光纖水聽器解調(diào)技術(shù)研究進(jìn)展

郭銀景, 王 蕾, 蘇銘玥, 宋亞琦, 呂文紅

1. 山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山東 青島 266590 2. 山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東 青島 266590 3. 青島智海牧洋科技有限公司，山東 青島 266590

引 言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，世界各國都加大了對海洋領(lǐng)域的研究，光纖水聽器是目前水聲研究領(lǐng)域的一種關(guān)鍵技術(shù)，是當(dāng)下研究的熱點。 光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器，它可以通過高靈敏度的光學(xué)相干檢測將水聲震動轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳到信號處理系統(tǒng)提取聲信號的信息。 與其他類型水聽器相比，光纖水聽器具有如下優(yōu)點[1-5]： (1) 靈敏度高，頻響特性好；(2) 動態(tài)范圍大；(3) 抗電磁干擾和信號串?dāng)_能力強；(4) 適于遠(yuǎn)距離傳輸與組陣；(5) 信號傳感與傳輸一體化，系統(tǒng)可靠性高；(6) 耐高溫高壓、耐腐蝕等。

自20世紀(jì)70年代提出以來，光纖水聽器就得到了迅速的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于水下潛航器的導(dǎo)航定位[6]、海洋地震勘探[7]、石油資源勘探、水聲警戒、海洋物理研究、海水養(yǎng)殖等[8-9]場景。 光纖水聽器的信號解調(diào)問題是光纖水聽器研究的重點，而解調(diào)算法是信號解調(diào)的重中之重。 常用的解調(diào)算法有： 相位生成載波(phase generated carrier, PGC)法、3×3耦合器法、外差法等。 近些年，研究者們提出了各種改進(jìn)算法用于提高解調(diào)系統(tǒng)的性能。

1 外差解調(diào)法

光纖水聽器將聲信號轉(zhuǎn)化為光信號傳播，將光相移與聲壓信號之間的線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為光強與聲壓信號的非線性關(guān)系，因此在接收信號時就必須對光信號進(jìn)行解調(diào)提取出聲壓信號[10]。 外差檢測法是一種基本的信號檢測方法，廣泛應(yīng)用于光學(xué)檢測和電子檢測，是英國QinetiQ公司、Stingray公司和美國海軍實驗室等使用的主要信號檢測方案。 2011年，張楠等[11]研究了外差檢測方法的動態(tài)范圍上限，系統(tǒng)分析了外差檢測法解調(diào)及其性能。 外差解調(diào)法可以分為： 外差-微分交叉相乘(differential cross-multiplication, DCM)算法、外差-反正切(Atan)算法。 干涉信號在去除直流后得到信號

ys=Bcos[2πΔft+φ(t)]

(1)

式(1)中，Δf為外差頻率，φ(t)為待測信號、初始相位和環(huán)境噪聲之和，ys分別與參考信號yr1=Ccos(2πΔft)，yr2=Csin(2πΔft)進(jìn)行混頻，得到

(2)

之后利用DCM方法或Atan方法可以恢復(fù)被測信號[12-13]。

這種外差解調(diào)法可以把待測信號調(diào)制在外差頻率的邊帶上，能夠很好地抑制低頻噪聲。 2012年，蔣鵬等[14]在瑞利散射光的相干檢測基礎(chǔ)上，將雙脈沖外差解調(diào)技術(shù)與光時域反射儀(optical time-domain reflectometer, OTDR)結(jié)合，提出的基于雙脈沖外差解調(diào)算法的分布式光纖傳感系統(tǒng)，很大程度上抑制了低頻噪聲，提高了檢測靈敏度。 2016年，Hu等[15]論證了PGC算法與外差解調(diào)算法，并比較了它們的性能，仿真結(jié)果顯示，外差法和PGC法均能實現(xiàn)無失真解調(diào)，但當(dāng)待測信號幅度過大時，PGC算法存在混頻現(xiàn)象，而外差解調(diào)法信號頻譜集中在一定范圍內(nèi)，解調(diào)范圍較大。 Chen等[16]將使用外差檢測的接收機用于通信系統(tǒng)中，提高了信號接收的靈敏度；He等[17]提出一種利用雙外差脈沖與外差解調(diào)相結(jié)合的相位敏感光時域反射儀(phase-sensitive optical time-domain reflectometry, Φ-OTDR)系統(tǒng)，Cusato等[18]介紹了一種用于相干層析成像的外差檢測系統(tǒng)，都具有較大的檢測范圍。 此外，2017年，Zhang等[19]提出基于外差解調(diào)算法的偏振分集接收信道(ASTPDR)可以消除干涉型光纖水聽器中的偏振誘導(dǎo)衰落(polarization induced fading, PIF)問題，實驗結(jié)果表明，該方法不僅可以消除PIF，還在一定程度上抑制了背景噪聲。 外差法是一種經(jīng)典的信號檢測方法，使用其解調(diào)能夠檢測大范圍信號，且算法復(fù)雜度較低，但是存在穩(wěn)定性差的問題，限制了其在實際中的應(yīng)用。

2 3×3耦合器解調(diào)算法

1982年，Sheem等[20]最先提出了基于3×3耦合器的解調(diào)方法，用于解決信號的衰落問題(圖1，圖2)。 這種解調(diào)方法需要耦合器的三路輸出信號保持120°的相位差[21-22]，三路信號可記為

V2=D+Bcosφ

(3)

式(3)中，φ=φs+φn+φ0，φs表示待測信號，φn表示噪聲，φ0表示初始相位。

圖2 3×3耦合器解調(diào)算法原理Fig.2 The principle of 3×3 coupler demodulation algorithm

3×3耦合器輸出的三路信號濾除直流后微分得到

(4)

式(4)中，三式兩兩交叉相乘再相加得到

(5)

經(jīng)過積分與帶通濾波器后可恢復(fù)待測信號φs[23-24]。

(3)與其它林果收獲機械比如擊打式、氣吸式結(jié)構(gòu)相比，本裝置通過傘形集果筒很好的對林果起到聚攏作用，對林果進(jìn)行收集與收獲，效率較高而且不需要消耗能源來提供動力，大大降低了使用成本。且能對落地后的林果一次性采收，不需要進(jìn)行反復(fù)采收。

2011年，Rao等[25]用四元拖曳陣列進(jìn)行了海底探測試驗，采用3×3耦合器解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，具有較大的動態(tài)范圍，試驗成功得到了海底沉積物的粗略地形圖，但是試驗過程中由于隨機噪聲的干擾，反射波的振幅隨機變化，解調(diào)結(jié)果不穩(wěn)定。 為降低噪聲的影響，2017年，Mao等[26]分析了強度噪聲的傳播過程，并在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的3×3耦合器解調(diào)算法，在自動增益控制(automatic gain control, AGC)電路之后通過除法器去除強度噪聲，實驗結(jié)果顯示，這種改進(jìn)算法噪聲降低了大約20 dB，具有較好的解調(diào)效果。

3×3耦合器解調(diào)算法要求3×3耦合器在解調(diào)過程中嚴(yán)格對稱，但是在實際中，不能保證120°的相位差。 為消除相位差限制，2017年，Liao等[27]基于3×3耦合器端口的相位差提出了橢圓擬合微分交叉相乘(EF-DCM)算法；2019年，宋美杰等[28]針對3×3耦合器算法的不足，借鑒PGC算法，提出一種新的解調(diào)算法；2020年，代欣學(xué)等[29]提出了一種基于3×3耦合器的反正切解調(diào)算法，消除了相位差對解調(diào)結(jié)果的影響。 3×3耦合器解調(diào)算法原理簡單，信號檢測范圍大，但是由于其電路體積較大，不便于大規(guī)模陣列的應(yīng)用[30]。 2020年，Qu等[31]采用Ellipse-DAT算法對3×3耦合器的兩路信號進(jìn)行解調(diào)，實驗結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)相對準(zhǔn)確、無失真的解調(diào)，同時也減少了1/3的硬件體積。

3 相位載波生成解調(diào)算法

PGC算法是光纖水聽器信號檢測的一種重要解調(diào)方式[32]，目前主要的PGC算法有： PGC-微分交叉相乘(PGC-DCM)法、PGC-反正切(PGC-Atan)法。

3.1 PGC-DCM算法

PGC-DCM算法是由DanDrige等提出的[33]，算法原理如圖3所示，假設(shè)干涉信號為

I=A+Bcos[Ccosωct+φs(t)+φ0(t)]

(6)

式(6)中，ωc為相位載波調(diào)制的角頻率，φ0(t)為外部環(huán)境引起的誤差，φs(t)為待測信號，A是干涉儀的輸入光強，B是干涉信號的強度，C是調(diào)制深度；利用載波的單倍頻信號和二倍頻信號對干擾信號混頻得到一對相互正交的正弦、余弦函數(shù)，然后通過低通濾波器得到[34]

S1=-BJ1(C)sinφs(t)

S2=-BJ2(C)cosφs(t)

(7)

S=B2J1(C)J2(C)φs(t)

(8)

式(8)再經(jīng)過積分得到

(9)

最后通過一個帶通濾波器濾除噪聲，從干涉信號中恢復(fù)被測信號。

圖3 PGC-DCM算法原理Fig.3 The principle of PGC-DCM algorithm

PGC-DCM算法原理比較簡單，但是存在直流漂移和光強干擾(light intensity disturbance, LID)等問題[35]。 為了提高解調(diào)性能，2011年，施清平等[36]提出了一種基于3×2耦合器的PGC-DCM算法，只對雙通道的一路信號進(jìn)行微分，實驗表明，該算法能夠有效消除伴生調(diào)幅的影響，與PGC-DCM相比，信噪比(singal noise ratio, SNR)提高了20 dB，幅度偏差也只有0.08 rad。 2012年，Wang等[37]提出一種PGC-Arccot-DSM算法，將微分自乘算法與反余切算法結(jié)合，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和線性度，通過實驗得到此算法的總諧波失真(total harmonic distortion, THD)低于0.1%，線性度高于0.999 9，但是由于調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜，系統(tǒng)的實時性較差。 與之相比，2014年，Zhang等[38]介紹的PGC-DSMI算法，通過消除PGC-DCM算法中的系數(shù)，獲得了較高的實時性，仿真結(jié)果顯示，PGC-DSMI算法的線性度高達(dá)0.999 9，并一定程度上抑制了LID的影響。 2019年，Yu等[39]設(shè)計并分析了一種PGC-SDD算法，通過單路差分，兩路分頻，解決了傳統(tǒng)PGC-DCM算法的不足，即在提高穩(wěn)定性的同時又具有低諧波失真性，經(jīng)過實驗驗證，PGC-SDD算法的SNR達(dá)到了33.69 dB，有效抑制了光強和調(diào)制深度對解調(diào)結(jié)果的影響，同時還可以用于解調(diào)非周期信號。

傳統(tǒng)的PGC-DCM算法具有較高的實時性，但是存在直流漂移和LID等問題，針對其缺點，研究者們做出了許多改進(jìn)措施，但在此過程中，對算法的復(fù)雜度及實時性造成了影響，一定程度上影響了解調(diào)性能。

3.2 PGC-Atan算法

為了消除LID的影響，1994年，Timothy R. Christian首先提出了PGC-Atan算法[40]，如圖4所示，干涉信號I經(jīng)過倍頻與低通濾波后得到

S1=-BJ1(C)sinφs(t)

S2=-BJ2(C)cosφs(t)

(10)

將式(10)中的兩式相除得到

(11)

當(dāng)J1(C)/J2(C)=1時，對式(11)進(jìn)行反正切處理，就可以得到含有噪聲的信號φs(t)，然后經(jīng)過帶通濾波器濾除噪聲即可得到原始信號[41]。 PGC-Atan算法雖然解決了LID的影響，但是會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的諧波失真[42]。

圖4 PGC-Atan算法原理Fig.4 The principle of PGC-Atan algorithm

4 總結(jié)與展望

信號解調(diào)算法是光纖水聽器的研究重點，常用的解調(diào)算法有： PGC法、3×3耦合器法、外差法等，本文介紹了光纖水聽器常用解調(diào)算法的原理及優(yōu)缺點，對比如表1所示，并對近些年的研究進(jìn)行了總結(jié)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者們提出了PGC-SDD，PGC-DSM和PGC-DSMI等算法解決傳統(tǒng)解調(diào)算法的不足，但是由于海洋環(huán)境的變化復(fù)雜多樣，光纖水聽器的解調(diào)算法還有更大發(fā)展空間。

(1) 目前，光纖水聽器的信號解調(diào)算法已經(jīng)取得了許多新的研究成果，但是每一種算法都有其不足之處，所以解調(diào)算法的改進(jìn)依舊是研究光纖水聽器的重點。 隨著研究者的深入研究，不斷出現(xiàn)一些新的算法，或者通過不同算法間的結(jié)合，取長補短，從而得到更為優(yōu)秀的算法。 例如，PGC算法與3×3耦合器解調(diào)結(jié)合，消除了信號混疊和LID問題，還在一定頻率范圍內(nèi)提高了解調(diào)的穩(wěn)定性。

(2) 3×3耦合器解調(diào)技術(shù)信號的解調(diào)范圍較大，環(huán)境噪聲對其影響相對較小，但是其電路體積較大，不適合大規(guī)模陣列的應(yīng)用。 光纖水聽器一般用于AUV的導(dǎo)航定位或海水警戒等場景，制作體積小、解調(diào)范圍大、實時性好的光纖水聽器仍是一項亟待解決的重要任務(wù)。

表1 光纖水聽器主要解調(diào)算法優(yōu)缺點對比Table 1 The comparison of advantages and disadvantages of main demodulation algorithms of fiber optic hydrophone

(3) 文中介紹的幾種解調(diào)算法基本都存在穩(wěn)定性差的問題，而光纖水聽器的使用場景要求其穩(wěn)定性能越高越好，因此，提高解調(diào)算法的穩(wěn)定性是未來研究的主要方向。