一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。
【背景技术】
[0002] 光学手段是水下声信号探测的主流技术手段，由于光波在水中传播时的功率衰减 很大，光学技术在水下声场的探测中受到一定的限制，包括激光干涉等技术方法无法直接 应用到水环境中，但激光技术依然能够间接地应用到水下声场的探测中。目前借助激光技 术实现水下声信号的探测主要实现形式有三类:一是利用各种结构的光纤水听器及多元素 光纤水听器阵列来直接探测水下声场;二是通过水下声源引起的水表面声波的激光探测来 实现水下声场信息的获取;三是利用水中或者水表面的被水下声场调制的散射体对探测激 光的散射作用，从散射激光中解调出水下声场的信息。光纤水听器目前发展得较为成熟，已 经应用到水下声场探测的实战中，但其需要在监测水域事先架设传感器才能实现水下声场 的探测，缺乏机动性，很难满足水下大范围活动声源的探测。后两类目前只能对水下声源的 静态特性(例如发声频率、声压等参数)进行检测，无法实现水下声信号的实时提取。
【发明内容】
[0003] 本发明是要解决现有方法缺乏机动性，很难满足水下大范围活动声源的探测，只 能对水下声源的静态特性进行检测，无法实现水下声信号的实时提取，而提供了一种基于 激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。
[0004] -种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，它按以下步骤实 现：
[0005] -、构建无源零差干涉仪系统：
[0006] 无源零差干涉仪系统包括激光正交偏振干涉光路、探测信号处理电路和计算机终 端；
[0007] 其中，所述激光正交偏振干涉光路包括激光器、准直透镜、起偏器、偏振分光棱镜 1、偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜3、非偏振分光镜、接收透镜、1/4波片1、1/4波片2、1/4波片 3、1/2波片、光衰减片和反射镜；
[0008] 所述探测信号处理电路包括光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测 器4、差分放大器1和差分放大器2;
[0009] 所述计算机终端包括数据采集模块和计算机；
[0010] 二、建立初始坐标系：
[0011]设X轴方向为平行纸面向右，Y轴方向为垂直纸面向外，Z轴则为平行纸面向下，激 光光束沿着Z轴方向传输，起偏器和3枚1/4波片放置于X-Y平面内，其中起偏器的透光轴与X 轴成45°，波片的快轴与X轴成45° ; 1/2波片放置在X-Y平面内，其快轴与X轴成22.5° ;偏振分 光棱镜和非偏振分光镜放置在X-Z平面内，分光面与X轴成45°，探测信号处理电路由光电探 测器、差分放大器组成；
[0012] 三、激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的 线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P 光；
[0013] 四、S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，参考光经45°放置的1/4波片1后变成圆 偏振光，再经由光衰减片和反射镜返回穿透1/4波片又变成振动方向沿着X轴的P光，参考光 回到偏振分光镜1后完全透射，进入1/2波片；
[0014] 五、P光作为探测光，它经过1/4波片2和接收透镜后出射到被探测的水域，接收透 镜接收水面的反射光，该反射光再穿过1/4波片2后变为S光，S光回到偏振分光镜1后实现完 全反射，进入1/2波片；
[0015] 六、参考光和探测光经过1/2波片后振动方向旋转了45°，然后被非偏振分光镜分 为均匀的两束激光反射光束与透射光束：
[0016] 其中，所述反射光束被偏振分光镜2分解到同一振动方向，产生两束干涉光束，分 别被光电探测器1和光电探测器2接收；
[0017] 其中，所述透射光束经过1/4波片3后，在快慢轴之间产生31/2相移，再过偏振分光 镜3将测量光和参考光分解到同一振动方向，同样产生两束干涉光束，分别被光电探测器3 和光电探测器4接收；
[0018] 七、设光电探测器1接收到的探测信号为h，光电探测器2接收到的探测信号为f2， 光电探测器3接收到的探测信号为f 3,光电探测器4接收到的探测信号为f4;
[0019] 八、水表面的波动为:Ansin(23Tfnt+(K)+Assin(23Tf st+(i)s)，它由两部分构成：自然 水表面波动六1^11(2对1^+<})11)和水下声信号引起的水表面声波六 !^11(2对!^+<^);
[0020]其中，An，匕和〇"分别为自然水表面波动的振幅、频率和初相位;As，匕和Φ s分别为 水下声信号引起的水表面声波的振幅、频率和初相位，t表示时间；
[0021 ]根据光路原理分析得探测信号可由式(1)表示：
[0023] 式中1〇为直流增益大小，AL为参考光路与探测光路在水面绝对静止时的初始光 程差，k为激光的波数，k = 2π/λ，λ为激光波长；
[0024] 探测信号输入到差分放大器1的两个输入端，探测信号输入到差分放 大器2的两个输入端，探测信号f#Pf4经差分放大后输出信号&被数据采集模块采集后送入 上位机，探测信号f 2和f3经差分放大后输出信号fQ也被数据采集模块采集后送入上位机；
[0025] 那么信号&和信号fQ由下式表示：
[0027]式中，K为放大器增益；
[0028]九、采用解调方式得到探测信号的相位，即完成了一种基于激光正交偏振干涉技 术的水下声信号实时提取方法。
[0029] 发明效果：
[0030] 本发明所采用的光路结构比较紧凑，光能量能够被光路系统充分利用，获得的4路 正交的干涉信号，经过差动放大后，可以极大抑制共模噪声，从而大幅提高探测系统的稳定 性。利用DCM解调方法可以快速地得到探测信号的相位，经过低通滤波后可得到一个与水下 声信号声压成正比的声信号，整个探测方法具有实时性。
[0031] 本发明提出了一种能在水面之上探测水下声信号的方法，能够灵活转换探测位 置，满足水下大范围活动声源的探测，对水下声信号的探测具有实时性。
【附图说明】
[0032]图1是本发明原理图；
[0033]图2是两路正交差分信号处理流程图；
[0034]图3上位机读取的正交干涉信号&图；
[0035]图4上位机读取的正交干涉信号fQ图；
[0036]图5微分、交叉相乘以及差分放大图；
[0037]图6消除比例系数图；
[0038]图7最终提取的信号图；
[0039]图8最终解调信号的傅里叶频谱分布图；
[0040] 图9最终解调信号的时频分布图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0041] 一:本实施方式的一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实 时提取方法，它按以下步骤实现：
[0042]二、构建无源零差干涉仪系统：
[0043]无源零差干涉仪系统包括激光正交偏振干涉光路、探测信号处理电路和计算机终 端；
[0044]其中，所述激光正交偏振干涉光路包括激光器、准直透镜、起偏器(例如格兰泰勒 棱镜）、偏振分光棱镜1、偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜3、非偏振分光镜、接收透镜、1/4波片 1、1/4波片2、1/4波片3、1/2波片、光衰减片和反射镜；
[0045] 所述探测信号处理电路包括光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测 器4、差分放大器1和差分放大器2;
[0046]所述计算机终端包括数据采集模块和计算机；
[0047]二、建立初始坐标系：
[0048]设X轴方向为平行纸面向右，Y轴方向为垂直纸面向外，Z轴则为平行纸面向下，激 光光束沿着Z轴方向传输，起偏器和3枚1/4波片放置于X-Y平面内，其中起偏器的透光轴与X 轴成45°，波片的快轴与X轴成45° ; 1/2波片放置在X-Y平面内，其快轴与X轴成22.5° ;偏振分 光棱镜和非偏振分光镜放置在X-Z平面内，分光面与X轴成45°，探测信号处理电路由光电探 测器、差分放大器组成；
[0049] 三、激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的 线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P 光；
[0050] 四、S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，参考光经45°放置的1/4波片1后变成圆 偏振光，再经由光衰减片和反射镜返回穿透1/4波片又变成振动方向沿着X轴的P光，参考光 回到偏振分光镜1后完全透射，进入1/2波片；
[0051] 五、P光作为探测光，它经过1/4波片2和接收透镜后出射到被探测的水域，接收透 镜接收水面的反射光，该反射光再穿过1/4波片2后变为S光，S光回到偏振分光镜1后实现完 全反射，进入1/2波片；
[0052] 六、参考光和探测光经过1/2波片后振动方向旋转了45°，然后被非偏振分光镜分 为均匀的两束激光反射光束与透射光束：
[0053] 其中，所述反射光束被偏振分光镜2分解到同一振动方向，产生两束干涉光束，分 别被光电探测器1和光电探测器2接收；
[0054] 其中，所述透射光束经过1/4波片3后，在快慢轴之间产生3T/2相移，再过偏振分光 镜3将测量光和参考光分解到同一振动方向，同样产生两束干涉光束，分别被光电探测器3 和光电探测器4接收；
[0055] 七、设光电探测器1接收到的探测信号为h，光电探测器2接收到的探测信号为f2， 光电探测器3接收到的探测信号为f 3,光电探测器4接收到的探测信号为f4;
[0056] 八、水表面的波动为:Ansin(23Tfnt+(K)+A ssin(23Tfst+(i)s)，它由两部分构成：自然 水表面波动六 1^11(2对1^+<})