Page 143 - 《应用声学》2023年第4期
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第 42 卷 第 4 期         畅楠琪等： 光纤水听器相位生成载波解调非线性因素的抑制方法                                          805


                 its total harmonic distortion is reduced by 30.7 dB, and its signal-to-noise harmonic ratio is increased by
                 31.0 dB. And the EKF-DCM method is less affected by the frequency response characteristics of low-pass filter
                 in the demodulation process.
                 Keywords: Fiber-optic hydrophone; Phase generated carrier; Extended Kalman filter; Ellipse parameters
                 estimation; Differential and cross multiplying
                                                                   为了解决现有研究所存在的问题，本文提出了
             0 引言
                                                               一种基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,

                 通常情况下，电磁波在水下传输衰减严重，而                          EKF)椭圆参数估计的PGC-DCM 解调方法 (EKF-
             声波在水下传输的衰减则小得多，因而在水下主要                            DCM)。该方法在较为全面地考虑了各种非线性因
             使用声波作为信息传输的载体。干涉型光纤水听                             素的基础上，改进了现有的 PGC-DCM 解调过程，
             器是一种基于光纤相干检测技术的新型水听器，具                            不仅能够有效抑制非线性因素引起的 PGC-DCM
             有灵敏度高、适于远距离传输和成阵、系统可靠性                            解调结果的失真，且能够大大减小低通滤波器频响
             高和频响特性优秀等优点，在军事和民用领域都                             特性对PGC-DCM解调结果的影响。
             具有良好的应用前景           [1−4] 。相位生成载波 (Phase
                                                               1 考虑非线性的PGC-DCM解调模型
             generated carrier, PGC) 调制解调技术具有动态范
             围大、灵敏度高等优点           [5−6] ，是一种常用的干涉型                 基于 PGC 内调制的 Michelson 干涉仪型光纤
             光纤水听器信号处理方法。                                      水听器基本结构如图 1 所示，传统的 PGC-DCM 解
                 PGC 调制解调技术常用的解调方法通常可分                         调过程如图 2 所示。在不考虑非线性因素干扰的条
             为微分交叉相乘 (Differential-and-cross-multiplying,       件下，基于PGC调制解调技术的光纤水听器的输出
             DCM) 法 和 反 正 切 (Arctangent, Atan) 法 两 大           信号可以表示为
             类  [7−8] 。这两类方法的解调结果都会受到直流
                                                                     E(t) = A + B cos[C cos 2πft + φ s (t)],  (1)
             光强和交流光强的波动、调制深度的漂移                      [9−10] 、
             载波相位延迟       [10−11]  以及伴生幅度调制和相位偏                其中，A 表示直流光强，B 表示交流光强，C 表示调
             移  [11−12]  等非线性因素的干扰，如何抑制这些非线                    制深度，φ s (t)代表声信号所引起的相位差。
             性因素对 PGC 解调结果的影响一直是该领域的一
                                                                  f                         ͜ਖᒦ
             个研究热点。
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                 文献 [10–14] 提出了一系列的方法来实现对
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             PGC解调中各种非线性因素的估计和校正，但这些
                                                                  ଊ฾٨
             方法都是基于 PGC-Atan 方法。PGC-Atan 方法相
                                                                                            ԠᏦᒦ
             比PGC-DCM 方法虽然具有原理简单、易于实现的
             优点  [7] ，但正切函数是非单调的周期函数，使得反                                    图 1  PGC 内调制原理图
             正切鉴相的结果可能存在相位缠绕的现象，影响解                               Fig. 1 Schematic diagram of PGC internal mod-
                                                                  ulation
             调结果   [9] 。文献 [9] 提出了一种以椭圆曲线拟合为
             基础的参数估计方法和一种以频域搜索为基础的                                 根据式(1)，采用图 2 所示的过程即可完成传统
             参数估计方法来对 PGC-DCM 解调中的交流光强                         的PGC-DCM 解调方法，在没有非线性因素影响的
             和调制深度进行估计，但此方法没有考虑伴生调幅                            理想条件下，传统的PGC-DCM 解调方法能够较好
             等因素的影响，且只进行了计算机仿真，缺少相应的                           地解调出待测声信号。但实际上，光纤水听器的解
             实验验证。此外，在 PGC 解调的过程中，低通滤波                         调结果会受到一系列非线性因素的影响，例如：在实
             是一个不可缺少的环节，但低通滤波器的频响特性                            际应用中，激光器输出激光的频率可能会发生随机
             会对 PGC 解调结果产生影响            [15] 。因此，如何降低          漂移   [3] ，使用环境中温度和压力的变化可能导致干
             低通滤波器频响特性对解调结果的影响，也是 PGC                          涉仪两臂的臂差发生变化，这些因素都会导致调制
             解调所面临的一个问题。                                       深度的变化，而激光器输出光功率的漂移可能会导
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