CN116047526B - 超细连续光纤拖曳声纳及水下移动平台 - Google Patents

超细连续光纤拖曳声纳及水下移动平台 Download PDF

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CN116047526B CN202310319603.7A CN202310319603A CN116047526B CN 116047526 B CN116047526 B CN 116047526B CN 202310319603 A CN202310319603 A CN 202310319603A CN 116047526 B CN116047526 B CN 116047526B
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Abstract

本发明提出一种超细连续光纤拖曳声纳及水下移动平台，包括拖曳阵、拖缆、声信号解调模块和声信号处理及存储模块；所述拖曳阵包含声基阵，声基阵用于探测水声信号；所述拖缆连接拖曳阵与声信号解调模块，负责光电信号传递和承载拖力；所述声信号解调模块用于向声基阵发射光信号，接收声基阵返回光信号，并解调提取与水声信号相关的光相位信息；声信号处理及存储模块用于将声信号解调模块解调提取的与水声信号相关的光相位信息转换为水声信号的时域、频域或/和方位特征信息，并存储。本发明可对水下微弱声信号实施空间连续的高灵敏度探测，为获取水声信号的特征和方位信息，提供更全面的探测数据支持。

Description

超细连续光纤拖曳声纳及水下移动平台
技术领域
本发明主要涉及到声信号解调技术领域，尤其是一种超细连续光纤拖曳声纳及水下移动平台。
背景技术
拖曳声纳是一种高效、机动、灵活的水下探测***，搭载于水下移动平台，可机动探测水声信号。水听器声基阵是拖曳声纳探测水声信号的核心，声基阵越长，对微弱水声信号探测的能力越强。因此，增加声基阵长度是提升拖曳声纳探测性能的重要手段。拖曳声纳的声基阵收置于水下移动平台尾部舱内。舱内体积限制了声基阵的长度。对于水下无人潜航器等小舱体移动平台，拖曳声纳声基阵长度更短，严重限制了探测性能。减小声基阵直径，可在不改变体积的情况下，增加声基阵长度。此外，减小声基阵直径，能有效地降低拖曳流噪声对声基阵探测微弱水声信号的影响。因此，超细拖曳声纳是高性能拖曳声纳的发展趋势。
随着分布式声波传感技术和光纤微结构加工技术的发展，采用单根光纤构成声传感阵列，有望实现构建超细拖曳声纳。海军工程大学丁朋等人提出一种弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵[丁朋等人，弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵，光子学报，2021年7月]，构成该拖曳线列阵的水听器仅由折射率调制的单根光纤构成，因此阵列直径细。但该阵列采用光纤涂覆成阵方案，光纤光栅水听器声压灵敏度低，且受拖曳流噪声影响严重，上述问题极大限制了该拖曳线列阵对微弱水声信号的探测距离。
声信号解调方法是水听器声纳***提取水声信号的关键，对于基于单根光纤构成的超细光纤拖曳声纳***，分布式声波检测方法是声信号解调的核心。探测噪声、动态范围和频率响应范围是声信号解调方法的核心指标，决定了水听器声纳***对水声信号的探测距离，幅度响应范围和频率响应范围。衰落噪声和光源相位噪声是分布式声波检测方法的主要噪声来源。模式分集和模式融合技术是抑制衰落噪声的有效方法[A.H. Hartog, L.B. Liokumovich, N. A. Ushakov, O. I. Kotov, T. Dean, T. Cuny, A.Constantinou,and F. V. Englich, The use of multi-frequency acquisition tosignificantlyimprove the quality of fibre-optic distributed vibration sensing,Geophys.Prospect. 66(s1), 192-202 (2017).][D. Chen, Q. Liu, and Z. He,Phase-detectiondistributed fiber-optic vibration sensor without fading-noisebased on time-gated digital OFDR, Opt. Express 25(7), 8315-8325 (2017)]。上海光机所光所周俊等人提出采用频率模式分集结合相干探测抑制相干衰落的方法[周俊等人，基于多频率综合鉴别Ф-OTDR***中干涉衰落假信号的相位解调技术，中国激光，2013年]。该方法采用相干探测技术，由传感光纤返回的光信号与本地光干涉，传感光纤长度通常为数十公里，因此返回的光信号与本地光存在长时延，导致***光源相位噪声严重影响分布式声波检测的噪声。低频外差相位解调技术和相位产生载波（PGC）相位解调技术是经典的水声信号解调方法。上述方法以频率
Figure SMS_1
向传感阵列周期注入探测光脉冲，通过引入外差频率或相位调制获得时变干涉信号，并从中解调获得水声信号。上述方法的动态范围由外差频率或相位调制频率决定。由于外差频率或相位调制频率低于脉冲重频/>
Figure SMS_2
，现有方法的外差频率和相位调制频率仅为kHz量级，动态范围严重受限。若外差频率或相位调制频率提升至MHz量级，动态范围将随之线性提升。同时，由于外差频率或相位调制频率低于脉冲重频/>
Figure SMS_3
，干涉信号的强度随时间变化频率低于/>
Figure SMS_4
。通过收集一系列的干涉脉冲强度，构成时变干涉信号，结合相位解调技术，可获得干涉信号相位中包含的声波信息。对于上述两种信号解调方法，干涉信号强度的收集频率为光脉冲频率/>
Figure SMS_5
。根据低频外差相位解调技术或PGC相位解调算法的要求，对时变干涉信号的采样率至少为相位调制频率或外差频率的8倍，因此，相位调制频率和外差频率上限为/>
Figure SMS_6
。考虑声波信号检测的动态范围，一般相位调制频率和外差频率为待测声波信号最高频率的8倍以上。因此，待测声波信号的最高频率仅为为/>
Figure SMS_7
，频率响应范围受限严重。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种超细连续光纤拖曳声纳及水下移动平台。该拖曳声纳仅由传感光纤和增敏结构组成，使拖曳阵直径可缩小至10mm以下，在水下移动平台舱体空间受限的情况下，极大增加了声基阵长度，提升了对水下声信号探测的空间增益，降低了流噪声对声基阵探测微弱水声信号的影响，该声信号解调方法发采用直接探测方案降低光源噪声，采用相位调制实现频率分集，构建融合复数，抑制衰落噪声，降低声纳***的探测噪声，拓展了探测距离，采用高频外差技术，提升声信号解调的动态范围，扩大声信号的频率响应范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种超细连续光纤拖曳声纳，包括拖曳阵、拖缆、声信号解调模块和声信号处理及存储模块；所述拖曳阵包含声基阵，声基阵用于探测水声信号；所述拖缆连接拖曳阵与声信号解调模块，负责光电信号传递和承载拖力；所述声信号解调模块用于向声基阵发射光信号，接收声基阵返回光信号，并解调提取与水声信号相关的光相位信息；声信号处理及存储模块用于将声信号解调模块解调提取的与水声信号相关的光相位信息转换为水声信号的时域、频域或/和方位特征信息，并存储。
作为优选方案，本发明所述拖曳阵包含前减振段、声基阵、后减振段和尾段，前减振段和后减振段均起缓冲和隔振作用，尾段用来增加阻力以保持声基阵的直线状态。
作为优选方案，本发明所述声基阵由连续光纤水听器阵列组成，其中，连续光纤水听器阵列由传感光纤和增敏体组成，长度为L的传感光纤以缠绕比
Figure SMS_8
连续缠绕在增敏体上，即构成长度为/>
Figure SMS_9
的连续光纤水听器阵列，用于高灵敏度感应外界水声信号。进一步地，还可结合分布式声波传感技术，空间连续探测水声信号。
作为优选方案，本发明所述的传感光纤的纤芯折射率以光纤距离间隔
Figure SMS_10
周期性改变，其中c表示真空光速，n为光纤有效折射率。
作为优选方案，本发明所述声信号解调模块包括双光脉冲生成组件、数据采集及预处理组件和信号处理器，
所述双光脉冲生成组件，用于生成H个双光脉冲，并以重复频率
Figure SMS_11
将生成的H个双光脉冲注入声基阵，其中其中t时刻双光脉冲中两个光脉冲间存在光频差/>
Figure SMS_12
和相位差
Figure SMS_13
，其中C为相位调制幅度，/>
Figure SMS_14
为相位调制频率；
所述数据采集及预处理组件，用于以重复频率
Figure SMS_16
获得声基阵返回的H个干涉信号，每个干涉信号时长相同且为/>
Figure SMS_21
,其中，c表示真空光速，n为声基阵中传感光纤的有效折射率，L为声基阵中传感光纤的长度，第h个干涉信号的交流部分表示为
Figure SMS_24
，
Figure SMS_18
，第h个干涉信号包含了/>
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个不同频率的拍频信号，拍频为
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，/>
Figure SMS_26
表示第h个干涉信号中拍频为/>
Figure SMS_15
的干涉信号的幅度，相位/>
Figure SMS_19
是由待测声信号引起的同频相位信号，幅度与声信号成正比，/>
Figure SMS_22
为衰落噪声，p为满足/>
Figure SMS_25
的正整数，k为整数且满足
Figure SMS_17
；
所述信号处理器，用于获取声基阵位置z处探测的声波时域信号，信号处理过程包括：
将
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分别与/>
Figure SMS_28
和/>
Figure SMS_29
相乘，然后分别经过低通滤波，获得2p+1对零频正交信号/>
Figure SMS_30
和
Figure SMS_31
；
利用2p+1对零频正交信号
Figure SMS_32
和
Figure SMS_33
构建/>
Figure SMS_34
个复数/>
Figure SMS_35
；
利用
Figure SMS_36
个复数/>
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构建融合复数/>
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；/>
利用
Figure SMS_39
的实部/>
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和虚部/>
Figure SMS_41
，通过反正切函数，获得相位信息/>
Figure SMS_42
；
利用
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，将/>
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转换为/>
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，表示第h个双光脉冲注入声基阵时，声基阵位置z处的相位，同时也代表声基阵位置z处探测的声信号的幅值，式中/>
Figure SMS_46
表示传感光纤缠绕在增敏弹性体的缠绕比；
将H个相位
Figure SMS_47
按访问先后顺序排列，获得时变相位信号
Figure SMS_48
，
Figure SMS_49
为第一个干涉信号携带的信号相位，是常数，所述时变相位信号代表声基阵位置z处探测的声波时域信号。
作为优选方案，本发明中利用
Figure SMS_50
对零频正交信号
Figure SMS_51
和
Figure SMS_52
构建/>
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个复数/>
Figure SMS_54
，方法如下：
Figure SMS_55
作为优选方案，本发明所述利用/>
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个复数/>
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构建融合复数/>
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，方法如下：
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；
其中：
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为由第一个干涉信号（h=1）构建的复数，其模为/>
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，符号*为共轭符号，/>
Figure SMS_62
为第一个干涉信号携带的信号相位，是常数，通过上述方法获得的融合复数/>
Figure SMS_63
的相位为/>
Figure SMS_64
，不再包含衰落噪声
Figure SMS_65
。
作为优选方案，本发明所述双光脉冲生成组件包括窄线宽激光器、第一声光调制器、非平衡干涉仪和环形器，窄线宽激光器、第一声光调制器和非平衡干涉仪依次连接；所述窄线宽激光器用于产生高相干连续激光；所述第一声光调制器根据设定的脉冲调制信号周期生成光脉冲，光脉冲重复频率
Figure SMS_66
，脉冲宽度W；所述非平衡干涉仪用于生成具有时延/>
Figure SMS_67
、光频差/>
Figure SMS_68
和相位差/>
Figure SMS_69
的双光脉冲；双光脉冲从环形器的第二端口注入声基阵，并由环形器的第二端口接收声基阵返回的回光信号，所述返回光信号再从环形器的第三端口输出。
作为优选方案，本发明所述非平衡干涉仪包括第一光纤耦合器、第二声光调制器、相位调制器和第二光纤耦合器，其中第一光纤耦合器的输入端与第一声光调制器的输出端连接，第一光纤耦合器的两个输出端分别与第二声光调制器的输入端和相位调制器的输入端连接，第二声光调制器的输出端和相位调制器的输出端分别与第二光纤耦合器的两个输入端连接，第二光纤耦合器的输出端作为非平衡干涉仪的输出端，用于输出双光脉冲；第二声光调制器用于根据频率为
Figure SMS_70
的第一正弦调制信号对光脉冲实施光频移，频移量为
Figure SMS_71
，相位调制器用于根据第二正弦调制信号对光脉冲实施正弦光相位调制，调制相位
Figure SMS_72
。
作为优选方案，本发明所述双光脉冲生成组件还包括第一光放大器和第一光滤波器，所述非平衡干涉仪的输出端连接有第一光放大器和第一光滤波器，所述非平衡干涉仪输出的双光脉冲经放大、滤波后从环形器的第二端口注入声基阵。
作为优选方案，本发明所述数据采集及预处理组件包括光电探测器和数据采集卡；
所述光电探测器用于获取声基阵返回的返回光信号，并将返回光信号转换成电信号；
所述数据采集卡用于根据触发信号和时钟信号对光电探测器输出的电信号进行采集，并提供给信号处理器。
作为优选方案，本发明所述数据采集及预处理组件还包括第二光放大器和第二光滤波器，从环形器的第三端口输出的返回光信号经第二光放大器和第二光滤波器放大、滤波后输入光电探测器。
作为优选方案，本发明还包括信号发生器，所述信号发生器用于生成第一声光调制器的脉冲调制信号，生成相位调制器的第二正弦调制信号，生成第二声光调制器的第一正弦调制信号，生成数据采集卡的触发信号和时钟信号。
另一方面，本发明提供一种水下移动平台，所述水下移动平台上搭载有上述任一种超细连续光纤拖曳声纳，采用所述超细连续光纤拖曳声纳探测水声信号。
进一步地，所述水下移动平台还包括收放装置，用于收放超细连续光纤拖曳声纳的拖曳阵和拖缆，所述收放装置由水下绞车组成，平放安装在水下移动平台尾部舱内定位置，采用水下电机马达驱动，采用变频调速控制方式。
进一步地，所述水下移动平台采用高性能电源为收放装置、声信号解调模块、声信号处理及存储模块供电。
进一步地，所述水下移动平台包括但不限于无人潜航器，所述水下移动平台还包括值班***，保证整个超细连续光纤拖曳声纳平时处于分时工作模式，即每个时间周期内只有一小段时间***处于探测工作状态，其他时间***处于休眠状态。
相比现有技术，本发明的技术效果：
本发明提供的用于水下移动平台的超细连续光纤拖曳声纳***及声信号解调方法，该***利用超细连续光纤水听器构成声基阵，使拖曳阵直径可缩小至10mm以下，在水下移动平台舱体空间受限的情况下，极大增加了声基阵长度，提升了对水声信号探测的空间增益，降低了流噪声对声基阵探测微弱水声信号的影响。
该声信号解调方法发采用直接探测方案降低光源噪声，采用相位调制实现频率分集，构建融合复数，抑制衰落噪声，降低声纳***的探测噪声，拓展了探测距离，采用高频外差技术，提升声信号解调的动态范围，最高响应频率提升至
Figure SMS_73
,扩大声信号的频率响应范围，对提升水下移动平台尤其是小舱体水下移动平台的探测能力，提供了重要的技术和设备支持。
本发明提出的超细连续光纤拖曳声纳***可对水下微弱声信号实施空间连续的高灵敏度探测，为获取水声信号的特征和方位信息，提供更全面的探测数据支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中的超细连续光纤拖曳声纳的原理框图；
图2是本发明一实施例中搭载有超细连续光纤拖曳声纳的水下移动平台的结构示意图；
图3是本发明一实施例中声信号解调模块的结构示意图；
图4是本发明一实施例中声信号解调模块的结构示意图；
图5是本发明一实施例中声信号解调模块的结构示意图；
图6是本发明一实施例中声基阵的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1和图2，本发明一实施例提供一种超细连续光纤拖曳声纳，包括拖曳阵、拖缆、声信号解调模块和声信号处理及存储模块5。
将所述超细连续光纤拖曳声纳搭载在水下移动平台上，其中拖缆2和拖曳阵3位于舱外，为舱外部分，收放装置1、声信号解调模块4、声信号处理及存储模块5以及高性能电源6位于水下移动平台上，为舱内部分。
收放装置1用于收放拖曳阵3和拖缆2，声信号解调模块4与拖曳阵3之间通过光纤连接构成光路，拖曳阵3探测得到的包含水声信号和阵列形状信息的原始光信号数据经声信号解调模块4处理，提取与水声信号相关的光相位信息，声信号处理及存储模块5通过处理提取的水声信号，获得水声信号的特征谱和方位历程等探测信息，并存储至存储模块。对于无人潜航器，舱内部分还包括值班***7，保证整个拖曳声纳***平时处于分时工作模式，即每个时间周期内只有一小段时间***处于探测工作状态，其他时间***处于休眠状态。
所述拖曳阵3包含声基阵300，声基阵300用于探测水声信号；所述拖缆2连接拖曳阵3与声信号解调模块4，负责光电信号传递和承载拖力，拖缆需有一定的长度，使拖曳阵声基阵远离水下移动平台载体自身噪声干扰。拖缆在水中为微重力或零浮力，以减小拖缆噪声和阻力，保证拖缆工作时处于水平状态。收放装置用于收放拖曳阵和拖缆，由水下绞车组成，平放安装在水下移动平台尾部舱内定位置。
拖曳阵3包含前减振段301、声基阵300、后减振段302和尾端303，声基阵300用于空间连续探测微弱声信号，前减振段301、后减振段302起缓冲和隔振作用，尾段303用来增加阻力以保持声基阵300的直线状态。
所述声信号解调模块4用于向声基阵300发射光信号，接收声基阵300返回光信号，并解调提取与水声信号相关的光相位信息。
声信号处理及存储模块5用于将声信号解调模块4解调提取的与水声信号相关的光相位信息转换为水声信号的时域、频域或/和方位特征信息，并存储。
高性能电源6用于为收放装置、声信号解调模块4、声信号处理及存储模块5供电。
对于无人潜航器，值班***7，保证整个拖曳声纳***平时处于分时工作模式，即每个时间周期内只有一小段时间***处于探测工作状态，其他时间***处于休眠状态。
参照图6，图6为本发明一实施例中提供的声基阵结构示意图，所述声基阵由连续光纤水听器阵列121组成，其中，连续光纤水听器阵列121由传感光纤1211和增敏体1212组成，长度为L的传感光纤1211以缠绕比
Figure SMS_74
连续缠绕在增敏体1212上，即构成长度为/>
Figure SMS_75
的连续光纤水听器阵列121，用于高灵敏度感应外界水声信号。
传感光纤的具体结构、型号不限，可以采用现有技术中常用的传感光纤。作为优选方案，传感光纤最优选择为抗弯光纤，经验证抗弯光纤能够降低弯曲损耗，以提高光信号信噪比，降低探测噪声。
传感光纤的纤芯折射率可以固定不变。申请人经过长期研究并试验论证，对传感光纤的纤芯折射率进行优化设计调制能够有效提高光信号信噪比和降低探测噪声。作为更优选方案，将传感光纤的纤芯折射率以光纤距离间隔
Figure SMS_76
周期性改变能够显著提高光信号信噪比和降低探测噪声，其中，c表示真空光速，n为光纤有效折射率。
参照图3，本发明一实施例中提供一种声信号解调模块，包括：
双光脉冲生成组件100，用于生成H个双光脉冲，并通过环形器200以重复频率
Figure SMS_77
将生成的H个双光脉冲注入声基阵300，其中t时刻双光脉冲中两个光脉冲间存在光频差
Figure SMS_78
和相位差/>
Figure SMS_79
，其中C为相位调制幅度，/>
Figure SMS_80
为相位调制频率；同时环形器200接收声基阵300返回的回光信号；
数据采集及预处理组件400，用于以重复频率
Figure SMS_82
获得声基阵返回的H个干涉信号，每个干涉信号时长相同且为/>
Figure SMS_85
,其中，c表示真空光速，n为声基阵中传感光纤的有效折射率，L为声基阵中传感光纤的长度，第h个干涉信号的交流部分表示为
Figure SMS_88
，
Figure SMS_83
，第h个干涉信号包含了/>
Figure SMS_87
个不同频率的拍频信号，拍频为
Figure SMS_90
，/>
Figure SMS_92
表示第h个干涉信号中拍频为
Figure SMS_81
的干涉信号的幅度，相位/>
Figure SMS_86
是由待测声信号引起的同频相位信号，幅度与声信号成正比，/>
Figure SMS_89
为衰落噪声，p为满足
Figure SMS_91
的正整数，k为整数且满足/>
Figure SMS_84
；
信号处理器500，将干涉电信号经混频和低通滤波后复数化，利用模式融合和IQ解调方法，在抑制衰落噪声的同时提取干涉信号的相位信息，从而获得声波信号的信息。
具体地，上述实施例中，所述信号处理器的信号处理过程包括：
将
Figure SMS_93
分别与/>
Figure SMS_94
和/>
Figure SMS_95
相乘，然后分别经过低通滤波，获得2p+1对零频正交信号/>
Figure SMS_96
和
Figure SMS_97
；
利用2p+1对零频正交信号
Figure SMS_98
和/>
Figure SMS_99
构建/>
Figure SMS_100
个复数/>
Figure SMS_101
；
Figure SMS_102
利用/>
Figure SMS_103
个复数/>
Figure SMS_104
构建融合复数/>
Figure SMS_105
；
Figure SMS_106
其中：
Figure SMS_107
为由第一个干涉信号（h=1）构建的复数，其模为/>
Figure SMS_108
，符号*为共轭符号，/>
Figure SMS_109
为第一个干涉信号携带的信号相位，是常数，通过上述计算获得的融合复数的相位为/>
Figure SMS_110
，不再包含衰落噪声/>
Figure SMS_111
。
利用
Figure SMS_112
的实部/>
Figure SMS_113
和虚部/>
Figure SMS_114
，通过反正切函数，获得相位信息/>
Figure SMS_115
；
利用
Figure SMS_116
，将/>
Figure SMS_117
转换为/>
Figure SMS_118
，表示第h个双光脉冲注入声基阵时，声基阵位置z处的相位，同时也代表声基阵位置z处探测的声信号的幅值，式中/>
Figure SMS_119
表示传感光纤缠绕在增敏弹性体的缠绕比；
将H个相位
Figure SMS_120
按访问先后顺序排列，获得时变相位信号
Figure SMS_121
，由于
Figure SMS_122
是常数，不影响时变相位信号的幅度、频率和相位，故所获时变相位信号代表声基阵位置z处探测的声波时域信号。
参照图4，本发明一实施例中，所述双光脉冲生成组件100包括窄线宽激光器101、第一声光调制器102和非平衡干涉仪103，窄线宽激光器101、第一声光调制器102和非平衡干涉仪103依次连接；所述窄线宽激光器101用于产生高相干连续激光；所述第一声光调制器102根据设定的脉冲调制信号周期生成光脉冲，光脉冲重复频率
Figure SMS_123
，脉冲宽度W；所述非平衡干涉仪103用于生成具有时延/>
Figure SMS_124
、光频差/>
Figure SMS_125
和相位差/>
Figure SMS_126
的双光脉冲；双光脉冲从环形器200的第二端口注入声基阵300，并由环形器200的第二端口接收声基阵300返回的回光信号，所述返回光信号再从环形器200的第三端口输出。
参照图4，在本实施例中，所述非平衡干涉仪103包括第一光纤耦合器1031、第二声光调制器1033、相位调制器1032和第二光纤耦合器1034，其中第一光纤耦合器1031的输入端与第一声光调制器102的输出端连接，第一光纤耦合器1031的两个输出端分别与第二声光调制器1033的输入端和相位调制器1032的输入端连接，第二声光调制器1033的输出端和相位调制器1032的输出端分别与第二光纤耦合器1034的两个输入端连接，第二光纤耦合器1034的输出端作为非平衡干涉仪103的输出端，用于输出双光脉冲；第二声光调制器1033用于根据频率为
Figure SMS_127
的第一正弦调制信号对光脉冲实施光频移，频移量为/>
Figure SMS_128
，相位调制器1032用于根据第二正弦调制信号对光脉冲实施正弦光相位调制，调制相位
Figure SMS_129
。
参照图4，在本实施例中，所述数据采集及预处理组件400包括光电探测器401和数据采集卡402；所述光电探测器401用于获取声基阵返回的返回光信号，并将返回光信号转换成电信号；所述数据采集卡402用于根据触发信号和时钟信号对光电探测器输出的电信号进行采集，并提供给信号处理器。
参照图4，在本实施例中，由信号发生器600生成第一声光调制器102的脉冲调制信号，生成相位调制器1032的第二正弦调制信号，生成第二声光调制器1033的第一正弦调制信号，生成数据采集卡402的触发信号和时钟信号。
参照图5，本发明另一实施例中，所述双光脉冲生成组件100包括窄线宽激光器101、第一声光调制器102、非平衡干涉仪103、第一光放大器104和第一光滤波器105，窄线宽激光器101、第一声光调制器102和非平衡干涉仪103依次连接；所述窄线宽激光器101用于产生高相干连续激光；所述第一声光调制器102根据设定的脉冲调制信号周期生成光脉冲，光脉冲重复频率
Figure SMS_130
，脉冲宽度W；所述非平衡干涉仪103用于生成具有时延/>
Figure SMS_131
、光频差/>
Figure SMS_132
和相位差/>
Figure SMS_133
的双光脉冲；所述非平衡干涉仪103的输出端连接有第一光放大器104和第一光滤波器105，所述非平衡干涉仪103输出的双光脉冲经放大、滤波后从环形器200的第二端口注入声基阵300，并由环形器200的第二端口接收声基阵300返回的回光信号，所述返回光信号再从环形器200的第三端口输出。
参照图5，在本实施例中，所述非平衡干涉仪103包括第一光纤耦合器1031、第二声光调制器1033、相位调制器1032、第二光纤耦合器1034，其中第一光纤耦合器1031的输入端与第一声光调制器102的输出端连接，第一光纤耦合器1031的两个输出端分别与第二声光调制器1033的输入端和相位调制器1032的输入端连接，第二声光调制器1033的输出端和相位调制器1032的输出端分别与第二光纤耦合器1034的两个输入端连接，第二光纤耦合器1034的输出端作为非平衡干涉仪103的输出端，用于输出双光脉冲；第二声光调制器1033用于根据频率为
Figure SMS_134
的第一正弦调制信号对光脉冲实施光频移，频移量为/>
Figure SMS_135
，相位调制器1032用于根据第二正弦调制信号对光脉冲实施正弦光相位调制，调制相位
Figure SMS_136
。
参照图5，在本实施例中，所述数据采集及预处理组件400包括光电探测器401、数据采集卡402、第二光放大器403和第二光滤波器404；从环形器200的第三端口输出的返回光信号经第二光放大器403和第二光滤波器404放大、滤波后输入光电探测器401，所述光电探测器401用于获取声基阵返回的返回光信号，并将返回光信号转换成电信号；所述数据采集卡402用于根据触发信号和时钟信号对光电探测器输出的电信号进行采集，并提供给信号处理器。
参照图5，在本实施例中，由信号发生器600生成第一声光调制器102的脉冲调制信号，生成相位调制器1032的第二正弦调制信号，生成第二声光调制器1033的第一正弦调制信号，生成数据采集卡402的触发信号和时钟信号。
声信号解调的动态范围由外差频率（拍频）决定，频率越高，动态范围越大。低频外差相位解调技术和相位产生载波（PGC）相位解调技术是经典的声信号解调方法。上述现有解调方法要求外差频率或相位调制频率低于脉冲重频，故现有方法的外差频率和相位调制频率仅为kHz量级，动态范围严重受限。本发明中的声信号解调方法外差频率不受光脉冲重频约束，可达到100MHz量级，故动态范围得到大幅提高。
本发明上述实施例对声信号的采集频率为光脉冲重复频率
Figure SMS_137
，所以该声信号解调模块的最大响应频率为/>
Figure SMS_138
。在一具体实例中，光脉冲宽度/>
Figure SMS_139
,
Figure SMS_140
，/>
Figure SMS_141
。/>
本发明未尽事宜为公知技术。本发明为水下移动平台提供一种可空间连续探测水声信号的超细光纤拖曳声纳设备和声信号解调方法，可应用于水声信号机动探测相关领域。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，包括拖曳阵、拖缆、声信号解调模块和声信号处理及存储模块；所述拖曳阵包含声基阵，声基阵用于探测水声信号；所述拖缆连接拖曳阵与声信号解调模块，负责光电信号传递和承载拖力；所述声信号解调模块用于向声基阵发射光信号，接收声基阵返回光信号，并解调提取与水声信号相关的光相位信息；声信号处理及存储模块用于将声信号解调模块解调提取的与水声信号相关的光相位信息转换为水声信号的时域、频域或/和方位特征信息，并存储；
其中声信号解调模块包括双光脉冲生成组件、 数据采集及预处理组件和信号处理器，
所述双光脉冲生成组件，用于生成H个双光脉冲，并以重复频率f p将生成的H个双光脉冲注入声基阵，其中t时刻双光脉冲中两个光脉冲间存在光频差
Figure QLYQS_1
和相位差/>
Figure QLYQS_2
，其中C为相位调制幅度，f m为相位调制频率；
所述数据采集及预处理组件，用于以重复频率f p获得声基阵返回的H个干涉信号，每个干涉信号时长相同且为
Figure QLYQS_4
,其中，c表示真空光速，n为声基阵中传感光纤的有效折射率，L为声基阵中传感光纤的长度，第h个干涉信号的交流部分表示为
Figure QLYQS_7
，h=1,2,…,H，第h个干涉信号包含了2p+1个不同频率的拍频信号，拍频为/>
Figure QLYQS_9
，/>
Figure QLYQS_5
表示第h个干涉信号中拍频为/>
Figure QLYQS_8
的干涉信号的幅度，相位/>
Figure QLYQS_10
是由待测声信号引起的同频相位信号，幅度与声信号成正比，/>
Figure QLYQS_11
为衰落噪声，p为满足/>
Figure QLYQS_3
的正整数，k为整数且满足/>
Figure QLYQS_6
；
所述信号处理器，用于获取声基阵位置z处探测的声波时域信号，信号处理过程包括：
将
Figure QLYQS_12
分别与/>
Figure QLYQS_13
和/>
Figure QLYQS_14
相乘，然后分别经过低通滤波，获得2p+1对零频正交信号/>
Figure QLYQS_15
和/>
Figure QLYQS_16
；
利用2p+1对零频正交信号
Figure QLYQS_17
和
Figure QLYQS_18
构建2p+1个复数/>
Figure QLYQS_19
；
利用2p+1个复数
Figure QLYQS_20
构建融合复数/>
Figure QLYQS_21
；
利用
Figure QLYQS_22
的实部/>
Figure QLYQS_23
和虚部/>
Figure QLYQS_24
，通过反正切函数，获得相位信息
Figure QLYQS_25
；
利用
Figure QLYQS_26
，将/>
Figure QLYQS_27
转换为/>
Figure QLYQS_28
，表示第h个双光脉冲注入声基阵时，声基阵位置z处的相位，同时也代表声基阵位置z处探测的声信号的幅值，式中/>
Figure QLYQS_29
表示传感光纤缠绕在增敏弹性体的缠绕比；/>
将H个相位
Figure QLYQS_30
按访问先后顺序排列，获得时变相位信号
Figure QLYQS_31
，/>
Figure QLYQS_32
为第一个干涉信号携带的信号相位，是常数，所述时变相位信号代表声基阵位置z处探测的声波时域信号。
2.根据权利要求1所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述拖曳阵包含前减振段、声基阵、后减振段和尾段，前减振段和后减振段均起缓冲和隔振作用，尾段用来增加阻力以保持声基阵的直线状态。
3.根据权利要求1或2所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述声基阵由连续光纤水听器阵列组成，其中，连续光纤水听器阵列由传感光纤和增敏体组成，长度为L的传感光纤以缠绕比
Figure QLYQS_33
连续缠绕在增敏体上，即构成长度为/>
Figure QLYQS_34
的连续光纤水听器阵列，用于高灵敏度感应外界水声信号。
4.根据权利要求3所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述双光脉冲生成组件包括窄线宽激光器、第一声光调制器、非平衡干涉仪和环形器，窄线宽激光器、第一声光调制器和非平衡干涉仪依次连接；所述窄线宽激光器用于产生高相干连续激光；所述第一声光调制器根据设定的脉冲调制信号周期生成光脉冲，光脉冲重复频率f p，脉冲宽度W；所述非平衡干涉仪用于生成具有时延
Figure QLYQS_35
、光频差/>
Figure QLYQS_36
和相位差/>
Figure QLYQS_37
的双光脉冲；双光脉冲从环形器的第二端口注入声基阵，并由环形器的第二端口接收声基阵返回的回光信号，所述返回光信号再从环形器的第三端口输出。
5.根据权利要求4所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述的传感光纤的纤芯折射率以光纤距离间隔
Figure QLYQS_38
周期性改变，其中c表示真空光速，n为光纤有效折射率。
6.根据权利要求5所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，非平衡干涉仪包括第一光纤耦合器、第二声光调制器、相位调制器和第二光纤耦合器，其中第一光纤耦合器的输入端与第一声光调制器的输出端连接，第一光纤耦合器的两个输出端分别与第二声光调制器的输入端和相位调制器的输入端连接，第二声光调制器的输出端和相位调制器的输出端分别与第二光纤耦合器的两个输入端连接，第二光纤耦合器的输出端作为非平衡干涉仪的输出端，用于输出双光脉冲；第二声光调制器用于根据频率为
Figure QLYQS_39
的第一正弦调制信号对光脉冲实施光频移，频移量为/>
Figure QLYQS_40
，相位调制器用于根据第二正弦调制信号对光脉冲实施正弦光相位调制，调制相位/>
Figure QLYQS_41
。
7.根据权利要求4所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述双光脉冲生成组件还包括第一光放大器和第一光滤波器，所述非平衡干涉仪的输出端连接有第一光放大器和第一光滤波器，所述非平衡干涉仪输出的双光脉冲经放大、滤波后从环形器的第二端口注入声基阵。
8.根据权利要求4或5或6或7所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述数据采集及预处理组件包括光电探测器和数据采集卡；
所述光电探测器用于获取声基阵返回的返回光信号，并将返回光信号转换成电信号；
所述数据采集卡用于根据触发信号和时钟信号对光电探测器输出的电信号进行采集，并提供给信号处理器。
9.根据权利要求8所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，所述数据采集及预处理组件还包括第二光放大器和第二光滤波器，从环形器的第三端口输出的返回光信号经第二光放大器和第二光滤波器放大、滤波后输入光电探测器。
10.根据权利要求8所述的超细连续光纤拖曳声纳，其特征在于，还包括信号发生器，所述信号发生器用于生成第一声光调制器的脉冲调制信号，生成相位调制器的第二正弦调制信号，生成第二声光调制器的第一正弦调制信号，生成数据采集卡的触发信号和时钟信号。
11.一种水下移动平台，其特征在于，所述水下移动平台上搭载有如权利要求1或2或4或5或6或7或9或10所述的超细连续光纤拖曳声纳，采用所述超细连续光纤拖曳声纳探测水声信号。
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