基于FPGA的光纤水听器阵列解调系统设计与实现.doc

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1、光纤与电缆及其应用技术 年第 期 檪檪檪檪 檪 应用 技术 ： 檪 檪 檪檪 檪 基 于 的 光 纤 水听 器 阵 列 解 调 系 统 设 计 与 实 现 柯尊灵， 蔡冰涛， 陈小宝 ， ， 摘 要 作 为新一代的水声传感器 光纤水听器以其优异的 特性得到了 越来越广 泛的应用 高性能 的解调系 统是光纤水听器阵列 实现工程化应用的重要基础。采用高速模数转换器（ ）和现场可编程门 阵列（ ），设计 了一个多 通道信号同步采集、并行实时解调的光纤水听器解调系 统，并实现了 。 ， 、 、 ， 耦合器相位解调法在系统上的解 。 调 测试结果表明 该系统解调结果准确 本底噪声低 谐波性能良好 可以满

2、足光纤水听器阵列的实际应用要求 关键词 光 纤水听器；现场可编程门阵列； 中图分类号 ； 文 献标识码 耦合器相位解调法 文章编号 （ ） ， ， ， ， 纤水 听器 阵列 实现 工程 化应 用的重 要基 础 。 作 为 新 一代 的 水 声传 感 器，光 纤 水听 器 具 有一 目 前常 见 的 相位 解 调 方法 有 外 差法 、相位 生 成 ， 、 系 列优 点 例如探 测灵 敏度 高 响应 频率范 围宽 且响 载波 法（ ）和 耦 合 器相 位 解 调 法。 其 中 外 应 曲线 平坦 、抗电 磁干 扰能 力强 、相 邻通道 间信 号串 扰 小、检测 动态范 围 大 、单 元 体 积

3、小 且 重量 轻 ，以及 便 于组 阵等 ，因此 在水 下目 标探 测、海洋声 场环 境监 测 、油 气 资 源 勘 探 等 领 域 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应 用 。 对 于 光 纤水 听 器，待 测目 标 信 号 是被 调 制 在激 （ ， ） （ ， ， ， ） ： ， （ ） ： ； （ ）； ， 引言 光 相位 上的 ，无法 直接 检测 ，需 要进 行较为 复杂 的相 位 解调 才能 提取 出 来 。因 此 ，相 位 解 调 技 术 成 为光 作者简介 柯尊灵 （ ），男，中国 电子科 技集团 有限 公司第二 十三研究所工程师 差法 利用 两束 干涉 光 之 间 的 光

4、频差 形 成 拍 频 信 号， 从而 实现 高频 载波 和 解 调，但 所 用 到 的光 移 频 器 及 驱动 功放 等光 电子 器件 性能 会直接 影响 解调 的稳 定 性和 噪声 性 能 。 采 用 待 测 目 标 信 号 带 宽 外 的 高频 大幅 度信 号对 相 位 进 行 调制 ，实 现相 位 载 波 和 解调 ，但 有 限 的 载 波 频 率 限 制 了 其 动 态 范 围 性 能。 耦 合器 相位 解调 法通 过 耦 合 器 将干 涉 输 出信 号分 为 路相 位 差 互 为 的信 号 ，实 现 抗 相 位衰 落和 解 调，其 实 现 方 案 相 对 简 单，无 需 载 波 调

5、制，对系 统硬件 要求 低，解调 结果 动态 范围更 大。 本 文以 光 纤 水听 器 阵 列工 程 应 用为 背 景 ，根 据 空分 、波 分、时 分混 合 复 用 阵 列的 解 调 需 求，采 用 多 （ ） 光纤与电缆及其应用技术 年第 期 （ ），设计 了一 个多 通道 信 号同 步 采 集、并 行解 一种 新的 方法 ，采用 耦 合器 的任 意 路输出 信 调 的实 时信 号解 调系 统，并 以硬 件描 述语 言 完 成 了 耦 合 器 相 位 解 调 法 在 上 号，通过 采集原 始 数 据 进行 定 标 运 算 ，求 出 相 位 角， 从而 得到 相互 正交 的 路 信 号，然

6、后 通过 反 正 切 运 的 实现 。该 系统 具有 集成 度高 、本底 噪声 低、易 于扩 展 等特 点 ，可 以 满 足 光 纤 水 听 器 阵 列 的 实 际 应 用 算得 到解 调 结 果 （） 。 假 设 相 位 角 为 未 知 常 量 ， 。 的任 意 路 信 号 设 其 直 流 量 和 交 流 量 分 别 为 要 求 、 （ ，），信号 的表 达式 为 ： 耦合器相位解调法原理 烆 ） （） 耦合 器相 位解 调法 主 要是 基 于 ， 耦合 由式（）得到： 器 自身 的光 学特 性 将 干 涉输 出 信 号 分 为 路 相位 （） 差 互为 的信 号 ，通过 巧 妙 的数 学

7、运 算 恢 复出 相 位 信号 ，避 免出现 相位 衰落 问题 。 根 据 耦 合波 理论 ， 耦合 器 的 个 输 出 端的 （） 电 场强 度 （ ， ， ）分 别为 ： 式 烄 烌 ， ， ， 烄 烌 样定 标 得 到 ， 。 当 式 ， （） ，即 ； 时 则 由式 可以 求得 当 ， ， （） 式（）等 式左 边 达 到 最 小 值 ，即 ， ， 烆 烎 ， 烆 烎 烆 烎 时，则由式（）可 以 求 得 。 然 后 将 、 式 中： ， 、 ， 、 ， 分别 为耦 合器 的 个 输入端 的电 ， 、 。 （） 以及 式 （）代 入式（），即 可得到 的表 达式。 获 场 强度 ， 分

8、 别为 与耦 合 器相 关 的系 数 ， 以 式 得 和 的表 达式 后 ，就可 以 通过 反 正切 运 为 基础 经 过 一 系列 推 导 可 以 得 到 干 涉仪 算求 得 分析 上 述 运 算 过 程可 以 看 到 ，这 种 方 法 的 烄 个 输出 端的 光信 号强 度分 别为 ： 不仅 克服 了耦 合器 相 位 角 误 差带 来 的 影 响 ，而 且 节 （ ） 省了 的硬 件资 源。 基于 的解调系统设计 烅 （ ） 根 据一 般 数 字信 号 处 理系 统 的 组成 ，结合 光 纤 烆 （ ） （） 水听 器 阵 列 的 多 路 复 用 和 光 ， 烅 （ ） （） ， ， （

9、） 。 纤 传 感 特 点 ，本 文 以 式 中： 、 、 为 与 耦 合 器 有 关 的 常 量 系 数， 、 系 列 型 为 核 心 处 理 ， 芯片 ，以低噪 声 模 块 为 光 电 探 测 器 ，以 多 通 道 分 别为 信号 臂和 参考 臂的 相位 延 迟 为 输 入 光信 号 的强 度 。 进一 步 ，令 两 臂相 位 差 高速 为 信 号 采 集 入 口 ，设 计 了 一 个 多 通 道 同 将 式（）简 化改写 为： 烄 步高速采 集、数字解 时分 、并 行实 时解 调的光 纤水 听 ， ： 其中 各 个组成 模块 的功 能 设计 如 下 光 电耦 合 模 （ 烅 ） （） 块

10、 。 该模 块将 光信 号 转 换 为 电信 号 。 ， ，以便 进 行 下 一 ， 步处 理 该模 块为 模拟 电路 对噪 声十 分敏 感 因 此 烆 （ ） 在设 计时 重 点 进 行 了 降 噪 处 理 。 模 块。 该 式 中：、 为 与 耦 合 器 有 关 的 系 数。 常 规 的 （ ） 、 模块 将模 拟信 号转 换 为 数 字 信号 ，准 备下 一 步 数 字 信号 处理 。该 模块 以 多 个 输 入 接口 进 行 并 行 采 集， 耦合 器相 位 解 调 法 对 式 进 行 去 直 流 偏 置 。 。 交 流系 数归 一化 ，然 后 进 行 微 分 交叉 相 乘 、求 和

11、、积 通过 高速 采样 实 现 数字 解 时 分 模 块 该 ， 分 、除 法等 运算和 高通 滤波 ，即 可得 到解 调结 果。 模块 对整 个系 统的 工 作 节 奏 和数 据 流 进 行 控 制 。 接 常 规的 耦 合 器 相 位解 调 法 虽 然 可 以 克服 收 信号 并完 成 数 字 信 号 的 运 算 和 处 理 时 路 信号 直流 量 、交 流量 不一 致 的 情况 ，但 其 严 格要 钟模 块。 该模 块产 生 系 统 时 钟，并 分 配给 系 统 的 其 求 耦合 器的 个相 位角 均为 。 当这一 条件 不能 它模 块 （主 要 包 括 模 块 和 模 块 ），为 其

12、满 足时 ，其 谐波 性 能 会 下降 ，相 位 角误 差 越 大 ，解 提供 工作 时钟 。 电 源 模 块。 该 模块 为 系 统的 各 个 调 结果 的谐 波分 量 越 高 。 针 对 这 一 问 题 ，本 文 提出 模 块 提 供 合 适 、稳 定 的 工 作 电 压 及 电 流 。 千 兆 以 ， ， 。 柯尊灵 等， ：基于 的光纤 水听器阵列解调系统设计与实现 太 网模 块。 该模 块提 供 与上 位机 之 间的 的 产 生是 多通 道信 号 同 步 解 调的 关 键 所 在，各 个 不 高 速接 口。 配 置与下 载 模 块。 该 模 块提 供 上 位机 同通 道光 纤水 听器

13、 信号 的采 集都是 依据 调制 脉冲 产 与 配置 程序 之间的 接口 。 存储器 模块 。 该 生位 置 和 同 步 脉 冲信 号 的 起 始 位 置来 对 齐 的 ，图 模 块为 进 行 数 字 信 号 处 理 的 数 据 提 供 高 速 为观 测调 制 脉 冲 和 同 步 脉 冲 相 对 时 延 的 缓 存。 外部接 口 模块 。 该 模块 提 供 系 统 板 卡与 外 时序 图。 板 卡 、上位 机之间 的接 口 。 图 光纤水听器阵列时分复用系统工作原理 采 集模 块 本模块主 要 完 成 。 芯 片 的 驱 动 和 数 图 光纤水听器解调系 统硬件整体框架 据的 接收 芯 片 驱

14、 动 主 要 是 通 过 串 行 外 设 接 口（ ）总线对 内部 的寄 存器 协议 进行相 应 相位解调算法的实现 输入 到 ， 的 根 据所 选相 位解 调算 法的 特点和 光纤 水听 器阵 模 块是 专用 的串 并转 换器 具有 专 门用 来 列 时分 复用 的需 求 ，本 文 软 件设 计 内 容 主 要 包 括时 帮助 实现 高速 源同 步应 用的 特定时 钟控 制和 逻辑 控 制功能。 本文 通 过 模 块 处 理 后 ， 模 钟 模 块 、调 制 脉 冲 模 块、 模 块。 采 集 模 块 以 及 算 法 数转换后 的串 行 数 据转 换 为 位 的并 行 数 据 ， 时钟 模块

15、 图 为 采集 到的 光 纤 水听 器 阵 列原 始 脉 冲 序 本 文 高 速数 字 解 调系 统 涉 及 到多 个 不 同时 钟 、 、 ， 列信 号。 算 法模块 如 主 时 钟 采 样 时 钟 千 兆 以 太 网 时 算法的主 要流 程 包 括 以 下 步 骤 ：去 偏 置 、定 标 、 钟 、高 速存 储 器 时 钟 等，需 要 对 其 进 行 有 反正 切与 范围 扩 展 、 高 通 滤 波与 低 通 降 采 样 。 本 文 效 的 管 理 和 控 制。 系 列 芯 片 的 时 进行 了如 下 软 件设 计 ：不 同 通 道 原 始 信 号 的 偏 置 钟 管理 模块 （ ）提 供

16、了 性能 优 异 、非常 灵 活 的时 钟 控制 功能 。每 个 包 含 了 个 数字 时 钟 管理 可能 存在 差异 ，为满 足后 续的 算法 运算 条件 。 ，首先 需 器 （ ）和 个锁 相 环 （ ），其 中 每 个 都 要对 所有 通道 的信 号进 行去 偏 置处 理 定标 是 根 据采集到 的原 始数 据对 信号 进行参 数计 算和 幅度 归 包 含一 个延 迟锁 定环（ ），该 可根 据输 入时 一化 处理 ，得 到 相 互 正 交 的 路 信 号。 反 正 切 运 钟 消除 。 输 出 时 钟 的 歪 斜 ，从 而 完 全 去 除 时 钟 ， 算采 用开 发软 件 的 核 完

17、成 。 由 于 分 布延 时 本 文 通 过 合 理 配 置 模 块 获 得 高 反正 切运 算的 固有 特点 ，输出 结果 存在 突变 的情 况 ， 质 量的 多个 输出 时钟 。 调制 脉冲模 块 因此 需进 一步 对其 进行 范围 扩展 。图 为 反正切 运 算和 范围 扩展 后的 输出 结果 。 上述 步 骤 得到 的 结 光 纤 水 听器 阵 列 采用 时 分 复用 的 方 式成 阵 ，要 求 不同 水 听 器 单 元 返 回 的 光 脉 冲 在 时 间 上 是 分 开 中 需 要 经 过 串 并 转 换 ， 的 ，否则 就会 发 生 串扰 。 时 分复 用 技 术 的 基 本原 理

18、 是 ： 产 生调 制 脉 冲 电信 号 作 用 于 声 光调 制 器 （）上 ，将 光 源 输 出 的 连 续 光 调 制 成 询 问 光 脉 冲 ，询 问光 脉冲进 入 光 纤 水 听器 阵 列 后 返 回 光脉 冲 序 列，不 同位 置 的 脉冲 代 表 不 同 的 时 分单 元 。 对不 同 时分 单元 的信 号 分别 进 行 采 集 和 解 调，就 实 现了 系 统的 数字 解时 分功 能。 光纤 水听 器阵列 时分 复用 果中 包含 了环 境变 化和 其它 因素引 起的 低频 相位 漂 移，这一 漂移可 能 随时 间 的 累 积 而 造成 解 调 结 果 发 生溢 出错 误，因此

19、有 必要 采 用 高 通 滤 波消 除 低 频 相 位漂 移带 来的 不 良 影响 。 最 后，对 解 调结 果 进 行 低 通降 采样 处 理 ，以 满 足 实 际 应 用 对 采 样 率 的 要 求。 本文 的 滤 波器 设 计 和 降 采 样均 采 用 的 核来 实现 。 系统实测结果 ， 光纤与电缆及其应用技术 年第 期 图 调制脉冲和同步脉冲时序图 图 光纤水听器阵列原始脉冲序列信号 图 反正切运算和范围 扩展的输出结果 图 施加 正弦信号激励时的系统实测结果 仪 的压 电陶 瓷上 施加 激励 ，对解 调系 统进 行了 测试 。 图 为 施 加 正 弦 信 号 激 励 时 的 测 试

20、 结 果 。 可 以看 到，系统准 确地 解调 出了 待测 信号 ，且系 统本 以上 ，可 以满足 光纤 水听 器阵 列的 实际 应用 要求 结束语 。 底 噪声 低 本 文从 光 纤 水听 器 的 应用 需 求 和特 点 出 发，设 ， （ ） 光纤与电缆及其应用技术 年第 期 图 几种典型规格束丝导体直流电阻 与实测节距倍数 关系 号 ，在 以后 的生产 中 可 根 据 束丝 机 的 节 距 表 及束 丝 规 格的 理论 外径 先选 择理 论 时 相 应 的齿 轮 ， 论 值要 小，并且在 绞 织 过 程 中因 张 力 及 绞 线 力 的作 用 使单 丝的 绞合 节距 有所 增大 ，因 此

21、 束 丝后 的实 测 值比 理论 值略 大。 这使 得可 采用 规格稍 大一 点的 铜 单丝 进行 束丝 生 产，利 用 单丝 被 拉 细 而 获 得所 需 规 格的 束丝 导体 。 结束语 经 过 理 论分 析 及 试验 论 证，得 出 束丝 导 体 直流 计 了一 个基 于 的多 通 道 同 步高 速 采 集、数字 解 时分 、并 行实时 解调 的光 纤水 听器 解调 系统 ，并实 系 统可 编程 、可重 构、通用 性强 ，并且 具有 集成 度高 、 易 于扩 展等 特点 。 实 际测 试 结 果 表 明，该 系 统 解调 结 果准 确、本底噪 声 低 、谐 波 性 能 良 好，可 以 满

22、 足光 纤 水听 器阵 列的 实际 应用 要求 。 参 考 文 献 高学民光纤水听器及 阵列的 发展状 况光纤 与 电阻 随束 丝节 距的 增 大 而 减 小，当 束 丝节 距 倍 数 大 理。 除 此 之 外 ，为 确 保 导 体 直 流 电 阻 一 致 性 、合 格 性，应跟 踪关注 每批 原材 料铜 材的 电阻 率，设定相 应 标准 ，进 行入厂 检验 ，同 时还 应跟 踪关 注束丝 导体 生 产工 艺的 稳定 性，尤 其是 铜 单 丝 退 火 的程 度 及 设 备 的润 滑情 况，及时地 调整 张力 及维 护设 备，以避免 束 丝时 张力 改变 ，导 致 束丝 导体 外径 变化 。 水听器拖曳阵列关键技 术研 究长沙：国 防科学 技术大学， 方法研究哈尔滨：哈尔滨工程大学， 陈宇，林京，孟强基于 耦合器 光纤水听 器的数 字化解 调 方 案 仪 器 仪 表 学 报， ， （ ）： 刘畅 耦 合器 解调 方法 研究 与实 现 哈尔 滨：哈尔滨工程大学， ， 。 （ ） 。 电缆及其应用技术， （）： 于 后 导 体直 流 电阻 不 再 随节 距 增大 而 减 小， ， ，