文章概述了基于麥克爾遜干涉儀的光纖激光水聽(tīng)器的相位載波零差法(PGc)調(diào)制解調(diào)原理，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)及仿真，分析了調(diào)制信號(hào)和混頻信號(hào)的頻差是導(dǎo)致全數(shù)字化解調(diào)結(jié)果錯(cuò)誤的主要因素之一。針對(duì)該誘導(dǎo)因素提供了可行的解決方案，并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的1MHz采樣頻率下使用PGC方法的全數(shù)字實(shí)時(shí)解調(diào)系統(tǒng)。對(duì)低頻水聲波段800Hz水聲信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：解調(diào)信號(hào)波形良好。

　　分布反饋(DFB)光纖激光水聽(tīng)器使用激光諧振腔作為傳感元件，通過(guò)檢測(cè)輸出激光波長(zhǎng)的位移獲得外界聲壓信息。它具有聲壓響應(yīng)靈敏度高、尺寸小、抗電磁干擾、易于制作小直徑輕型線性陣列等特點(diǎn)，在水下預(yù)警、遠(yuǎn)程目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)今各國(guó)海軍對(duì)都其投入了大量的研究。

　　相位載波零差法(PGC)是利用遠(yuǎn)離水聲信號(hào)頻帶的高頻、大幅度載波信號(hào)對(duì)光纖干涉儀信號(hào)的初始相位進(jìn)行調(diào)制，避免了由于相位隨機(jī)漂移造成的檢測(cè)靈敏度低、非線性誤差大、動(dòng)態(tài)范圍小等缺點(diǎn)，在光纖傳感器，尤其是光纖激光水聽(tīng)器解調(diào)方面具有廣泛的應(yīng)用。

　　通常PGC解調(diào)使用模擬電路實(shí)現(xiàn)，其最突出的問(wèn)題是不靈活、穩(wěn)定性差且不易調(diào)試；由于PGC解調(diào)算法較為復(fù)雜，需要多次相乘、濾波、微分、積分等，數(shù)字化解調(diào)的實(shí)現(xiàn)往往也是非實(shí)時(shí)的，這對(duì)于水聲探測(cè)進(jìn)入實(shí)用是一個(gè)非常大的障礙。文中在數(shù)學(xué)推導(dǎo)及仿真的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單陣元光纖激光水聽(tīng)器的PGC實(shí)時(shí)全數(shù)字解調(diào)，有效解決了實(shí)時(shí)全數(shù)字解調(diào)過(guò)程中調(diào)制信號(hào)和混頻信號(hào)的頻差問(wèn)題．為水聽(tīng)器陣列的實(shí)時(shí)全數(shù)字解調(diào)奠定了基礎(chǔ)。

　　1、光纖激光水聽(tīng)器PGC調(diào)制解調(diào)原理

　　DFB光纖激光器是在一段摻鉺光纖內(nèi)寫(xiě)入光纖光柵，這種結(jié)構(gòu)在泵浦作用下形成激光諧振腔，發(fā)射出與腔長(zhǎng)等相關(guān)的特定波長(zhǎng)的激光‘6一釘。用單頻信號(hào)cE，o調(diào)制PZT元件，在光電探測(cè)器處的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)可表示為

　?、?A+Bcos(Ccos wot + γ∞(t))        (1)

　　式中：A正比于干涉儀的輸入光功率，且比值B／A為干涉條紋的可見(jiàn)度；C為調(diào)制信號(hào)的幅度；γ(t)表示待測(cè)信號(hào)與環(huán)境噪聲及初始相位共同引起的相位變化。

　　如圖1所示，將幅度分別為G、H和角頻率分別為w。、2w。的載波信號(hào)與干涉儀輸出信號(hào)進(jìn)行混頻，

　　并分別通過(guò)低通濾波器后，得到

　　V1s = - BGJ1（C）sin γ（t）          (2)

　　V2s = - BHJ2（C）cos γ（t）          (3)

　　將兩式微分并與兩式交叉相乘后，再對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算得

　　Vd = B2GHJl(C)J2(C)γ’(t)            (4)

　　積分后得到

　　V1=B2GHJl(C)J2(C)γ(t)                (5)

　　其中，γ(t)包含了待測(cè)信號(hào)以及環(huán)境噪聲等造成的相位變化，后者通常情況下是緩變信號(hào)，所以通過(guò)高通濾波器，最后可得到包含待測(cè)信號(hào)的信息。

　　2、調(diào)制信號(hào)與混頻信號(hào)的頻差問(wèn)題

　　光電探測(cè)電路輸出信號(hào)Vi = A + Bcos(Ccos wot + γ(t))通過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采樣后，與角

　　頻率分別為wo、2wo的載波信號(hào)進(jìn)行混頻。在實(shí)時(shí)全數(shù)字解調(diào)過(guò)程中，如何正確獲取混頻信號(hào)是系統(tǒng)實(shí)

　　現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)實(shí)際調(diào)制信號(hào)與混頻信號(hào)存在相差θ和頻差m時(shí)，相當(dāng)于在混頻時(shí)Vi分布乘上cos(wo + mt + θ)和cos(2wot + 2mt + 2θ)，經(jīng)過(guò)低通濾波，式(2)、(3)表達(dá)式變?yōu)閂1s = - BGJl(C)sinγ(t)cos(θ + mt)          (6)

　　V2s = - BHJ2(C)cosγ(t)cos(2(θ 十 mt))      (7)

　　如果僅存在相差θ，則可推出式(5)為Vt = B2GHJ1(C)J2(C)γ(t)cosθcos2θ。當(dāng)θ控制在足夠小的范圍內(nèi)，最后解調(diào)出的結(jié)果只存在幅度上整體的較小縮減，并不影響解調(diào)質(zhì)量。但若存在頻差m，則在微分之后就出現(xiàn)較大誤差，最后無(wú)法得到正確結(jié)果。圖2為存在頻差情況下的仿真結(jié)果，其中wo為20kHz、頻差m為o.5 Hz，被測(cè)信號(hào)頻率為800Hz；

　　3、實(shí)時(shí)解調(diào)系統(tǒng)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

　　調(diào)制解調(diào)電路中，DSP選用AD公司32位浮點(diǎn)SHARc系列ADsP一21262，在SIMD狀態(tài)下可達(dá)1200MFLoPs(200MHz內(nèi)核時(shí)鐘)的運(yùn)算能力；調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路由DDS芯片AD9850產(chǎn)生20．833kHz(1／48 MHz)的正弦波輸出，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理放大，驅(qū)動(dòng)PZT元件，其頻率和幅度由DSP設(shè)置。

　　光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換及處理電路轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號(hào)；模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)1MHz的采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送到DSP進(jìn)行數(shù)字解調(diào)并輸出；混頻信號(hào)由軟件產(chǎn)生，即由DSP中存儲(chǔ)的20．833kHz正弦波信號(hào)的1M采樣和500K采樣數(shù)值表產(chǎn)生，由于DSP與DDS的時(shí)鐘都來(lái)自同一頻率為24MHz時(shí)鐘源，可以確?；祛l信號(hào)與調(diào)制信號(hào)之間不存在頻差。

ADSP一21262內(nèi)部對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行8倍頻，則內(nèi)核時(shí)鐘可達(dá)192MHz。對(duì)于1MHz的采樣率，DSP每個(gè)192個(gè)時(shí)鐘需完成1個(gè)采樣數(shù)據(jù)的處理，其中包括差分、相乘、低通濾波、高通濾波、積分、微分、除法(用于針對(duì)B值進(jìn)行穩(wěn)幅)等運(yùn)算。由于ADSP一21262支持SIMD模式，兩路混頻、乘法、低通濾波、微分相乘等運(yùn)算可分別由不同處理單元同時(shí)完成。

　　由此可見(jiàn)，192MHz內(nèi)核時(shí)鐘的ADSP一21262在使用SIMD模式下，完全可以勝任1 MHz采樣率下數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。

　　在此基礎(chǔ)上進(jìn)行原理性水聲實(shí)驗(yàn)。將DFB光纖激光器放置于水池中，并與發(fā)射換能器位于同一高度。信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波信號(hào)，通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射頻率為800 Hz單頻聲信號(hào)。解調(diào)系統(tǒng)輸出波形及其頻譜如圖6所示。實(shí)驗(yàn)證明：系統(tǒng)對(duì)低頻范圍內(nèi)水聲信號(hào)的解調(diào)結(jié)果良好。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　文中采用調(diào)制信號(hào)與混頻信號(hào)共享同一時(shí)鐘源的方法以解決兩者頻差所引起的解調(diào)結(jié)果錯(cuò)誤的問(wèn)題。從800Hz單頻水聲信號(hào)解調(diào)波形及其頻譜來(lái)看，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)字解調(diào)結(jié)果良好。同時(shí)，改善數(shù)字濾波器性能將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的解調(diào)效果。文中調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生由DDS電路直接實(shí)現(xiàn)，這是為了使調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路，獨(dú)立于解調(diào)電路，以便于系統(tǒng)擴(kuò)展多路通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光水聽(tīng)器陣列的解調(diào)。（作者：李 玉、黃俊斌、謝順依、顧宏?duì)N、李日忠、譚 波）