基于参考干涉仪的光纤水听器解调技术研究

陆旻 张自丽

（第七一五研究所，杭州，310012）

基于参考干涉仪的光纤水听器解调技术研究

陆旻 张自丽

（第七一五研究所，杭州，310012）

提出了一种基于参考干涉仪的光纤水听器解调技术方案，对其性能进行了分析和研究。通过对光纤水听器光源相位噪声的机理分析，得出其与解调系统动态范围的相互关系；提出基于参考干涉仪的解调算法，利用两个干涉仪OPD相等的原理，抵消系统的光源相位噪声，降低系统噪声本底，扩大动态范围；提出此解调方案在工程应用中的两种方法，对两者的利弊进行了理论分析。根据提出的解调方案进行仿真分析，系统噪声本底降低了约50 dB，仿真结果验证了理论的正确性。

光纤水听器；参考干涉仪； PGC；光源相位噪声；动态范围

光纤水听器是通过接收水中的声波信息对目标进行探测、定位和识别的一种传感器，具有灵敏度高、频带宽、动态范围大、抗电磁干扰、适于远距离传输与成阵等优点，是近年来发展较为迅速的一种新型水听器。在工程应用中，光纤水听器信号解调技术有两个重要指标，即动态范围和频带宽度。增大信号解调的动态范围必须以低的解调噪声为基础。一方面，动态范围本身即为最大不失真信号和最小可检测信号之差，解调噪声的升高将减小动态范围；另一方面，只有足够低的信号解调噪声才能保证声呐对弱信号的探测性能。在同样等效自噪声压的要求下，降低信号解调噪声，可以降低对光纤水听器灵敏度的要求，有利于高强度声压信号的探测，增大动态范围，同时也有利于光纤水听器耐静水压性能及减小尺寸。信号解调噪声的来源包括激光器、调制器、光纤放大器、探测器、A/D采样电路等，甚至包括传输光纤链路的不均匀反射、温度扰动及应变扰动等。但所有噪声均可等效为两类：光强度噪声及光相位噪声。光强度噪声一般由激光器、调制器、A/D采样电路、光纤放大器等引入，其抑制方法主要通过器件的改进。随着光器件和电子器件发展，光强度噪声已得到大幅度改善。激光器、调制器等不可避免引入频率或相位噪声，在光纤水听器输出中均表现为光相位噪声。

国内外诸多文献针对光纤水听器信号解调噪声进行了深入的机理分析，并提出了相应的抑制方法。本文以光源内调制的PGC解调方法为例，提出一种基于参考干涉仪的光相位噪声抑制方法。

1 光源噪声对解调系统动态范围影响分析

在内调制无源PGC解调技术中，激光器产生的噪声对解调信号有较大影响。要得到不失真的解调信号，需要详细研究光源噪声对解调系统动态范围，主要是对动态范围下限值的影响。系统动态范围的下限由系统本底噪声决定，影响系统本底噪声的因素很多[1]，其中光源作为本底噪声的主要来源之一，可分为光强度噪声和光相位噪声两方面[2]。光源相位噪声作用在非平衡干涉仪上产生相位φn，不考虑光功率起伏，探测器输出如下[3]：

其中ωc为载波角频率，φ(t)为声信号作用于干涉仪上产生的相位差。从（1）式可知，φn的存在与声信号相混合，当φn的频段与声信号频段不重叠时，可通过带阻滤波的方式消除；当φn的频段与声信号频段重叠时，需其他方法来抑制φn。

在非平衡干涉仪中，影响干涉仪系统噪声本底的光源相位噪声是由于光源存在线宽而产生的。尽管窄线宽低噪声激光器技术已取得很大进展，但仍存在一定的频率噪声，其经过干涉仪转化为光相位噪声。以Michelson干涉仪为例，假定光源线宽为δv，通过调制光频，相位调制输出为：

其中n为光纤纤芯折射率，c为光速，l为干涉仪两臂差，Δv为频移最大量。

由（2）式可知，相位噪声φn：

φn与nl·δv成正比，减少干涉仪两臂光程差或者降低激光器线宽均可抑制φn。在系统中光源光频调制范围一定，光程差nl不可能无限制减小，因此该方法抑制φn的程度有限。下面进行数字仿真。

为讨论方便，假设噪声为白噪声，根据（1）式，取A=1V，B=1V，C=2.37rad，ωc=10kHz，φ(t)=0，φn分别为10−2、10−4、10−6radHz，输入声信号为0，采样率100 kHz。PGC解调输出信号功率谱如图1～3所示。

图1φn=10−2radHz时PGC解调输出频谱分析

图2φn=10−4radHz时PGC解调输出频谱分析

图3φn=10−6radHz时PGC解调输出频谱分析

由上述分析可知，PGC解调噪声随着光相位噪声幅度变化而线性变化。为了得到系统所能解调的动态范围下限值，加入频率为500 Hz，幅值为0.000001～0.01 rad等间隔变化的声信号，取光相位噪声φn=10−2radHz，仿真结果见图4，局部放大见图5，图中横坐标为声信号幅值，纵坐标为PGC解调噪声。

图4 声信号输入输出对应图

图5 局部放大图

如图所示，由于PGC解调噪声的存在，当输入声信号幅度较小时，基本被噪声所覆盖，当输入信号幅度增大时，在转折点处即能检测得到信号幅度最小值，为0.0001 rad，计算可得动态范围下限值20lg(0.0001)=−80 dB。同样的方法，可计算nφ值不同时对应的动态范围下限值，如图6。要想切实提高水听器系统的动态范围，抑制光源相位噪声是有效的途径之一。

图6 光源相位噪声与动态范围下限关系曲线图

2 理论研究

本文研究的系统结构与传统结构相比，最大的不同就是在原有的水听器的基础上，增加了一个参考干涉仪。参考干涉仪置于安静环境中（减隔振降噪处理），与水听器结构完全相同，输出信号中均包含光源或光调制引入的光相位噪声。两者光程差相等，由此可得两者光相位噪声一致。原理如图7所示。

图7 基于参考干涉仪的光相位噪声抑制原理框图

水听器输出信号经过光电转换：

其中，φs为声信号引起的相位变化；δsφ是光相位噪声；η为光电转换系数；ks为条纹可见度；I0是光源平均光强，将（4）式Bessel展开：

（5）式中包含ω的基波和二倍频项，进行混频滤波的锁相过程，得到：

同理，参考干涉仪信号输出经过处理得到：

其中，φr为参考干涉仪相位变化；δφr是光相位噪声。根据三角公式和差化积原理，Ss(ω)、Ss(2ω)、Sr(ω)、Sr(2ω)进一步处理可得到：

原理框图见图8。

图8 信号处理原理框图

（10）式和（11）式满足δφs=δφr，信号处理后可以不含光源及光调制引起的光相位噪声项的正交项。之后采用微分交叉项成的信号处理方式提取声信号φs−φr，φr相比于φs来讲，其数值较小。算法框图如图9。

图9 微分交叉相乘算法框图

3 仿真结果分析

为了更真实的模拟实际系统噪声本底，噪声信号采用白噪声经过滤波处理产生粉红噪声，其功率谱密度随着频率的增加而降低，在低频段的干扰更加明显。声信号频率400 Hz，幅值取10−2rad。图10为常规PGC解调仿真输出的频谱分析，图11为加入了参考干涉仪的PGC解调仿真输出。分析图10和图11，在系统中加入了参考干涉仪之后，噪声抑制作用明显，小幅度声信号提取效果增强。提取各频率点的噪声幅度，得两组数据，见表1。根据表1，可绘制噪声幅度分布图，见图12。

图10 常规PGC解调输出频谱图

图11 基于参考干涉仪的PGC解调输出频谱图

图12 噪声幅度分布对比图

基于参考干涉仪的PGC解调噪声输出在所需频段内比常规PGC解调噪声输出降低了50 dB左右，随着频率超过5 kHz，噪声幅度变化趋于一致。仿真结果分析可知此方法有效地抑制了系统的光相位噪声，降低了系统的噪声本底，对提高系统动态范围下限有明显的作用。

4 应用分析

在实际系统中，参考干涉仪必须置于安静环境才能起到比较好的效果，一般来说，有两种途径，一种是置于干端，一种是置于水下声基阵中。位于干端的优点是不受体积重量限制，可以采用将参考干涉仪封装在隔振真空腔中以屏蔽外界振动和噪声干扰[4,5]。试验结果表明，参考干涉仪采用此种封装方法可有效抑制环境噪声干扰（见图13）。其缺点是：传输光纤将引入时延，使参考干涉仪光相位噪声和光纤水听器相位噪声之间存在显著时延差，影响噪声抵消效果。参考干涉仪位于基阵中的优点是可以避免传输时延差的影响，缺点是难以采取复杂的隔振降噪方案。如何选择和优化结构，需要在实际工程应用中对系统进一步研究和分析。

图13 隔振真空腔对干涉仪环境噪声的抑制效果

5 结论

分析研究了光源相位噪声对解调系统动态范围的影响，对基于参考干涉仪的PGC解调技术方案进行了理论研究和应用分析。通过在系统中添加与传感干涉仪光程差相同的参考干涉仪，利用参考干涉仪的噪声输出来抵消系统的光源相位噪声，降低系统的噪声本底，扩大了解调系统的动态范围。仿真结果表明，基于参考干涉仪的解调技术方案在降低光路相位噪声、抑制噪声本底上有明显的作用，能够有效实现系统对小幅度声信号的检测和提取。

[1] TRISTAN J TAYAG. Quantum-noise-limited sensitivity of an interferometer using a phase generated carrier demodulation scheme[J]. Opt.Eng, 2002, 41(2):276-277.

[2] ALAN D KERSEY. System for cancelling phase noise in an interferometric fiber optic sensor arrangement: US, 5227857[P]. 1993-07-13.

[3] 倪明, 胡永明, 孟洲, 等. 数字化PGC解调光纤水听器的动态范围[J]. 激光与光电子学进展, 2005, 42(2):33-37.

[4] GE HUILIANG, ZHANG ZILI. Self-noise analysis of an interferometric optic fiber hydrophone[C]. Underwater Acoustic Measurements: Technologics & Results, 2007.

[5] ZHANG ZILI, GE HUILIANG. Measurement of equivalent plane wave self-noise measurement of interferometric optical fiber hydrophone with a vacuum container[C]. Underwater Acoustic Measurements: Technologics & Results, 2007.