检波信号，当采样信号中包括光学相对强度噪声时，两路检波信号的具体公式为：

24、

25、

26、当采样信号中包括电路噪声时，两路检波信号的具体公式为：

27、

28、

29、式中，分别为t时刻由光学相对强度噪声引入第i路解时分处理后的采样信号的第一、第二路检波信号，b为采样信号的交流幅值，为t时刻由光学相对强度噪声引入第i路解时分处理后的采样信号的第一、第二加性噪声，分别为t时刻由电路噪声引入第i路解时分处理后的采样信号的第一、第二路检波信号，分别为t时刻由电路噪声引入第i路解时分处理后的采样信号的第一、第二加性噪声，为t时刻第i路解时分处理后的采样信号的相位，jk(c)为第k阶贝塞尔函数(k＝1,2,...)。

30、优选地，s52中采用反正切算法对两路检波信号进行解算，得到解调相位信号，当采样信号中包含光学相对强度噪声时，解调相位信号的公式具体为：

31、

32、当采样信号中包含电路噪声时，解调相位信号的公式具体为：

33、

34、式中，为t时刻第i路解调相位信号，b为采样信号的交流幅值，jk(c)为第k阶贝塞尔函数(k＝1,2,...)，为t时刻第i路解时分处理后的采样信号中由光学相对强度噪声引入的第一、第二加性噪声，分别为t时刻第i路解时分处理后的采样信号中由电路噪声引入的第一、第二加性噪声，为t时刻第i路解时分处理后的采样信号的相位。

35、优选地，s5中对三路解调相位信号求和并取平均值，得到最终解调相位信号，最终解调相位信号具体为：

36、

37、式中，为t时刻最终解调相位信号，为t时刻第一路解调相位信号，为t时刻第二路解调相位信号，为t时刻第三路解调相位信号。

38、一种干涉型光纤水听器相移pgc解调系统，采用干涉型光纤水听器相移pgc解调方法进行解调，系统包括激光器、光脉冲调制器、第一光纤耦合器、第一光纤延时线、第二光纤延时线、第二光纤耦合器、相位调制器、光纤干涉仪、光电转换器和信号处理系统，激光器与光脉冲调制器连接，光脉冲调制器与第一光纤耦合器的输入端连接，第一光纤耦合器的第一输出端直接与第二光纤耦合器的第一输入端连接，第一光纤耦合器的第二输出端通过第一光纤延时线与第二光纤耦合器的第二输入端连接，第一光纤耦合器的第三输出端通过第二光纤延时线与第二光纤耦合器的第三输入端连接，相位调制器一端与第二光纤耦合器的输出端连接，另一端与光纤干涉仪连接，光电转换器一端与光纤干涉仪连接，另一端与信号处理系统连接，信号处理系统还与激光器、光脉冲调制器、相位调制器连接，其中：

39、激光器用于产生光信号，经过正弦频率调制后，输入至光脉冲调制器；

40、光脉冲调制器用于产生周期性光脉冲；

41、第一光纤耦合器用于光纤分束，周期性光脉冲从第一光纤耦合器的输入端输入，经过处理，相应得到三束光脉冲；

42、第一光纤延时线和第二光纤延时线用于对光脉冲延时；

43、第二光纤耦合器用于将输入的三个光脉冲合成，产生光脉冲序列；

44、相位调制器用于对光脉冲序列进行相位调制，得到相位调制后的光脉冲序列；

45、光纤干涉仪用于对外界声信号进行传感，对相位调制后的光脉冲序列产生干涉，输出干涉光脉冲序列；

46、光电转换器用于对干涉光脉冲序列进行光电转换和数字采样，产生数字采样信号，并通过电缆输出至信号处理系统；

47、信号处理系统用于对接收到的数字采样信号进行解调，输出正弦波信号给激光器对光信号进行正弦频率调制，输出脉冲调制信号给光脉冲调制器以产生光脉冲，输出特定波形的相位调制信号给相位调制器进行相位调制。

48、上述一种干涉型光纤水听器相移pgc解调方法及解调系统，采用斜波相位调制技术，结合非平衡干涉仪结构，获得了三路具有不同初始相位的干涉输出，可灵活选择pgc解调、3x3耦合器相移解调和相移pgc解调算法解调，具备较好算法冗余能力。