[发明专利]一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法

摘要

一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，本发明涉及基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法。本发明是要解决现有方法缺乏机动性，很难满足水下大范围活动声源的探测，只能对水下声源的静态特性进行检测，无法实现水下声信号的实时提取。构建无源零差干涉仪系统；建立初始坐标系；激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P光；S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，P光作为探测光，光电探测器探测信号，采用解调方式得到探测信号的相位。本发明应用于水下信号领域。

主权项

1.一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，其特征在于它按以下步骤实现：一、构建无源零差干涉仪系统：无源零差干涉仪系统包括激光正交偏振干涉光路、探测信号处理电路和计算机终端；其中，所述激光正交偏振干涉光路包括激光器、准直透镜、起偏器、偏振分光棱镜1、偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜3、非偏振分光镜、接收透镜、1/4波片1、1/4波片2、1/4波片3、1/2波片、光衰减片和反射镜；所述探测信号处理电路包括光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3、光电探测器4、差分放大器1和差分放大器2；所述计算机终端包括数据采集模块和计算机；二、建立初始坐标系：设X轴方向为平行纸面向右，Y轴方向为垂直纸面向外，Z轴则为平行纸面向下，激光光束沿着Z轴方向传输，起偏器和3枚1/4波片放置于X‑Y平面内，其中起偏器的透光轴与X轴成45°，波片的快轴与X轴成45°；1/2波片放置在X‑Y平面内，其快轴与X轴成22.5°；偏振分光棱镜和非偏振分光镜放置在X‑Z平面内，分光面与X轴成45°，探测信号处理电路由光电探测器、差分放大器组成；三、激光器输出单频激光光束经准直透镜和起偏器后变成振动方向与X轴成45°的线偏振光，该线偏振光经偏振分光棱镜1后被分成两束振动方向垂直的偏振光，记为S光和P光；四、S光被偏振分光棱镜1反射作为参考光，参考光经45°放置的1/4波片1后变成圆偏振光，再经由光衰减片和反射镜返回穿透1/4波片又变成振动方向沿着X轴的P光，参考光回到偏振分光镜1后完全透射，进入1/2波片；五、P光作为探测光，它经过1/4波片2和接收透镜后出射到被探测的水域，接收透镜接收水面的反射光，该反射光再穿过1/4波片2后变为S光，S光回到偏振分光镜1后实现完全反射，进入1/2波片；六、参考光和探测光经过1/2波片后振动方向旋转了45°，然后被非偏振分光镜分为均匀的两束激光反射光束与透射光束：其中，所述反射光束被偏振分光镜2分解到同一振动方向，产生两束干涉光束，分别被光电探测器1和光电探测器2接收；其中，所述透射光束经过1/4波片3后，在快慢轴之间产生π/2相移，再过偏振分光镜3将测量光和参考光分解到同一振动方向，同样产生两束干涉光束，分别被光电探测器3和光电探测器4接收；七、设光电探测器1接收到的探测信号为f1，光电探测器2接收到的探测信号为f2，光电探测器3接收到的探测信号为f3，光电探测器4接收到的探测信号为f4；八、水表面的波动为：Ansin(2πfnt+φn)+Assin(2πfst+φs)，它由两部分构成：自然水表面波动Ansin(2πfnt+φn)和水下声信号引起的水表面声波Assin(2πfst+φs)；其中，An，fn和φn分别为自然水表面波动的振幅、频率和初相位；As，fs和φs分别为水下声信号引起的水表面声波的振幅、频率和初相位，t表示时间；根据光路原理分析得探测信号可由式(1)表示：式中I0为直流增益大小，ΔL为参考光路与探测光路在水面绝对静止时的初始光程差，k为激光的波数，k＝2π/λ，λ为激光波长；探测信号f1和f4输入到差分放大器1的两个输入端，探测信号f2和f3输入到差分放大器2的两个输入端，探测信号f1和f4经差分放大后输出信号fI被数据采集模块采集后送入上位机，探测信号f2和f3经差分放大后输出信号fQ也被数据采集模块采集后送入上位机；那么信号fI和信号fQ由下式表示：式中，K为放大器增益；九、采用解调方式得到探测信号的相位，即完成了一种基于激光正交偏振干涉技术的水下声信号实时提取方法，其具体过程为：(一)采用DCM解调流程：两路正交信号f_I与f_Q具有相同相位，两路信号的相位记为那么两路正交信号f_I与f_Q经过微分和交叉相乘后得到两路可表示为：和(二)两路微分交叉相乘得到的信号再做差分放大以及积分运算，得到与探测信号相位成正比一个信号，比例系数为K²，或两路正交探测信号f_I与f_Q经平方相加运算可得到前述的比例系数K²；(三)将前面经过微分交叉相乘再做差分放大后得到的信号除以比例系数K2；(四)经过高通滤波滤除探测信号相位的0频率项2kΔL以及低频的自然水表面波动项2kAnsin(2πfnt+φn)，得到水表面声波信号KsAssin(2πfst+φs)，即一个声压与水下声信号成正比例的声信号，实现了水下声信号的实时解调；其中，Ks表示经过高通滤波后的相位解调信号的增益系数。