光纤水听器阵列信号实时解调系统设计与实现

　　0 引言

　　为了获得较远的目标探测距离和较高的目标方位分辨力,多路复用光纤水听器阵列一般具有较多的阵元数和较长的阵列孔径。因此,光纤阵列对信号处理系统的信号采集能力、实时处理能力、存储能力及数据传输能力等方面也提出了很高的要求,使得多路复用光纤水听器阵列信号实时解调技术成为现代高性能光纤水听器阵列工程实用化进程中亟待解决的关键技术之一,其设计思路也已经从基于某些特定模块的专用设计,逐步发展为基于通用处理器的可编程、可扩展、可重构的大规模并行系统设计。

　　目前,国内已有多家单位开展基于光纤水听器阵列调制、解调方法及其实现的研究工作。文献[1-2]分别介绍了光纤水听器的两种调制、解调原理。文献[3]进一步对相位载波(PGC)解调方案最大可测信号及最小可测信号进行了理论分析。文献[4-6]分别针对PGC解调方案中探头的复用技术、滤波器的选择和数字化实现等方面展开研究,并搭建了实验系统加以验证。

　　本文着眼于光纤水听器阵列的工程应用,详细分析了光纤水听器阵列对实时解调能力的需求,在设计中充分考虑并分析了时、空、波分复用阵列信号实时采集、解调处理的特点,采用以多片高性能浮点数字信号处理器(DSP)芯片为核心设计实现了光纤水听器阵列实时解调系统(以下简称实时解调系统)。本文实现的实时解调系统具有较高的数据交换和信号处理能力,同时在设计中考虑了一定的性能裕量,储备了适当的可扩展空间,为系统性能进一步提高打下了基础。

　　1 PGC解调原理

　　干涉型光纤水听器的PGC解调技术是一种无源解调技术。它利用远高于水声信号频带的某一高频载波信号,将所要检测的水声信号调制在载波上,用相位正交解调的方法将干涉仪的交流传感信号和随机相位漂移分离,最终得到稳定的传感信号输出。PGC检测技术一般可分为内调制和外调制。无论使用那种调制方法,干涉仪输出的光信号经光电探头转换后输出[7]都可表示为

　　式中:A为直流项,与干涉仪输入光强、耦合器不平衡等有关;B为交流光强幅度,与干涉仪的输入光强、光纤耦合器的分光比等参数有关;C为调制深度;ω0为调制频率;φ(t)为光纤水听器需要检测的信号;t为信号采样时刻。

　　图1为PGC解调流程。经过一系列数学推导,可得积分后的输出[7]为

　　式中J1、J2分别为1阶、2阶Bessel函数。由式(2)可见,解调出的信号除U(t)外,还与参数B、C有关。其中,在理想状态下B为一常数,实际B存在一定的漂移,引起漂移的主要原因是光源输出的光功率存在漂移。文献[8]给出了C值的选取方法:使J1(C)J2(C)的1阶微分尽可能小,同时使值J1(C)J2(C)尽可能大。