1、毕业设计（论文）开题报告题目 基于 LabVIEW 的干涉型光纤水听器信号模拟硬件设计专 业 名 称 通信工程班 级 学 号 07042103学 生 姓 名 李红梅指 导 教 师 周力填 表 日 期 2011 年 02 月 28 日一、选题的依据及意义：光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号，并通过光纤传至信号处理系统提取信号信息。光纤水听器与传统水听器相比，在未来的纳声系统中作为接收阵列显示了更大的吸引力。它可以将大量单元的信号经由一单根光纤传输的大规模成阵的能力并具有水听器单元设计的灵活性。另外，它具有的灵敏度高，响应的带宽
2、宽，单元及信号传输不受电磁干扰的影响等重要特点。随着光纤水听器的发展，对其调制信号的解调灵敏度等相关参数要求越来越高，目前解调方式主要采用数字化。随着虚拟技术的发展，利用 LabVIEW 编程解调水听器信号提供了一种新的手段，而且具有可编程、成本低、自定义功能、升级方便等优点。而水听器信号虚拟化转变时这一解调过程的关键环节。本课题把水听器调制信号虚拟化处理成可供 LabVIEW 环境下处理，为我们后续处理水听器信号提供信号源。目前，LabVIEW 环境下可以采用数据卡采集外界信号，把外界的实体信号虚拟化处理，基于此，我们可以把输出调制水听器信号采集到 PC 机内，编成数据流格式的虚拟信号。La
3、bVIEW 已广泛应用在测试测量、过程控制、工业自动化等方面，在数据分析和信号处理方面具有强大的分析函数，供开发者使用。构建基于 Michel-son 干涉仪的单元光纤水听器测试系统，利用虚拟仪器编写光纤水听器信号检测软件，提高检测的动态范围和精度，降低检测成本，总结虚拟检测的特点，为水听器信号的检测提供一种新的方法。光纤水听器由于信号探测和传输均以光为载体，更适用于水下信号的检测，有许多压电水听器不可比拟的优点。光纤水听器经过 20 多年的发展，其技术已经逐渐成熟，一些领域已获得应用，前景广阔。二、国内外研究概况及发展趋势光纤水听器研究始于冷战时期反潜战争的需要。由于其在战术上的巨大优势，它
4、受到了西方国家海军的高度重视，成为水下被动声纳分机的发展方向。美、英、法、日等西方国家已大力研究多年，正走向应用阶段，并已经署生产装艇设备。虽然我国也正在全力研究，但因起步较晚，受技术封锁的牵制，与国外仍存在一定差距。2.1、国外光纤水听器研究进展由于光纤水听器在军事应用上的巨大潜力，而且受到光纤通信推动的光纤技术革新的有力支持。西方国家把其作为水下被动声纳分级的发展方向，投入巨大资金，从研究阶段走向实用化。1977 年美国海军研究实验室 Bucaro 等人于发表了有关光纤水听器的首篇论文，首次考虑将光纤水听器作为未来可用的声纳系统。光纤水听器的第一次海上试验是美国为海军流动噪声驳船(MONO
5、B)系统的噪声监测装置首次开发的塑料芯轴光纤水听器，并于 1983 年 7 月部署在巴哈马群岛。试验结果证实了光纤水听器低于海况零的噪声特性。1983-1986 年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳光纤水听器阵列的海上试验，包括芯轴型和被覆型光纤水听器，显出了光纤水听器用于拖曳阵列的强大生命力，并直接导致了美海军水下系统中心和海军实验室联合进行的全光拖曳阵列(AllOpticT owedA rray)计划。1988 年，全光拖曳阵列在海上试验中取得很大成功，确定了美国军用设备研究开发进入试制阶段一 AOTA 高级技术演示计划多路复用系统所用的光纤水听器结构。1990 年 6 月，Litton
6、制导和控制公司研制出两个基于芯轴型迈克尔逊干涉仪结构的水听器首次在 668 级攻击潜艇上进行了演示，工作 64Hz-50KHz。演示结果表明，光纤水听器及有关元件尽管工作在恶劣的条件下，仍能满足和超过潜艇水听器系统所要求的性能指标。1996 年美国海军研究实验室提出了一个 64 单元全光可展开阵列(AODS)系统，该系统采用时分波分复合复用，可拓展至 256 单元，按此设计，1996 年五月美国海军实验室进行 32基元的海上演示试验。199 8 年 英国的防卫研究局开展基于光纤喇曼光栅的光纤水听器研究，系统采用波分复用技术及光纤放大器，设计目标为极细光纤水听器拖曳阵列41，并在 1998 年与
7、受荷兰皇家海军支持的应用物理研究所联合进行了 32 基元5 公里传输时分复用光纤水听器阵列的系统设计与海上演示试验。2000 年 Litton 公司与英国防卫研究局(DERA)开发成功一套海洋陆地钻孔成像系统，其核心为 96 基元8 公里传输空分全光纤水听器系统。2002 年美国海军实验室与英国防卫局联合提出光纤光学海底固定阵列矩阵(FOBMA)系统概念，并按此概念 2002 年进行了原型测试。英国海军水听器阵列系统采用一种 3 波长激光源，波长间距 1. 6nm，结构中 2 个波长每个都访问具有 32 个时分复用水听器的一个脉冲反射阵列模块。光纤结构采用光学插/分多路复用器(OADM)将波长
8、从一根遥测光纤引入并将它们发射到阵列模块中，返回信号采用遥测光纤重新组合。对接收的光学信号进行分离、检测和处理。试验证明，可以采用每波长 32 个水听器的方式，通过一个光纤对访问至少 96 个传感器。测得的阵列传感器的串扰度小于一 72dB。2.2、国内光纤水听器研究进展国内于“七五 ”开始了对光纤水听器研究，但 “八五”才正式立项开展预研工作，项目名称“单元及阵列光纤水听器技术研究” ，主要承担单位有以电子工业部第 23 研究所为主的电子部有关部门和以中国船舶工业总公司的 715 研究所牵头，上海交通大学光纤所、哈尔滨工程大学光纤所参与的中船总有关单位。八五期间以研制出具有较好性能的光纤水听
9、器，中船总 715 所还成功地进行了四元光纤水听器阵列实验。就中船总系统而言光纤水听器技术指标接近实用，但在偏振态控制和降低光源噪声等重要技术方面还要采取有效措施，并需要较大幅度增加阵列规模，完成技术先进、单元性能稳定、有一定规模的光纤水听器阵列。九五期间电子 23 所完成了时分 8 路三检测器方案的光纤水听器阵列，哈尔滨工程大学与 715 所合作完成了 3X4(12 元)频分复用阵列，取得良好实验结果。但从总体水平来看，小型阵列的光纤水听器已经向实用化阶段迈进了一大步，大型光纤水听器阵列仍处于探索和实验室阶段，要想最终达到实用，还要经历漫长的艰苦探索。2002 年 8 月进行了我国首次光纤水
10、听器阵列的海上试验，试验的主要目的是验证光纤水听器应用于海洋石油勘探及水声物理研究的可行性，并获得了极大成功。三、研究内容及实验方案：本课题主要是实现干涉型光纤水听器信号模拟硬件设计。3.1 水听器干涉信号干涉后的光信号经过电转换后可以写成 V0=VI+K COS(s+n)+Vn，其中 V是幅度，K 是干涉仪的可视度，Vn 是电路附加噪声，s 为水中声波引起的干涉仪两臂的相位差，n 是外界环境变化引起的相位差。在数字化解调水听器信号过程中，不需要对信号虚拟化处理，直接通过相关的硬件电路给予解调，而通过 LabVIEW编程解调，则需要电信号的转化成虚拟信号，我们通过硬件电路设计水听器干涉信号，为
11、采集卡工作提供信号源。3.2 数据采集卡我们使用非 NI 公司的，由 TIETIP 公司生产的 HS3-100 三通道便携式综合测试仪，可通过 USB 端口与计算机相连，低功耗，即插即用，他的具体指标为可调5M100M 采样每秒，满刻度输入范围：200mV80V, 可变分辨率的调节范围是 8位到 16 位，每个通道的存储深度都是 128K，并且有完善的触发功能，充分体现了他实时、高速、便携的特点，能够实现多种测量采集功能。由于 LabVIEW 自带的采集控件和函数不支持非 NI 卡，我们通过采用调用动态链接库的方式驱动采集卡工作，实现采集功能。对于动态链接库，首先要了解库函数的函数类型功能和编
12、译方式，以便我们灵活的调用。在库函数设计时，根据采集卡的参数指标和采集需要，编译对应函数。在调用时，执行调用函数库节点，然后设置相关调用函数名和函数参数。通过以上两个步骤，我们便可以将模拟的水听器调制电信号转化成 LabVIEW环境下运行的虚拟数据流信号，完成接口电路设计。3.3 实验方案本课题研究方案流程图如图 1 所示:图1 研究方案流程图我们以光束干涉为例 8，干涉后的光信号经过电转换后可以写成：=VI+k + , (1)0VcosnV其中V 0是输出的电压信号，V是信号幅度，k是干涉仪的可视度，Vn是电路附加噪声，为水中声波引起的干涉仪两臂相位差， 为外界环境变化引起的相位差。光纤干s
13、 n涉仪输出光波相位差为 （2）2nlvc其中C 是真空中光速，n是光纤纤芯的有效折射率，l是光纤的轴向长度，v是光频。若光源相干长度为L，相干理论要求L不小于nl。由（ 2）式可得，各种因素引起的相位差变化为（3）2nlvlvc由上式看出，相位差的变化包括三部分：(1)由光弹效应产生有效折射率改变引起的光相位变化。(2)光纤轴向长度的变化导致的光相位变化。(3)光频的抖动引起的光相位变化。其中前两种变化可以由声压调制因素产生，第三部分则构成系统的光相位噪声。一般光纤水听器探头都经过增敏处理。最简单的增敏方法 8是将干涉仪的传感臂缠绕在一个声压弹性体上，这样声压变化时，弹性体随声压受迫振动，传
14、感光纤长度被调制，这样声压对光纤水听器的调制主要表现为光纤轴向长度的调制。经理论分析，这种光纤轴向长度的变化与声压的变化成正比，于是有：（4） 2snlvkpc其中k是比例系数。 （4）式说明干涉仪有水声引起相位差变化与声压变化成正比，该式是干涉型光纤水听器拾取声信号的理论基础。光的干涉条件之一要求光的振动（偏振）方向一致，而单模光纤抗弯能力差，存在光偏振态随机变化的固有缺陷，而引起检测信号随机衰落，特别当干涉仪两臂的偏振态正交时，干涉仪输出为了，即为“偏振诱导信号衰落” 。目前解决方案中主要有：采用偏振控制器、偏振分集接收、使用保偏光纤。由于 Sagnac 光纤干涉仪需要通过光纤环路的旋转实
15、现信号感应，对低频不敏感，湿端环境下使用比较困难。对于 Mach-Zehnder 光纤干涉仪可以采用全保偏光纤抗衰落，从长远看这是最理想的方案，但由于保偏耦合器这类无源器件国内发展还不成熟，尤其是大规模组阵时用到的时分，波分器件也都要保偏，难度大。Fabry-Perot 光纤干涉仪，虽然灵敏度高，但是动态范围小。选用 Michelson 光纤干涉仪 9,12,13，采用法拉第旋转镜作为消偏振衰落的手段，成本低，结构简单，在光纤输出端加光隔离器可消除其散射对光干涉仪的影响。四、目标、主要特色及工作进度4.1 毕业设计的预期目标通过硬件电路产生虚拟的水听器信号应用 LabVIE 软件在 PC 机上
16、观察产生的虚拟水听器信号是否符合要求，完成系统的研究，实现全部功能，在研究成果的基础上发表论文一到二篇。若在实验过程中碰到难以解决的问题，可使用其他信号输入代替虚拟水听器信号，或者直接采用信号源输入信号，经软件编程显示输入信号的各种指标。4.2 毕业设计的主要特色光纤水听器采用光原理构成，灵敏度高，由于其自噪声低的特性决定了其可检测最小信号比传统压电水听器要高 2-3 个数量级，这使弱信号成为检测的可能。光纤水听器频响特性好，带宽宽，可以响应甚低频动态范围大，压电水听器的系统动态范围一般在 80-90dB，采用光纤水听器的动态范围可以达到 120-140dB。抗电磁干扰与信号串扰能力强，全光光
17、纤水听器信号传感和传输均以光为载体，几百兆赫兹以下的电磁干扰影响非常小，各通道信号串扰也十分小。光纤传输损耗小，适于远距离传输。光纤水听器采用频分、波分、时分及空分进行多路复用，适于阵列大规模组阵。信号传感与传输一体化，提高了系统的可靠性。激光由光源发出，经光纤传输至光纤水听器，并在拾取声信号后再经光纤传回到岸上的信号处理设备。光纤对水密性要求低，耐高压，抗腐蚀，大大提高了系统的可靠性。光纤水听器体积小，重量轻，系统容易收放，使过去无法实现的方案成为可能。光纤水听器经过不断的发展，技术已经逐渐成熟，在一些领域已获得应用，应用前景十分广阔。基于光纤水听器的以上特色所以这次毕设选择这个题目，本次实
18、验的最大难度将是应用硬件电路来产生虚拟的水听器信号，由于自制电路的干扰和稳定性以及它受环境影响较大。4.3 毕业设计的工作进度1. 第一阶段：第 0103 周 (1) 完成资料检索，分析及归纳工作；(2) 设计光纤水听器系统和检测方案并将内容模块化、细节化；(3) 根据前期准备工作，调试数据采集卡，撰写开题报告；(4) 英文翻译；2. 第二阶段：第 0406 周(1) 算法的研究；(2) LabVIEW 开发环境的掌握；(3) 进行硬件设计 ；3. 第三阶段：第 0710 周(1) 在 LabVIEW 仿真软件进行编写程序；(2) 做出硬件样品；4. 第四阶段：第 1115 周(1) 综合运用
19、各种控件；(2) 函数开发信号解调系统；5. 第五阶段：第 1618 周 (1) 撰写论文；(2) 毕业答辩。五、参考文献1 张仁和，倪明光纤水听器的原理与应用J . 前沿进展， 2004,33(7);503-5072 曹家年，包建新，李绪友，等. 光纤水听器J . 光通信技术， 1997,21(2);9094 3 唐继，Mach-Zehnder. 光纤干涉仪相位检测方案研究J . 传感技术学报，2000，(2);96-100 4 商海英.光纤水听器的军事应用J.光纤光缆传感技术 ,2001,（3） ；32-345 廖延彪，黎敏，张敏等 .光纤传感技术与应用.清华大学出版社.20096 倪明，
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21、g,Sin(Annie).Computer simulation for polarization induced fading in Optical Fiber Hydrophone.2006:132211 江云秋，张桂才，徐明等.光纤水听器应用的Michelson干涉仪结构特性研究C.第五届全国光子学大会会议论文集，2004，151912 李志能，沈梁，叶险峰.偏振无关的Michelson 光纤传感器的研究 J.浙江大学学报(工学版)，2002，36(1)：444613 罗红，熊水东，胡永明等.基于相位载波调制解调技术的全保偏光纤水听器 J.半导体光电，2006，27(1)： 121514 倪明，胡永明，孟渊等.数字化PGC解调光纤水听器的动态范围J. 激光与光电子学进展，2005，42(2)：3337
