GB/T 42559-2023 声学 干涉型光纤水听器相移灵敏度测量

　　ICS 17 . 140 . 30 CCS A 59

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42559—2023

　　声学 干涉型光纤水听器相移灵敏度测量

　　Acoustics—Measurement of phase-shifted sensitivity of interferometric

　　fiber-optic hydrophones

　　2023-05-23 发布 2023-12-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42559—2023

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 干涉条纹计数法 2

　　4 . 1 测量原理 2

　　4 . 2 测量装置 4

　　4 . 3 测量条件 5

　　4 . 4 测量方法 5

　　4 . 5 测量不确定度 7

　　5 贝塞尔函数比值法 7

　　5 . 1 测量原理 7

　　5 . 2 测量装置 7

　　5 . 3 测量条件 8

　　5 . 4 测量方法 8

　　5 . 5 测量不确定度 9

　　6 相位生成载波解调法 10

　　6 . 1 测量原理 10

　　6 . 2 测量装置 11

　　6 . 3 测量条件 12

　　6 . 4 测量方法 12

　　6 . 5 测量不确定度 13

　　7 差分延时外差解调法 13

　　7 . 1 测量原理 13

　　7 . 2 测量装置 14

　　7 . 3 测量条件 15

　　7 . 4 测量方法 15

　　7 . 5 测量不确定度 16

　　8 3 × 3 耦合器相位解调法 16

　　8 . 1 测量原理 16

　　8 . 2 测量装置 18

　　8 . 3 测量条件 19

　　8 . 4 测量方法 19

　　8 . 5 测量不确定度 20

　　I

　　GB/T 42559—2023

　　附录 A (规范性) 干涉型光纤水听器贝塞尔函数比值法干涉光相移量与贝塞尔比值关系表 21

　　附录 B (资料性) 干涉型光纤水听器相移灵敏度测量不确定度分析示例 24

　　参考文献 31

　　Ⅱ

　　GB/T 42559—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国科学院提出 。

　　本文件由全国声学标准化技术委员会(SAC/TC17)提出并归口 。

　　本文件起草单位:中国船舶集团有限公司第七一五研究所 、北京大学 、长沙深之瞳信息科技有限公司 、中国电子科技集团公司第二十三研究所 、浙江大学 、国防科技大学 、中国科学院声学研究所 、北京科技大学 。

　　本文件主要起草人: 陈毅 、周利生 、张敏 、罗洪 、刘英明 、金晓峰 、张军 、熊水东 、贾广慧 、莫喜平 、王伟印 、杨柳青 、刘飞 、佟昊阳 、李文静 、金梦群 、张自丽 。

　　Ⅲ

　　GB/T 42559—2023

　　引 言

　　干涉型光纤水听器是一种相位调制型传感器 , 它具有抗电磁干扰 、灵敏度高 、体积小 、频带响应宽 、易于大规模成阵等特点 , 在声呐装备研制 、海洋环境参数监测和海洋资源开发等领域有很好的应用前景 。

　　相移灵敏度是反映干涉型光纤水听器性能最为本质的参数 。 随着国内从事干涉型光纤水听器研制 、生产和使用单位的增多 , 为客观评价干涉型光纤水听器的声学性能 , 需要建立相移灵敏度测量方法 ,推动干涉型光纤水听器的实用化进程 。

　　根据国内实际情况 , 本文件为用户提供了干涉条纹计数法 、贝塞尔函数比值法 、相位生成载波解调法 、差分延时外差解调法和 3 × 3 耦合器相位解调法 5 种相移灵敏度测量方法 , 适应国内众多单位对干涉型光纤水听器的测量需求 , 实现相移灵敏度测量方法与量值的统一 。

　　Ⅳ

　　GB/T 42559—2023

　　声学 干涉型光纤水听器相移灵敏度测量

　　1 范围

　　本文件描述了用干涉条纹计数法 、贝塞尔函数比值法 、相位生成载波解调法 、差分延时外差解调法和 3 × 3 耦合器相位解调法测量干涉型光纤水听器声压相移灵敏度的测量原理 、测量装置 、测量条件 、测量方法和测量不确定度 。

　　本文件适用于 10 Hz~20 KHz频率范围内干涉型光纤水听器相移灵敏度的测量 。

　　注 : 当上述方法给出的相移灵敏度级测量结果偏差超过 3 dB时 , 以干涉条纹计数法测量结果为准 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 3947—1996

　　声学名词术语

　　GB/T 4130—2017

　　声学 水听器低频校准方法

　　GB/T 7965—2002

　　声学 水声换能器测量

　　GB/T 14733 . 12—2008 电信术语 光纤通信

　　JJG 449—2014 倍频程和分数倍频程滤波器

　　3 术语和定义

　　GB/T 3947—1996 、GB/T 4130—2017 、GB/T 7965—2002 和 GB/T 14733 . 12—2008 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　干涉型光纤水听器 interferometric fiber-optic hydrophone

　　把光导纤维作为敏感元件并利用光干涉原理制成的水听器 。

　　注 : 其特性表现为干涉光相移量与声场中声压的变化成一定的比例关系 。

　　3.2

　　干涉光相移量 phase-shifted value of optical interference

　　Φ

　　因外界信号作用导致的干涉型光纤水听器传感臂与参考臂干涉光信号的相位差 。

　　3.3

　　干涉条纹计数法 interferometric fringe counting method

　　通过获取干涉型光纤水听器输出的干涉条纹数量 , 得到由外界信号作用引起的干涉型光纤水听器干涉光相移量的方法 。

　　3.4

　　贝塞尔函数比值法 Bessel function ratio method

　　对干涉型光纤水听器输出的干涉信号进行贝塞尔级数展开 , 由信号三次谐波与基波(或四次谐波与

　　1

　　GB/T 42559—2023

　　二次谐波)之比 。

　　注 : 贝塞尔函数比值法测得的干涉光相移量也称贝塞尔函数宗量 。

　　3.5

　　相位生成载波解调法 phase generated carrier demodulation method

　　对相位载波调制后的干涉型光纤水听器输出的干涉光信号进行解调处理 , 得到干涉型光纤水听器干涉光相移量的方法 。

　　3.6

　　差分延时外差解调法 differential delay heterodyne demodulation method

　　利用生成的差分延时外差光脉冲对 , 经过干涉型光纤水听器后形成外差干涉光信号 , 通过解调处理得到干涉型光纤水听器干涉光相移量的方法 。

　　3.7

　　3 × 3 耦合器相位解调法 phase demodulation method using 3 × 3 coupler

　　利用 3 × 3 耦合器三端输出干涉光信号相位相差 2π/3 的特性 , 对干涉型光纤水听器输出光信号进行相位解调 , 得到干涉型光纤水听器干涉光相移量的方法 。

　　3.8

　　标准水听器 standard hydrophone

　　用作水声计量的 、性能稳定并经过绝对校准的换能器 。 常作为建立水中声压基准用的标准器 , 并借此传递声压量值 。

　　[来源: GB/T 3947—1996 , 7 . 82] 3.9

　　[声压]相移灵敏度 [sound pressure] phase-shifted sensitivity

　　M Φ

　　由声压信号作用引起的干涉型光纤水听器干涉光相移量与声场中引入干涉型光纤水听器前存在于干涉型光纤水听器参考中心位置处的自由场声压之比值 , 用公式(1)表示:

　　M …………………………( 1 )

　　式中:

　　Φ — 干涉光相移量 , 单位为弧度(rad) ;

　　p — 自 由场声压 , 单位为帕(pa) 。

　　注 : [声压]相移灵敏度的单位为弧度每帕(rad/pa) 。

　　3 . 10

　　[声压]相移灵敏度级 [sound pressure] phase-shifted sensitivity level

　　LM Φ

　　相移灵敏度与基准相移灵敏度之比取以 10 为底的对数乘以 20 , 用公式(2)表示:

　　LM Φ =20lg …………………………( 2 )

　　式中:

　　M Φr — 基准相移灵敏度 , M Φr =1 rad/μpa 。

　　注 : [声压]相移灵敏度级的单位为分贝(dB) 。

　　4 干涉条纹计数法

　　4 . 1 测量原理

　　干涉型光纤水听器在水中声波作用下输出的干涉光信号的光强可用公式(3)表示:

　　2

　　GB/T 42559—2023

　　I =A +Bcos[Φsin(w st)+φ 0 (t) ] …………………………( 3 )

　　式中:

　　I — 干涉型光纤水听器输出的干涉光强电压信号 , 单位为伏(v) ; A — 干涉光信号的直流分量 , 单位为伏(v) ;

　　B — 干涉光信号的交流分量 , 单位为伏(v) ;

　　Φ — 干涉型光纤水听器输出的干涉光相移量 , 单位为弧度(rad) ;

　　ws — 声信号的角频率 , ws =2πfs, fs 为声信号频率 , 单位为赫兹(Hz) ;

　　φ 0 (t)— 外界环境因素影响产生的相位差 , 单位为弧度(rad) ;

　　t — 时间 , 单位为秒(s) 。

　　图 1 给出了典型的干涉型光纤水听器干涉信号的时域波形 , 该信号存在着明显的周期性 。

　　a) n = 1 b) n =2

　　图 1 干涉条纹时域波形图

　　每当干涉光相移量 Φ 为 n 个整数 π 弧度时 , 干涉信号条纹的波峰与波谷之间沿着时间轴存在一条交叉直线(如图 1 中虚线所示) , 此时 , 干涉信号半个周期内的条纹数对应相应整数 n 。按公式(4)计算 ,得到干涉型光纤水听器在声场作用下输出的干涉光相移量 Φ。

　　Φ =nπ(n ≥ 1 , n 为整数) …………………………( 4 )

　　在 10 Hz~1 KHz频率范围内 , 采用 GB/T4130—2017 中推荐的方法进行测量 。如图 2 a)所示 , 将干涉型光纤水听器和标准水听器同时放置在驻波管同一深度处 , 分别测量标准水听器的输出电压和干涉型光纤水听器的干涉光相移 , 得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级[见公式(5)] 。

　　LM Φ =20lgΦ —20lgup +M0 …………………………( 5 )

　　式中:

　　up — 标准水听器输出的输出电压幅值 , 单位为伏(v) ;

　　M0 — 标准水听器的声压灵敏度级 , 单位为分贝(dB)(参考值为 1 v/μpa) 。

　　在 1 KHz~20 KHz频率范围内 , 采用 GB/T 7965—2002 中推荐的方法进行测量 。如图 2 b)所示 ,将干涉型光纤水听器和标准水听器同时放置在水下同一深度处 , 标准水听器与发射换能器之间的距离为 d 0 , 干涉型光纤水听器与发射换能器之间的距离为 d Φ, 分别测量标准水听器的输出电压和干涉型光纤水听器的干涉光相移 , 得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级[见公式(6)] 。

　　LM Φ =20lgΦ —20lgup +20lgd Φ —20lgd 0 +M0 ……………………( 6 )

　　式中:

　　d Φ — 发射换能器参考中心与干涉型光纤水听器参考中心之间的距离 , 单位为米(m) ;

　　d 0 — 发射换能器参考中心与标准水听器参考中心之间的距离 , 单位为米(m) 。

　　3

　　GB/T 42559—2023

　　a) 驻波管比较法 b) 自 由场比较法

　　图 2 光纤水听器测量原理图

　　注 : GB/T4130—2017 和 GB/T 7965—2002 中推荐的其他方法在满足测量要求的情况下也适用于水声声压量的测量 , 开展干涉型光纤水听器相移灵敏度测量时 , 测量不确定度根据所采用的方法进行评定 。

　　4 . 2 测量装置

　　图 3 给出了干涉型光纤水听器干涉条纹计数法测量装置组成框图 , 主要由标准水听器 、激光器 、光电探测器 、数字示波器 、滤波器 、信号源和功率放大器等设备组成 。测量时 , 发射换能器在信号源和功率放大器激励下 , 在水中产生测量所需的声信号 。激光器产生光信号入射到干涉型光纤水听器中 , 在水中声波作用下产生类似图 1 所示的干涉条纹 , 经光电探测器转换成相应的电信号 , 由示波器进行显示和计数 , 得到干涉光相移量 Φ 。 同时 , 通过计算机控制该装置完成标准水听器输出电压信号的采集与处理 ,利用数字示波器即可测得其输出电压幅值 Up 。 通常 , 驻波管中的测量频率范围不小于 100 Hz ~ 1 KHz ; 自 由场中的测量频率范围不小于 1 KHz~ 20 KHz 。

　　图 3 干涉条纹计数法测量装置组成框图

　　注 : 干涉条纹计数法测量频率的上限和下限通常受声场条件及干涉型光纤水听器自身的影响 。 在对其进行测量时 , 要求声场中的 声 压 级 要 足 够 高 , 确 保 其 能 够 调 制 到 π 弧 度 以 上 。 另 外 , 对 于 某 些 干 涉 型 光 纤 水 听 器 ,在 100 Hz以下 , 干涉条纹信号会发生畸变 , 干涉条纹的波形难以计数 , 导致测量无法进行 。

　　4

　　GB/T 42559—2023

　　4 . 3 测量条件

　　4 . 3 . 1 驻波管

　　驻波管要求如下 。

　　a) 工作频率范围不小于 10 Hz~1 KHz。

　　b) 通常为垂直开口向上的厚壁刚性圆柱形腔体;腔体内充满测量媒质 , 通常为蒸馏水;发射换能器安装在声管的底部或采用振动台推动 。

　　c) 驻波管内液柱的高度应大于液柱的直径 , 并小于最高测量频率所对应的液体声波波长的 1/4 。

　　4 . 3 . 2 自 由场

　　自 由场要求如下:

　　a) 工作频率范围不小于 1 KHz~20 KHz;

　　b) 为全消声或者半消声水池 ;

　　c) 测量通常使用脉冲信号 , 水池尺寸 、脉冲宽度以及测量距离满足 GB/T 7965—2002 的要求 。

　　4 . 3 . 3 电子测量仪器

　　测量用主要仪器设备的功能 、性能要求如下 。

　　a) 信号源:工作频率范围不小于 10 Hz~20 KHz, 最大输出电压不小于 10vpp , 频率示值误差不大于 ±0 . 5% 。

　　b) 功率放大器:工作频率范围不小于 10 Hz~20 KHz, 失真系数不大于 2% , 功率不小于 100 W。

　　c) 发射换能器:工作频率范围不小于 10 Hz~1 KHz(驻波管)和 1 KHz~20 KHz( 自 由场) , 在干涉型光纤水听器和标准水听器所在处的声压级不低于 140 dB。

　　d) 滤波器:滤波范围不小于 10 Hz~20 KHz, 满足 JJG 449—2014 对 2 级 1/3 倍频程滤波器的要求 。

　　e) 数字示波器:带宽不小于 500 MHz, 通道数不小于 2 个 , 信号幅度测量误差不大于±2% 。

　　f) 激光器:工作波长范围不大于 1 200 nm~1 600 nm , 光功率不小于 10 mW , 功率稳定度优于

　　0. 1 dB/h 。

　　g) 光电探测器:工作波长范围不大于 1 200 nm~1 600 nm , 带宽不小于 100 KHz。

　　h) 标准水听器:工作频率范围不小于 10 Hz~20 KHz, 声压灵敏度级与干涉型光纤水听器之差不大于 40 dB, 测量不确定度不大于 0. 7 dB(k=2) 。

　　注 : 由于干涉型光纤水听器的灵敏度较高 , 标准水听器通常自带前置放大器 。若标准水听器不带前置放大器 , 在将其接入测量装置时 , 通常需要进行前置放大和阻抗匹配 。

　　i) 钢直尺:长度不小于 30cm , 长度测量的最大允许误差不大于 ±1 mm 。

　　j) 卷尺:长度不小于 3 m , 长度测量的最大允许误差不大于 ±1 mm 。

　　4 . 4 测量方法

　　4 . 4 . 1 驻波管比较法

　　4 . 4 . 1 . 1 测量前准备

　　测量前的准备工作如下 。

　　a) 将蒸馏水或其他媒质慢慢灌入驻波管 。

　　b) 用无腐蚀作用的洗涤剂擦洗干涉型光纤水听器和标准水听器表面 , 在水中浸泡至少 1 h 。

　　c) 测量时 , 将干涉型光纤水听器和标准水听器固定在测量支架上 , 保证其位于同一入水深度 。若

　　5

　　GB/T 42559—2023

　　采用置换法 , 则可在测量过程中将干涉型光纤水听器和标准水听器分别固定在测量支架上 , 并确保其声中心位于同一位置 。

　　d) 调节干涉型光纤水听器和标准水听器的入水深度 d 以及液柱的液面高度 H , 使入水深度 d 与液面高度 H 之间的关系满足d=(1/3 ~ 2/3) H 为宜 。

　　4 . 4 . 1 . 2 测量步骤

　　测量步骤如下 。

　　a) 按图 3 所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备 , 按图 2 a)所示布置声场 。

　　b) 开启所有仪器设备 , 预热 15 min 。

　　c) 设置信号源输出信号的类型(连续信号) 、幅度和频率 , 设置滤波器的滤波频率 。

　　d) 将激光器输出光功率调节至合适值 , 确保光电探测器的输入端不过载 , 其输出电信号的信噪比应不小于 20 dB。

　　e) 在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器 , 检查标准水听器输出电压 , 其信噪比应不小于20 dB;检查干涉条纹信号 , 确保干涉光相移量能够调制到 π 弧度及以上 。

　　f) 观察干涉条纹信号 , 调节信号源(或功率放大器)的输出 , 使干涉条纹信号的干涉光相移量满足Φ=nπ,在相同声场环境下通过示波器测量标准水听器的输出电压幅值 up 。

　　g) 将标准水听器的输出电压幅值和干涉型光纤水听器的干涉光相移量进行比较 , 按公式(5)计算得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级 。

　　h) 重复上述步骤 c) ~ g) , 完成其他频率的测量 。

　　4 . 4 . 2 自 由场比较法

　　4 . 4 . 2 . 1 测量前准备

　　测量前的准备工作如下 。

　　a) 用无腐蚀作用的洗涤剂清洗发射换能器 、干涉型光纤水听器与标准水听器 , 在水中浸泡至少1 h 。

　　b) 将发射换能器 、干涉型光纤水听器与标准水听器安装到测量支架上 , 固定在水下适当深度处 ,使 3 个换能器的参考中心位于同一水平面上;若采用置换法 , 则可在测量过程中将标准水听器和干涉型光纤水听器分别固定在测量支架上 , 并确保两个水听器在测量时位于水下声场中的同一位置 。

　　c) 调节发射换能器 、干涉型光纤水听器与标准水听器之间的距离 , 使它们满足 自 由场远场测量条件 。

　　4 . 4 . 2 . 2 测量步骤

　　测量步骤如下 。

　　a) 按图 3 所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备 , 按图 2 b)所示布置声场 。

　　b) 开启所有仪器设备 , 预热 15 min 。

　　c) 设置信号源输出信号的类型(脉冲信号) 、幅度和频率 , 设置滤波器的滤波频率 。

　　d) 将激光器输出光功率调节至合适值 , 确保光电探测器的输入端不过载 , 其输出电信号的信噪比应不小于 20 dB。

　　e) 在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器 , 检查标准水听器的输出电压 , 其信噪比应不小于 20 dB;检查干涉条纹信号 , 确保干涉光相移量能够调制到 π 弧度及以上 。

　　f) 观察干涉条纹信号 , 调节信号源(或功率放大器)的输出 , 使干涉条纹信号的干涉光相移量满足

　　6

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　　Φ=nπ,在相同声场环境下通过示波器测量标准水听器的输出电压幅值 up 。

　　g) 将标准水听器的输出电压幅值和干涉型光纤水听器的干涉光相移进行比较 , 按公式(6)计算得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级 。

　　h) 重复上述步骤 c) ~ g) , 完成其他频率的测量 。

　　4 . 5 测量不确定度

　　按要求进行测量时 , 干涉条纹计数法的测量不确定度应不大于 1 . 5 dB(k=2) 。

　　5 贝塞尔函数比值法

　　5 . 1 测量原理

　　利用贝塞尔函数将公式(3)光强信号展开 , 得到与声信号相关的干涉光强信号的基波分量和各次谐波分量 , 见公式(7) 。

　　式中:

　　J0 、J2n 、J2n — 1 — 零阶 、2n 阶和 2n—1 阶一类贝塞尔函数 。

　　光强的谐波分量可以表示为公式(8) 。

　　选用三次谐波分量与基波分量(或四次谐波分量与二次谐波分量)按公式(9)计算贝塞尔函数谐波

　　分量幅度的比值 。

　　…………………………( 9 )

　　再根据附录 A 中的表格进行查表 , 得到贝塞尔函数的宗量 Φ , 即干涉型光纤水听器的干涉光相移量 。 同时 , 通过计算机控制该装置完成标准水听器输出电压信号的采集与处理 , 利用数字示波器即可测得其输出电压幅值 up 。

　　5 . 2 测量装置

　　图 4 给出了干涉型光纤水听器贝塞尔函数比值法测量装置组成框图 。该测量装置与干涉条纹计数法基本类似 , 增加了频谱分析仪用于对干涉光信号的谐波进行频谱分析 。

　　7

　　GB/T 42559—2023

　　图 4 贝塞尔函数比值法测量装置组成框图

　　测量时,发射换能器在信号源和功率放大器激励下,在水中产生测量所需的声信号。 激光器产生光信号入射到干涉型光纤水听器中,在水中声波作用下产生干涉条纹,经光电探测器转换成相应电信号。计算机控制频谱分析仪采集干涉光信号,并完成谐波分析,计算得到干涉光相移量 Φ 。 同时,计算机控制其他电子测量设备完成水下声信号的采集与处理,得到标准水听器输出电压幅值 up ,经计算得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级。 通常,驻波管中的测量频率范围不小于 100 Hz~1 KHz ; 自 由场中的测量频率范围不小于 1 KHz~20 KHz。

　　注 : 贝塞尔函数比值法与干涉条纹计数法类似,在低频时容易受到波形畸变的影响(反映在频谱分析上就是出现谐波) 。 因此,在 100 Hz 以下,干涉光信号通常受谐波影响较大,导致无法进行准确测量。

　　5 . 3 测量条件

　　5 . 3 . 1 驻波管

　　驻波管的要求按 4. 3 . 1 执行。

　　5 . 3 . 2 自 由场

　　自 由场的要求按 4. 3 . 2 执行。

　　5 . 3 . 3 电子测量仪器

　　信号源 、功率放大器 、发射换能器 、滤波器 、数字示波器 、激光器 、光电探测器 、标准水听器等的要求按 4. 3 . 3 执行。 频谱分析仪的功能 、性能要求为:工作频率范围不小于 10 Hz~20 KHz,幅值测量精度优于 0 . 25 dB。

　　5 . 4 测量方法

　　5 . 4 . 1 驻波管比较法

　　5 . 4 . 1 . 1 测量前准备

　　测量前准备按 4. 4. 1 . 1 执行。

　　8

　　GB/T 42559—2023

　　5 . 4 . 1 . 2 测量步骤

　　测量步骤如下。

　　a) 按图 4 所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备,按图 2 a)所示布置声场。

　　b) 开启所有仪器设备,预热 15 min。

　　c) 设置信号源输出信号的类型(连续信号) 、幅度和频率,设置滤波器的滤波频率。

　　d) 将激光器输出光功率调节至合适值,确保光电探测器的输入端不过载,其输出信噪比应不小于20 dB。

　　e) 在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器,检查标准水听器输出的电压信号,其信噪比应不小于 20 dB;检查干涉条纹信号,确保干涉光相移量所对应的贝塞尔函数比值在单调区间内。

　　f) 根据 5 . 1 所述的测量原理,用频谱分析仪测得干涉光信号的谐波,查表得到对应的干涉光相移量 Φ,同时用示波器测得标准水听器的输出电压 up 。

　　g) 将标准水听器的输出电压和干涉型光纤水听器的干涉光相移进行比较,按公式(5)计算得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级。

　　h) 重复上述步骤 c)~g),完成其他频率的测量。

　　5 . 4 . 2 自 由场比较法

　　5 . 4 . 2 . 1 测量前准备

　　测量前准备按 4. 4. 2 . 1 执行。

　　5 . 4 . 2 . 2 测量步骤

　　测量步骤如下。

　　a) 按图 4 所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备,按图 2 b)所示布置声场。

　　b) 开启所有仪器设备,预热 15 min。

　　c) 设置信号源输出信号的类型(脉冲信号) 、幅度和频率,设置滤波器的滤波频率。

　　d) 将激光器输出光功率调节至合适值,确保光电探测器的输入端不过载,其输出信噪比应不小于20 dB。

　　e) 在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器,检查标准水听器输出的电压信号,其信噪比应不小于 20 dB;检查干涉条纹信号,确保干涉光相移量所对应的贝塞尔函数比值在单调区间内。

　　f) 根据 5 . 1 所述的原理,用频谱分析仪测得干涉光信号的谐波,查表得到对应的干涉光相移量Φ,同时用示波器测得标准水听器的输出电压 up 。

　　g) 将标准水听器的输出电压和干涉型光纤水听器的干涉光相移进行比较,按公式(6)计算得到干涉型光纤水听器的相移灵敏度级。

　　h) 重复上述步骤 c)~g),完成其他频率的测量。

　　5 . 5 测量不确定度

　　按要求进行测量时,贝塞尔函数比值法测得的干涉型光纤水听器相移灵敏度级的测量不确定度不大于 1 . 5 dB(k=2) 。

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　　6 相位生成载波解调法

　　6 . 1 测量原理

　　干涉型光纤水听器经过外载波调制后 , 其输出光强信号可按公式(10)表示 。

　　I =A +Bcos[Ccos(w ct)+Φ(t)] …………………………( 10 )

　　式中:

　　Φ(t) — 干涉光相移信号 , 该信号随时间变化 , 单位为弧度(rad) ;

　　C — 调制度 , 与光纤折射率 、臂长差和调制方式有关 , 单位为弧度(rad) ;

　　wc — 调制信号角频率 , wc =2πfc, f c 为外载波调制信号频率 , 单位为赫兹(Hz) 。

　　将公式(10)进行贝塞尔函数展开 , 得到公式(11) 。

　　…………( 11 )

　　对调制后的干涉光信号进行混频 , 将公式(11)分别乘以 cos(w ct)和 cos(2w ct) , 得到公式(12)和公式(13) 。

　　注 : 通常要求外载波调制信号频率 f c 不小于声信号频率 f s 的 2 . 5 倍 。

　　对公式(12)和公式(13)进行低通滤波 , 除 Φ(t)以外 , 所有含 wc 及其倍频项均被滤去 。此时 , 公式(12)和公式(13)中的两路信号分别变化为公式(14)和公式(15) 。

　　I 1LP =—BJ1 (C) sin[Φ(t) ] …………………………( 14 )

　　I 2LP =—BJ2 (C) cos[Φ(t) ] …………………………( 15 )

　　式中:

　　I 1LP、I 2LP—I 1 和 I 2 分别经过低通滤波后得到的两路信号 。

　　采用微分交叉相乘技术 , 对公式(14)和公式(15)两路信号分别进行微分运算 , 得到公式(16)和公式(17) 。

　　.

　　I 1d =—BJ1 (C)Φ(t) cos[Φ(t)] …………………………( 16 )

　　.

　　I 2d =BJ2 (C)Φ(t)sin[Φ(t)] …………………………( 17 )

　　式中:

　　I 1d 、I 2d —I 1LP和 I 2LP分别经过微分运算后的两路信号 。

　　对两路信号进行交叉相乘后 , 得到公式(18)和公式(19) 。

　　.

　　I 1LP × I 2d =—B2 J1 (C)J2 (C)Φ(t) sin2 [Φ(t)] …………………( 18 )