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(duì)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(diǎn)。 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(hào)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(dòng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過光纖傳到信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào)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(diǎn)[1-5]： (1) 靈敏度高，頻響特性好；(2) 動(dòng)態(tài)范圍大；(3) 抗電磁干擾和信號(hào)串?dāng)_能力強(qiáng)；(4) 適于遠(yuǎn)距離傳輸與組陣；(5) 信號(hào)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(hào)解調(diào)問題是光纖水聽器研究的重點(diǎn)，而解調(diào)算法是信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)傳播，將光相移與聲壓信號(hào)之間的線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)與聲壓信號(hào)的非線性關(guān)系，因此在接收信號(hào)時(shí)就必須對(duì)光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)提取出聲壓信號(hào)[10]。 外差檢測法是一種基本的信號(hào)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(shí)驗(yàn)室等使用的主要信號(hào)檢測方案。 2011年，張楠等[11]研究了外差檢測方法的動(dòng)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(hào)在去除直流后得到信號(hào)

ys=Bcos[2πΔft+φ(t)]

(1)

式(1)中，Δf為外差頻率，φ(t)為待測信號(hào)、初始相位和環(huán)境噪聲之和，ys分別與參考信號(hào)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(hào)[12-13]。

這種外差解調(diào)法可以把待測信號(hào)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(shí)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(shí)現(xiàn)無失真解調(diào)，但當(dāng)待測信號(hào)幅度過大時(shí)，PGC算法存在混頻現(xiàn)象，而外差解調(diào)法信號(hào)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(jī)用于通信系統(tǒng)中，提高了信號(hào)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(hào)檢測方法，使用其解調(diào)能夠檢測大范圍信號(hào)，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(shí)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(hào)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(hào)保持120°的相位差[21-22]，三路信號(hào)可記為

V2=D+Bcosφ

(3)

式(3)中，φ=φs+φn+φ0，φs表示待測信號(hào)，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(hào)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(hào)φs[23-24]。

(3)與其它林果收獲機(jī)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(duì)林果起到聚攏作用，對(duì)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(dòng)力，大大降低了使用成本。且能對(duì)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(yàn)，采用3×3耦合器解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，試驗(yàn)成功得到了海底沉積物的粗略地形圖，但是試驗(yàn)過程中由于隨機(jī)噪聲的干擾，反射波的振幅隨機(jī)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(qiáng)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(dòng)增益控制(automatic gain control, AGC)電路之后通過除法器去除強(qiáng)度噪聲，實(shí)驗(yàn)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(duì)稱，但是在實(shí)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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)3×3耦合器的兩路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)確、無失真的解調(diào)，同時(shí)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(hào)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(hào)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(hào)，A是干涉儀的輸入光強(qiáng)，B是干涉信號(hào)的強(qiáng)度，C是調(diào)制深度；利用載波的單倍頻信號(hào)和二倍頻信號(hào)對(duì)干擾信號(hào)混頻得到一對(duì)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(gè)帶通濾波器濾除噪聲，從干涉信號(hào)中恢復(fù)被測信號(hào)。

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(qiáng)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(duì)雙通道的一路信號(hào)進(jìn)行微分，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)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(shí)又具有低諧波失真性，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，PGC-SDD算法的SNR達(dá)到了33.69 dB，有效抑制了光強(qiáng)和調(diào)制深度對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響，同時(shí)還可以用于解調(diào)非周期信號(hào)。

傳統(tǒng)的PGC-DCM算法具有較高的實(shí)時(shí)性，但是存在直流漂移和LID等問題，針對(duì)其缺點(diǎn)，研究者們做出了許多改進(jìn)措施，但在此過程中，對(duì)算法的復(fù)雜度及實(shí)時(shí)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(hào)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(shí)，對(duì)式(11)進(jìn)行反正切處理，就可以得到含有噪聲的信號(hào)φs(t)，然后經(jīng)過帶通濾波器濾除噪聲即可得到原始信號(hào)[41]。 PGC-Atan算法雖然解決了LID的影響，但是會(huì)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(hào)解調(diào)算法是光纖水聽器的研究重點(diǎn)，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(diǎn)，對(duì)比如表1所示，并對(duì)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(hào)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(diǎn)。 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(bǔ)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(hào)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(hào)的解調(diào)范圍較大，環(huán)境噪聲對(duì)其影響相對(duì)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(shí)時(shí)性好的光纖水聽器仍是一項(xiàng)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(diǎn)對(duì)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。