光纤水听器阵列TDM信号处理算法研究

　　0 引言

　　光纤水听器具有灵敏度高、抗电磁干扰以及质量轻、体积小,便于形成大型声纳基阵等优点。自从1977年美国海军实验室J. A. Bucaro第一次提出采用光纤水听器探测水下目标后[1],便一直受到各国相关研究者的重视,得到了快速发展[2]。为了增加光纤水听器水声探测的空间增益,实现对水下目标的定位与跟踪,需要将一定数量的水听器组成阵列。在组成大规模阵列时,常用的复用技术有时分复用(TDM)技术、波分复用技术、空分复用技术、频分复用技术、相干复用技术、调频载波复用技术等[3-4]。其中,TDM技术是最基本、最常用的一种技术,一直是相关领域研究的热点。TDM技术不仅涉及到阵列中单元之间延迟光纤长度、调制器驱动信号脉宽及频率等工作参数的选择,还包括复杂的信号处理。目前,在进行大规模光纤水听器阵列时分复用及解复用信号处理时,相关研究人员多采用实时处理能力较强的FPGA(现场可编程门阵列)以及运算处理能力强的DSP(数字信号处理器)[5]。但是基于FPGA或DSP的信号处理方案对设计人员的要求较高,相对复杂的设计调试需要较长的研发周期。此外,在光纤水听器阵列研究及生产过程中,如阵列的组装调试阶段,或者阵列性能分析阶段,有时并不一定需要对整个阵列同时进行信号处理。因此,笔者提出一种基于PC机,适合实验室研发及生产调试阶段使用的光纤水听器阵列时分复用及解复用信号处理系统,采用Labview软件编写了信号处理程序,应用该软件实现了一个8单元光纤水听器阵列的数字时分复用及解复用,该系统调试方便,使用灵活。

　　1 光纤水听器阵列的时分复用技术原理

　　图1所示为典型的反射型8单元光纤水听器阵列TDM结构。电光调制器(EOM)在调制信号的作用下,将输入的连续激光变为一定频率的脉冲光,再经光环行器(OC)进入光纤水听器阵列;阵列中每个水听器单元H1,H2,,,H8返回的干涉光信号经OC进入光电探测器(PD),转换为电信号后由信号处理单元完成数据采样及信号处理,实现阵列信号的解复用。

　　上述系统中,EOM调制信号是频率为f、高电平脉宽为T的脉冲信号;通过调整相邻光纤水听器单元之间延迟线的长度,即阵列中相邻耦合器Ci(i=1,2,,,8)之间的光纤长度,使这段光纤引入的延时S大于EOM的调制脉宽T,这样光纤水听器单元返回的脉冲信号之间就不会重叠;在信号处理单元中,通过对每一组脉冲信号S1,S2,S3,,,S8在高电平位置进行采样,并进行信号重组等相关处理,就可以得到光纤水听器单元测得的干涉信号,实现光纤水听器阵列的解复用。

　　2 光纤水听器阵列时分复用及解复用信号处理系统设计