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干涉型光纤水听器技术简介干涉型光纤水听器技术也被称为“光纤水声传感技术”，是一种将水压、温度、流速等信息转化为光学信号的技术。
该技术利用光纤的结构特性，实现水下信号的探测与传输。
相比传统的水听器，干涉型光纤水听器具有更高的灵敏度、更宽的频率响应范围、更低的噪声等优势。
干涉型光纤水听器技术在海洋勘探、水声通信、海洋环境监测、水下测量等领域都具有广泛应用。
工作原理干涉型光纤水听器技术的核心是基于马赫曾德干涉实现的。
当光波穿过光纤中的水柱时，受到水压的作用，水的密度和折射率发生微小变化，从而导致光的相位发生变化。
基于干涉原理，将穿过水柱的传输光和绕过水柱的参考光在干涉仪中相遇，形成干涉条纹。
通过测量干涉条纹的强度和相位变化，可以确定水柱的压力、温度等信息。
常见的干涉型光纤水听器包括微弱光纤光栅干涉型光纤水听器、腔内干涉型光纤水听器、单纤干涉型光纤水听器等。
应用领域海洋勘探干涉型光纤水听器技术在海洋勘探领域具有紧要作用。
利用干涉型光纤水听器可以测量海水深度、水下岩石结构、海底土层信息等，并实现对油气田的勘探和开发。
水声通信干涉型光纤水听器技术对于水声通信也有紧要的应用。
传统的水声通信技术受到水流噪声的干扰比较严重，而利用干涉型光纤水听器技术可以除去部分水流噪声。
此外，干涉型光纤水听器技术还可以实现对水下目标声波信号的探测和辨识。
海洋环境监测干涉型光纤水听器技术在海洋环境监测领域也有广泛应用。
利用该技术可以实现对海洋底部的地震、火山、海啸等自然祸害的探测和预警，以及对海洋环境的监测。
水下测量干涉型光纤水听器技术还可以应用于水下测量领域。
例如可以利用该技术实现海底管道的监测、水流速度等参数的精准明确测量。
总结干涉型光纤水听器是一种基于光学信号的水声传感技术。
该技术具有高灵敏度、宽频率响应范围和低噪声等优势。
在海洋勘探、水声通信、海洋环境监测、水下测量等领域都有广泛应用。
随着技术的不断进展，干涉型光纤水听器技术将在海洋领域和其他领域发挥更紧要的作用。
文章编号:100525630(2004)0320032206干涉型光纤水听器PGC 零差解调技术研究与实现Ξ周 波,李绪友,郝燕玲(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨150001) 摘要:通过严密的数学推导,对直接调制光源产生相位载波的马赫-曾德尔(M ach 2Zehnder )干涉型光纤水听器调制解调技术进行了研究。
在这一思想的指导下完成了相位载波(PGC )检测电路的硬件设计,给出了实验结果。
关键词:干涉型光纤水听器;相位载波;零差解调技术;光源调制中图分类号:T P 212 文献标识码:ARea l iza tion of i n terfero m etr ic f iber -optic hydrophone usi ngho m odyne de m odula tion techn iquesZH OU B o ,L I X u 2y ou ,H A O Y an 2ling(Co llege of A u tom ati on ,H arb in Engineering U n iversity ,H arb in 150001,Ch ina ) Abstract :T he p hase m odu lati on and dem odu lati on of in terferom etric M ach 2Zehnder fiber 2op tic hydrop hone u sing p hase generated carrier (PGC )techn ique w ith direct laser sou rce m odu lati on is analyzed th rough rigo rou s m athem atical calcu lati on .Fo llow ing th is idea ,the hardw are design of PGC detecti on system is com p leted and the exp eri m en tal resu lts are given ou t .Key words :in terferom etric fiber 2op tic hydrop hone ;p hase generated carrier (PGC );hom odyne dem odu lati on techn ique ;sou rce m odu lati on .1 引 言光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的调制效应,实现在海洋中侦听声场信号的光纤传感器。
2009年第 1 期 声学与电子工程 总第 93 期干涉型光纤光栅水听器实验研究李东明 张自丽 桑卫兵 周苏萍（第七一五研究所 声纳技术国防科技重点实验室， 杭州，310012） 摘要介绍了干涉型光纤光栅水听器的传感原理，阐述了光纤光栅水听器的干涉仪解调实验系统构成方式。
利用金属弹性片增敏结构构成的光纤光栅水听器试样，测得其增敏结果为9000倍，试样测试得到100~1000Hz内−172 ~−164dB的相移灵敏度实验结果。
关键词 光纤光栅；水听器；干涉仪；灵敏度；增敏光纤光栅是近年来发展极为迅速的一种新型光纤器件。
光纤光栅是在裸光纤内部形成折射率周期性分布的光栅，具有全光纤化、插入损耗低、成本低、体积小的优点，并且通过对光栅结构的设计可以得到满足特定需要的各种光谱特性，因而在光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域展现出广阔的应用前景。
在光纤传感领域，光纤光栅可以用作测量诸如温度、应变、振动、压力、声场、电磁场等物理量和某些化学量的传感元件。
光纤光栅在水声传感领域具有非常广泛的应用前景，光纤光栅水听器具有抗电磁干扰、宽动态范围、体积小、全光传输、便于多路复用等优点。
美国海军和英国GEC Marcon 都有这方面的开发项目[2]。
美国国防部目前正在进行利用光纤光栅探测水下舰艇的运行方向、速度以及发动机的振动频率等研究。
日本国家防卫研究院也对光纤光栅探测水下声信号的能力进行了研究，在80 dB~140 dB re μPa 范围内检测信号与声压具有良好的线性关系[1]。
近来，我们对干涉型光纤光栅水听器进行了一定的理论和试验研究，并对增敏结构进行了必要的设计和实验，获得了初步的试验结果。
所谓干涉型即采用解调干涉仪作为解调光系统，干涉仪臂长差经过设计与光纤光栅线宽进行匹配，干涉仪输出的干涉光束经过光电转换和数字解调可以得到相应的声信号。
光纤光栅增敏是通过优化设计水听器封装结构提高裸光纤光栅接收声波能力的技术，通过良好的增敏可以使光纤光栅的传感灵敏度大幅增加。
光纤水听器原理调研光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。
其中干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域应经形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的热点。
1干涉型光纤水听器原理[1-2]干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。
图1是基于几种典型光学干涉仪的光纤水听器的原理示意图。
图1（a ）是基于Michelson 光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。
由激光器发出的激光经3dB 光纤耦合器分为两路：一路构成光纤干涉仪的传感臂，接受声波的调制，另一路则构成参考臂，提供参考相位。
两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器，发生干涉。
干涉的光信号经光电探测器转换为电信号，经过信号处理就可以拾取声波的信息。
图1（b ）是基于Mach-Zehnder 光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。
激光经3dB 光纤耦合器分为两路，分别经过传感臂与参考臂，由另一个耦合器合束发生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。
图1（c ）是基于Fabry-Perot 光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。
由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成一个Fabry-Perot 干涉仪，激光经该干涉仪时形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。
图1（d ）是基于Sagnac 光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。
该型光纤水听器的核心是由1个3x3光纤耦合器构成的Sagnac 光纤环，顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏，形成相位差，返回耦合器时干涉，解调干涉信号得到声信号。
我们以双光束干涉为例，干涉后的光信号经光电转换后可以写成：0[1cos()]s n n V V k V ϕϕ=+++，（1） 其中0V 是输出的电压信号，V 是信号幅度，k 是干涉仪的可视度，n V 是电路附加噪声，s ϕ为水中声波引起的干涉仪两臂相位差，n ϕ为外界环境变化引起的相位差。
光纤干涉仪输出光波相位差为2nl cπυϕ=，（2） 其中c 是真空中光速，n 是光纤线芯的有效折射率，l 是光纤轴向长度，υ是光频。
干涉型光纤扰动传感器信号调理电路的设计和仿真盛兴;邓大鹏;廖晓闽;张建成【摘要】干涉型光纤扰动传感器的输出信号通常很小并伴随着噪声,所以信号调理电路的性能对信号后续处理非常关键.针对干涉型光纤扰动传感器系统,阐述基于OPA132集成运算放大器的前置放大电路和2阶有源带通滤波器的设计方案,给出了电路的基本结构和各部分的元件选择,并用软件Muhisim 10对电路进行仿真.结果表明,该电路设计方案可靠实用.基本满足干涉型光纤扰动传感器的应用要求.%As the output signal of interferometric fiher perturhation sensor is usually very weak and goes with noise, the performance of signal conditioning circuit is very important for the further processing of the sensor weak signal.For the interferometric fiber perturbation sensing system, the design scheme of preamplifier based on OPA132 and Second-order active band-pass filter are described, the basic configuration of the circuit and the choice of components are presented, and the circuit is simulated with Multisim 10.The result indicates that the circuit is praciical and stable, and can meet the applied requirement of interferometric fiber perturbation sensor.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2011(034)004【总页数】4页(P144-146,154)【关键词】微弱信号检测;前置放大器;滤波器;Muhisim 10【作者】盛兴;邓大鹏;廖晓闽;张建成【作者单位】西安通信学院,陕西西安710106;西安通信学院,陕西西安710106;西安通信学院,陕西西安710106;西安通信学院,陕西西安710106【正文语种】中文【中图分类】TN911-34;TP212在现代传感系统中,干涉型光纤扰动传感器以其极高的灵敏度得到了广泛关注[1-2]。
第36卷，增刊红外与激光工程2007年6月1V ．01．36S uppl e I ne ntI n6麓r ed and I 。
a s er E ngi neer i I l gJ un ．2007Sagl l ac 干涉式光纤水昕器传感特性理论研究王鑫，宋章启，张学亮，孟洲(国防科技大学光电学院，湖南长沙410073)擅要：从理论上分析了sagn ∞光纤水听器传感特性与信号频率、探头传感光纤长度、延时光纤长度之间的关系。
分析结果表明，sagnac 光纤水听器对于相同的信号频率，其声压相位灵敏度变化周期仅与探头在s agnac 环中位置有关，延时光纤长度增加，声压相位灵敏度周期随之变短。
水听器声压相位灵敏度的幅值仅与传感光纤长度有关，传感光纤长度增加，水听器声压相位灵敏度随之提高．仿真计算验证了理论分析结果，对s agnac 光纤水听器的设计和应用有一定的指导意义。
关键词：Sagnac ；光纤水听器；传感特性中图分类号：n 忆47文献标识码：A文章缡号：1007．2276(2007)增(激光)．0446-04Se ns i charact er i st i c of opt i cal 6ber hydr ophoneS e nSl n2C nar aC t enS nC 0l 0D nC aI nber nynr 0D none b 懿edons agnaci nt er f b 阳m et erW A N G X in ，SO N G zh 锄g-qi ，Z H A N GX ue —hang ，M EN G 乃l ou(co l l 馏c of 0|p 睡日∞昀ni c sci cn ∞andEI 哂∞eri ng ，N al i 伽l al ul Ii v 啪时ofD cfh 辩钕h ∞l ogy ’CIl 柚gsha410073，c 撕腿)A bst r 神t ：Ther e l a t i on of 8锄si ngch 盯∞僦st i cof0pt i c 肋erSagnaC 锄洳Imtri chydr 叩hone ，si gna lf l ∞u 铋cy ，m el e ngt l l ofsensi ng 舶erand 吐1e l engm of del ay co i l has bee n a Il al yz ed t l leor eti cal l y ．T he 锄a l yt i cr e sul t ss how 血atf or t l les 锄esi gnalf }equenc y'm e chang i ng cycl e of pre ss ure ph 鹪esensi t i V 埘onl ydepe ndso ndel ay coi l l engtl l ．w hi ledel ay coi ll engnli n cr eaS es ，phasese nsi t i V i t yc yc l edecr e 嬲es ．Pr ess ur e phas e se ns i t i V i t y a Inpl i t ude onl y depe nds o nm e l eng t l l of s ensi ng fi ber ．W 1l i l e del aycon i ncr e 嬲es ，ph 雒e s ensi t i V i 哆aI npht ude i Il c r eas e s ．The r e sul t s of t I l eor et i c a na l ys i s ha Ve bee n ca l cul a t ed 粗d V erif i edbys im ul 撕ons ．Itw i l l benef i t Ⅱl edesi gI l 柚d Ⅱl e 印pH cat i onof S a gna c hydr ophone ．酗r w ords ：SagIl ac ；叫i calf i berhydr opho ne ；Sens i ngchar act er is 雠O 引言光纤水听器是20世纪70年代末发展起来的—种新型水声传感器，是光纤传感技术研究的重要方向之一，也是新一代水声传感器的主要发展方向之一，它在军事领域的研究与应用受到了各国军方的高度重视。
第28卷 第1期光 学 学 报Vo l.28,N o.12008年1月ACTA O PT ICA SINICAJanuary,2008文章编号:0253-2239(2008)01-0092-07干涉型光纤水听器相位载波调制-解调中信号混叠产生的机理及解决方案*王泽锋 胡永明 孟 洲 倪 明 熊水东(国防科技大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073)摘要 信号混叠是制约基于相位载波调制-解调的光纤水听器系统走向应用的一个关键问题。
对信号混叠产生的机理进行了详细的理论分析和仿真,结果表明,提高光源调制频率和降低探头灵敏度都无法有效解决光纤水听器实际应用中遇到的高频干扰引起的混叠问题。
基于声学滤波器原理,提出了一种新颖的声低通滤波解决方案。
设计并加工制作了一种简单的声低通滤波光纤水听器,在驻波罐中对其声压灵敏度频响进行了测量。
实验结果表明,该光纤水听器在测量频带上具有较好的声低通滤波特性,低频声压灵敏度约为-140dB(0dB=1rad/L Pa),高频衰减大于20dB,对高频干扰有较强的抑制能力。
该方案十分简单经济,能从根本上有效地解决相位载波调制-解调中的信号混叠问题。
关键词 光纤传感器;光纤水听器;信号检测;相位载波调制-解调中图分类号 T B133;T B565+.1 文献标识码 A收稿日期:2007-03-05;收到修改稿日期:2007-06-13基金项目:国家863计划(2006A A09Z 121)和国防科技大学优秀研究生创新项目(0623)资助课题。
作者简介:王泽锋(1980-),男,湖南临武人,博士研究生,主要从事光纤传感技术方面的研究。
E -mail:hot rosemaths@163.co m导师简介:胡永明(1960-),男,福建永定人,教授,博士生导师,主要从事光纤信息技术、光纤光栅等方面的研究。
E -mail:huyong ming_nudt@ho Physical Me chanism and Solution of Aliasing in Phase Ge ne rate d Carrie r Modulation -De modulation of Inte rfe rome tric Fibe r -O ptic Hydropho neWang Zefeng Hu Yongming Meng Zhou Ni Ming Xio ng Shuid ong(College of Photoelectr ic Science a n d Engin eer in g ,Na t ion a l Univ er sit y of Def en se T echn ology ,Cha n gsha ,Hun an 410073,China )Ab stract Signal aliasing is one of puzzling questions of a prac tical fiber -optic hydrophone system based on pha se generated ca rrier (PGC)modulation -demodulation.The physical mechanism of signal aliasing is analyzed theoretically and simulated by computer.The results show that increasing the modulation frequency and lowering the sensitivity of the fiber -optic hydrophone cannot effectively resolve the signa l aliasing induced by high -frequency interfering signal.A novel acoustic low -pass filtering sc heme is proposed based on the principle of ac oustic low -pass filters.A simple fiber -optic hydrophone with an acoustic low -pass filter is designed and fabricated.The acoustic pressure pha se sensitivity is measured in a standard standing -wave duc t.The experimental results show that the fiber -optic hydrophone ha s fine characteristic s of acoustic low -pass filtering,and can restrain the high -frequenc y interfering signal strongly.The low -frequency acoustic sensitivity is about-140dB (0dB =1rad/L Pa),the attenuation of high frequency is bigger than 20dB.The sc heme is very simple and economic al,can be used to eliminate the signa l aliasing in a practical phase generated c arrier modulation -dem odulation system effectively.Key words fiber sensor;fiber -optic hydrophone;signal detection;phase generated carrier modulation -demodulation1 引 言自1977年报道了第一个光纤水听器以来[1],由于其在军事和民用上的巨大应用前景,获得了迅速的发展。
第19卷 第11期1999年11月光 学 学 报A CTA O PT I CA S I N I CAV o l.19,N o.11N ovem ber,1999干涉型光纤水听器相位载波调制及解调方案研究曹家年 张立昆 李绪友 周 华 穆海冰(哈尔滨工程大学光纤技术研究所,哈尔滨150001)摘 要 概述了直接调制光源产生相位载波的马赫2曾德尔(M ach2Zehnder)干涉型光纤水听器调制解调技术。
重点在于通过严密的数学推导,定量分析了直接调制光源伴生的调幅现象对于解调过程和结果的影响,并有针对性地提出了解决办法。
同时就采用直接调制光源的相位载波零差检测方案时,设计中如何合理选择各相关参数,以达到最佳匹配进行了原理性探讨。
给出了有关实验结果,这些理论分析和实验结果对于全光纤化水听器阵列的研究及检测系统的设计具有十分重要的意义。
关键词 干涉型光纤水听器, 相位载波零差检测技术, 直接调制半导体光源, 伴生调幅。
1 引 言在多种干涉型光纤水听器的信号检测技术中,直接调制光源的相位载波零差检测方式有利于实现传感器全光纤化和信号的远距离传输,减小了复用技术的复杂性,这些优点对于组成大规模光纤水听器阵列非常有利,因此,这种调制解调方案具有很高的研究价值和应用前景。
用压电陶瓷光纤相位调制器也可以实现相位调制,称之为外调制。
由于这种调制使传感器中未能摆脱电气元件而不得不用到电缆,使光纤水听器结构复杂,体积增大,不利于实现全光纤化和大规模组阵。
众所周知,外调制时光源在得到控制情况下输出光功率是稳定的,而直接调制光源的方式使稳定的光功率上叠加了一个交变的光功率,即有伴生调幅出现,这种伴生调幅的影响使得解调过程变得复杂化,如果不能很好地消除其影响,则将使最后解调出来的信号失真,甚至完全失去本来面目。
国外有关的文献报道都认为可以忽略这种影响[1]。
本文经过严密的数学分析和实验论证,发现在一般情况下这种影响是不能忽略的,而要忽略这种影响,必然要对调制度提出限制,这种限制又会影响到系统其它性能参数的选取。
总第186期2009年第12期舰船电子工程Ship Electronic Engineering Vol.29No.12192 干涉型光纤水听器检测方案分析与仿真3王喜龙(渤船重工军代表室 葫芦岛 125004)摘 要 光纤水听器是国防技术重点开发项目之一,涉及光学、光电子学、精密机械、信号处理技术等多个领域,各发达国家都高度重视此方面的研究。
文章详细讨论了Mach 2Zehnder 双光束光纤干涉仪基本原理、相位载波(P GC )零差检测方案,进行模型的数学分析及Matlab 仿真来实现P GC 解调。
关键词 光纤水听器;P GC 检测;仿真中图分类号 TP31Analysis and Si mulation of Detection Progra mto Interferomet ric Fiber 2optic Hydrop honeWang Xilong(Representative Office of Bohai Shipbuilding Heavy Industry Group Co.Ltd.,Huludao 125004)Abs t rac t Optical 2Fiber hydrophone is one of the key development projects of national defense technology ,and it is re 2lated to optics ,optoelectronics ,precision machinery ,signal processing technology and other fields.All developed countries have attached great importance to this research.This article discusses the basic principle of the Mach 2Zehnder double 2beam optical 2fiber interferometer in detail ,the detection program of phase generation carrier (P GC )homodyne ,the model of math 2ematical analysis and Matlab simulation to achieve the P GC demodulation.Ke y w ords optical 2fiber hydrophone ,P GC detection ,simulation Class Nu m ber TP311 引言光纤水听器与传统的压电陶瓷水听器相比,具有重量轻、体积小、完全被动工作、抗电磁干扰、能做成大型声纳基阵等诸多优点,特别受到各国海军的重视。
光纤水听器的种类主要有两类型:一类是调制型光纤水听器,利用光纤作为感应元件,通过调制光纤中的光束实现水下声信号的检测;另一类是混合型光纤水听器,感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。
研究最多的还是调制型光纤水听器,这类水听器又分为强度调制型和相位干涉型两种。
2 Mach 2Zehnder 双光束光纤干涉仪的基本原理 图1是全光纤Mach 2Zehnder 双光束干涉仪。
从光源发出的光由3dB 光纤耦合器分成空间分离的两路光束,分别称为信号臂和参考臂。
再经过另一个3dB 光纤耦合器重新相干混合,产生干涉,最后由光电检测器转换为电信号,经过信号检测就可以得到声压信号[1]。
从光学原理上分析发生干涉时的光强变化,这里忽略光纤的双折射效应,假定在上述系统中光波3收稿日期:2009年8月15日,修回日期:2009年9月20日作者简介:王喜龙,男,工程师,研究方向:水声工程。
2009年第12期舰船电子工程193图1 Mach 2Zehnder 双光束干涉仪的偏振态始终不变,且保持一致,这种假设简化了现实中的光波干涉情况。
光电探测器处的电场可写成:E =k 2c exp (i <b )k 1c E 0(τb )+k 2t exp (i <a )k 1t E 0(τa )(1)式中下标a 和b 分别表示信号臂和参考臂;k ij 是第i 个耦合器的分光比(耦合系数),下标t 表示直接传输光束;而c 表示间接传输光束(耦合光束,光源到参考臂的光束); E 0是光源的电场矢量,并随时间而变化;式中的τa 、τb 分别是光波从光源经信号臂和参考臂到达探测器的时间;<a 、<b 分别表示光波经信号臂和参考臂传输的相位延时。
对于理想的3dB 光纤耦合器,被耦合的光束将产生一个附加π/2的延时相位,所以k it 可以表示成实数,而k ic 则是虚数,于是有:k ic =i k ′ic(2)式中,k ′ic 是个实数。
利用下式可以计算在探测器处的光强[2]I =〈 E ・ E 3〉(3)式中括号表示求时间平均值,星号表示共轭复数。
把式(1)～(2)代入式(3)得:I =k ′21c k ′22c 〈 E 20(τb )〉+k 21t k 22t 〈 E 20(τa )〉+2Re [-k ′1c ・k ′2c k 1t k 2t exp [i (<a -<b )]]・〈 E 0(τa )・ E 0(τb )3〉(4)用耦合进入光纤的光强I 0表示〈 E 2(τa )〉及〈 E 20(τb )〉,上式可以简化,光源的相干强度定义为:γ(τa -τb )=〈 E 0(τa )・ E 30(τb )〉/I 0(5)于是有:I =I 0[k ′21c k ′22c +k 21t k 22t -2k ′1c k ′2c k 1t k 2t kγcos (<a -<b )](6)干涉条纹的可见度定义为:κ=I max-I min I max +I min(7)式中I max 、I min 分别表示光强随相位变化而产生的最大值和最小值,代入式(6)于是有:I =I 0[1-κcos (<a -<b )](8)κ=2k ′1c k ′2c k 1t k 2tk ′21c k ′22c +k 21t k 22tγ(9)由式(8)可知,Mach 2Zehnder 双光束干涉仪将外界信号引起的相位移变化转换为光强的变化。
可以得出:干涉仪将水下声波场的变化转化为光强的变化,经过光电转换器得到可检测的电压信号。
3 相位载波(P GC )零差检测方案3.1 干涉信号检测方案概述干涉仪的随机相位衰落导致输出信号信噪比随机涨落,甚至信号完全消隐。
消除干涉仪的相位衰落,实现信号的稳定检测,即抗相位衰落技术是光纤水听器走向应用的关键技术之一。
由Mach 2Zehnder 双光束干涉仪基本原理的推导得出输出端光强经光电检测器转换成电信号可表示为:I =A +B cos Φ(t )(10)式中:常数A 和B 与输入的光强成正比且B =kA ,k Φ1为干涉条纹可见度,这时引入的相位差为|<a-<b |=Φ(t ),由信号引起的相位变化、各种干扰与噪声以及初始相位组成[3]。
设<S 表示信号引起的相位变化,<n 为干扰和噪声,<0为初始相位。
则Φ(t )=<S +<n ,<0并入<n 。
一般外界干扰信号<n 是低频大信号,<S 为高频小信号,当信号有一微小变化量Δ<S 时:ΔI ≈B sin <n ・Δ<S(11)由于低频干扰<n 随机变化,且幅度大,由式(11)得出系统输出的信噪比在变化,且当sin <n =0时,信号光和参考光零偏置,信号完全消隐;当sin <n =1时,信号光和参考光正交偏置,输出检测光电流最大。
干涉仪输出信号随外界环境的变化而出现的信号随机涨落现象,称为干涉仪的相位衰落现象[4]。
光电检测器(PIN )的输出是与光强成比例的光电流,需要从中克服相位衰落,解调出与被测信号相关的光相位,解调方式同信号光与参考光之间的频率差Δω直接相关。
根据频差Δω是否为零,可将解调方法分为零差解调法和外差解调法两大类。
其中零差解调法是研究的热点,根据所采取的偏置方式不同,零差法可分为无源零差法(被动零差法)、有源零差法(主动零差法)、相位载波零差法。
无源零差法的基本特点是采用电路方法实现正交偏置,在干涉仪光路中毋需加入移相器,其代表是3×3耦合器法;有源零差法的基本特点是采用光路方法实现正交偏置,需在干涉仪光路中加入移相器进行反馈控制,常用的有闭环控制工作点、194 王喜龙:干涉型光纤水听器检测方案分析与仿真总第186期锁相检测法;相位载波法的基本特点是通过载波相位调制,在干涉仪中引入检测信号带宽外某一频率的大幅度相位调制信号,实现相位载波(Phase Generation Carrier )。
3.2 P GC 检测方案模型的数学分析结合检测方案,P GC 解调原理推导如图2。
图2 P GC 零差检测方案框图将幅度分别为G 、H ,角频率为ω0和2ω0的信号与干涉仪的输出信号进行混频,得到的结果分别为GA cos ω0t +GBJ 0(C )cos ω0t cosφ(t )+B G cos φ(t )∑∞k =1(-1)k J 2k (C )[cos (2k +1)ω0t +cos (2k -1)ω0t]-B G sin φ(t )∑∞k =0(-1)kJ 2k +1(C )[cos (2k +2)ω0t+cos2k ω0t](12)H A co s2ω0t +HB J 0(C )cos2ω0t cos φ(t )+HB cos φ(t )∑∞k =1(-1)k J 2k (C )[cos2(k +1)ω0t+co s2(k -1)ω0t ]-B H sinφ(t )∑∞k =0(-1)k J 2k +1(C )[co s (2k +3)ω0t +cos (2k -1)ω0t ](13)分别通过低通滤波器L F 1和L F 2后,得到-B GJ 1(C )sin φ(t )(14)-B H J 2(C )co s φ(t )(15)上两式中均含有外部环境的干扰,还不能从上两式中直接提取待测信号。
为了克服信号随外部干扰信号的涨落而出现的消隐和畸变现象,采用微分交叉相乘(DCM )技术。
为了减小输出结果对函数的依赖,适当地选择载波信号的幅度,使J 1(C )、J 2(C )出现最大峰值,这样的好处是当C 值稍有变化时系统最后输出结果的幅值变化不大,此时C ≈2.37rad [5]。
