本发明涉及光纤水听器领域，具体涉及一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路及其稳定性测试的方法。
背景技术：
随着潜艇制造技术的日益提升，尤其以美国和俄罗斯先进潜艇为代表，其在水下运行时的噪声不断降低，探测难度逐渐增大，这对反潜作战带来巨大挑战。传统的压电水听器由于灵敏度较低、动态范围较小等缺点已无法满足水下反潜的实战需要，以光纤传感为基础的干涉型光纤水听器以其突出的技术优势受到国内外海军科研机构的青睐，并得到广泛应用。干涉型光纤水听器的突出优点包括：声压灵敏度高，动态范围大，不受电磁干扰，响应频带宽等。
信号检测技术是干涉型光纤水听器的关键技术之一，主要包括零差解调法和外差解调法。在零差解调法中，外界环境扰动等因素引起的初相位随机漂移会导致信号衰落，因此，通常选用外差解调法进行信号检测。外差解调法优点是利用光频外差产生相对较高的频率调制，有效克服环境扰动的影响，同时还具有信号带宽大、易于构成多基元时分复用等特点。常用的硬件电路主要包括声光调制器驱动源以及数字电路处理部分。
在外差解调法中，通常采用声光调制器驱动源驱动声光调制器对光路进行移频，以便产生光频外差。在光纤水听器的应用、施工或试验场所，环境通常比较恶劣，外界环境(如温度变化、振动、冲击等)可能会引起声光调制器驱动源的输出信号频率发生变化，同时输出信号频率的稳定度会影响声光调制器移频的准确度。
采用外差解调法对干涉型光纤水听器系统进行信号解调，通常采用数字电路解调处理，同样如上所述，在恶劣外界环境影响下，数字电路的工作稳定性可能会发生变化，如晶振输出频率不稳定等，并进一步引起数字电路的工作时钟或时序发生变化，产生时序竞争，导致数字电路解调结果不准确，同时测试方法繁琐，所用时间长，尤其在现场测试时间有限的条件下，大大降低了测试效率。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路及其稳定性的方法，在不改变现有系统结构条件下，使得测试方法简单、快捷；同时可以进行现场编程，有效提高测试效率。
本发明解决的技术方案为：一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路，其特征在于包括：声光调制器驱动源(1)、a/d转换模块(2)和信号处理模块(3)；其中，
声光调制器驱动源(1)输出的连续模拟信号经sma接口屏蔽线进入a/d转换模块(2)的输入端，经a/d转换后变成数字信号由输出端进入信号处理模块(3)；信号处理模块(3)采用信号分析处理方法，得到信号频谱特性。
还包括显示模块(4)；显示模块(4)与所述信号处理模块(3)相连接；信号处理模块(3)得到的信号频谱特性送至显示模块(4)进行显示。
一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性测试的方法，步骤如下：
(1)声光调制器驱动源(1)产生一个正弦波信号；
(2)将步骤(1)的正弦波信号经过a/d转换模块(2)进行a/d转换后变成数字信号，送至信号处理模块(3)；
(3)信号处理模块(3)接收步骤(2)的数字信号，对数字信号采用信号分析处理方法，得到信号频谱特性；
(4)对频谱特性中得到的信号频谱值进行判断，若频谱值在设定的范围内，则判定声光调制器驱动源(1)工作稳定；否则判定声光调制器驱动源(1)工作不稳定。
步骤(3)对数字信号采用信号分析处理方法，得到信号频谱特性，步骤如下：
信号处理模块(3)设置另一数字信号为本振信号，该本振信号与步骤(2)产生的正弦波信号对应的数字信号混频后，经过低通滤波，保留低频信号，对该低频信号进行频谱分析，得到低频信号的频谱值；
信号处理模块(3)设置的本振信号为正弦波信号，信号频率为150k赫兹～250k赫兹。
信号处理模块(3)，包括：高速数字处理器；高速数字处理器内部具有产生信号波形、乘法器和低通滤波的功能。
信号处理模块(3)接收步骤(2)的数字信号，对数字信号采用信号分析处理方法步骤如下：
(1)信号处理模块(3)接收来自于a/d转换模块(2)的数字信号ys，ys对应的标称频率值为fss；
(2)根据数字信号ys，信号处理模块(3)产生与数字信号ys不同频率，但同一量级的本振信号yr，yr对应的标称频率值为frs；
(3)将本振信号yr与数字信号ys混频相乘，并进行低通滤波得到信号表达式ylp；
(4)将信号表达式ylp进行频谱分析，得到最大峰值功率对应的频率fe；
信号处理模块(3)判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性，包括以下步骤：
将频率fe与对应的标称频率差ft进行比较得到频率偏差δf，并根据频率偏差δf的有效范围，判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性是否良好，若频率偏差δf在频率偏差δf的有效范围内，则判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性好，否则判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性不好，其中，ft＝fss-frs
数字信号ys为：
其中，fs为数字信号频率，a为直流分量，b为交流电压幅，
本振信号yr为：
其中，fr为本振信号频率，c为直流分量，d为交流电压幅值，
信号表达式ylp为：
其中，fr-fs为低通滤波信号频率，e为直流分量，f为交流电压幅值，
信号表达式fe为：fe＝fr-fs；信号表达式ft为：ft＝fss-frs；信号表达式δf为δf＝fe-ft。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用直接终端测量验证的方法，有效避免分别测试声光调制器驱动源和数字电路解调处理部分，测量方法精度高，简单，快捷，全面验证系统硬件电路的稳定性。
(2)本发明测试方法不改动干涉型光纤水听器系统已有结构，保证水听器系统测试前后的一致性，有效避免声光调制器驱动源和数字电路解调处理部分引入新的干扰信号
(3)本发明测试方法无需在水中收放干涉型光纤水听器系统的阵缆部分，尤其在条件恶劣的外场条件下，避免对阵缆造成损坏，可以有效提高试验效率。
(4)本发明采用数字电路进行信号解调处理，电路结构简单，实时性好，可移植性好，现场编程能力强，便于及时编程测试。
(5)本发明通过数字采集声光调制器驱动源输出正弦信号，经数字混频和低通滤波，最后进行频谱分析，进而判断系统稳定性的方案，具有准确快速判定，省时省力，不增加硬件成本的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的外差干涉式光纤水听器硬件电路结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的数字电路信号分析处理方法的流程图；
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路及其稳定性测试的方法，对声光调制器驱动源输出的正弦信号进行数字采集，并与高速数字处理器内产生的本振信号进行混频，并经低通滤波和频谱分析，比较频率偏差的有效范围，进而判断外差干涉式光纤水听器硬件电路的稳定性。这种直接终端测量验证的方法，测量精度高，简单，快捷，省时省力；不改动干涉型光纤水听器系统已有结构，有效避免声光调制器驱动源和数字电路解调处理部分引入新的干扰信号；测试方法无需在水中收放干涉型光纤水听器系统的阵缆部分，避免对阵缆造成损坏，有效提高试验效率；采用数字电路进行信号解调处理，电路结构简单，实时性好，可移植性好，现场编程能力强，便于及时编程测试。
外差干涉式光纤水听器以灵敏度高，重量轻、便于布放等优点成为海军反潜的利器，主要用于探测潜艇或无人潜航器水下移动目标。外差干涉式光纤水听器硬件电路用于水声信号的解调处理，因此外差干涉式光纤水听器硬件电路的稳定性会直接影响水声信号解调的稳定性。
图1示出了本发明实施例提供的一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路结构图。如图1所示，该外差干涉式光纤水听器硬件电路结构包括声光调制器驱动源1、a/d转换模块2、信号处理模块3和显示模块4。其中，
声光调制器驱动源1输出的连续模拟信号经sma接口屏蔽线进入a/d转换模块2的输入端，经a/d转换模块2转换后变成数字信号由输出端进入信号处理模块3；信号处理模块3采用信号分析处理方法，得到信号频谱特性，并传输至显示模块4进行显示。
具体实施时，声光调制器驱动源1输出的连续模拟信号为固定频率的正弦波。声光调制器驱动源1功耗较大，产生热量多，需进行有效散热，并有效隔离热量对a/d转换模块2和信号处理模块3的影响。sma接口屏蔽线实现声光调制器驱动源1输出连续模拟信号到a/d转换模块2输入端的连接，sma接口可以避免信号衰减，屏蔽线可以避免连续模拟信号在传输过程中引入外界噪声。选用a/d转换模块2时，建议选用采样频率可调、低噪声集成芯片，便于满足不同条件的测试。a/d转换模块2和信号处理模块3建议处于同一块电路板中，可以有效降低系统噪声。信号处理模块3主要包括高速数字处理器，高速数字处理器内部具有产生信号波形、乘法器和低通滤波的功能，建议选用定点型fpga。
信号处理模块3经网口把得到的信号频谱特性传输至显示模块4进行显示。外差干涉式光纤水听器的现场使用在海洋环境中，显示模块4需具有防潮湿、防霉菌和防盐雾功能，同时在温度+40℃～-25℃范围内能正常工作。
本实施例提供了一种自测外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性测试的方法，其特征在于：
(1)声光调制器驱动源1产生一个正弦波信号，正弦波信号幅值优选设为0.5v～1.5v之间，频率优选为200k赫兹，此参数设置主要因素包括:输入信号信噪比、声光调制器驱动源1的工作稳定性、a/d转换模块2的输入量程和采样速率、外差干涉式光纤水听器感知的水中声波频率范围；
(2)将步骤(1)的正弦波信号经过a/d转换模块2进行a/d转换后变成数字信号ys，并送至信号处理模块3，其中ys对应的标称频率值为fss；
(3)信号处理模块3中的fpga内部dds产生与数字信号ys不同频率，但同一量级的本振信号yr，信号形式为正弦波，yr对应的标称频率值为frs，频率范围优选为150k赫兹～250k赫兹，数字量幅值对应的模拟电压范围优选在0.5v～1.5v之间；
(4)在信号处理模块3中的fpga内部完成本振信号yr与数字信号ys混频相乘，并进行低通滤波，得到低频信号表达式ylp，其中低通滤波器设置成fir形式，有利于保持信号的相位信息不丢失，同时截止频率优选设为ylp频率的2倍～4倍；
(5)对信号表达式ylp进行频谱分析，即可得到最大峰值功率对应的频率fe，此数字电路结构简单，实时性好，可移植性好，现场编程灵活，便于及时编程测试；
(6)得到标称频率差ft＝fss-frs，并把fe与ft进行比较得到频率偏差δf，并根据频率偏差δf的有效范围是否在优选的±0.1khz内，可以准确快速判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性是否良好，省时省力，不增加硬件成本；若频率偏差δf在频率偏差δf的有效范围内，则判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性好，否则判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性不好。在测试时无需把感知水中声波信号的阵缆部分置于水中，尤其在条件恶劣的外场条件下，既可以保证的安全，同时也避免对阵缆造成损坏，有效提高试验效率；
(7)信号处理模块3把频谱特性传输至显示模块4进行显示，这种直接终端测量验证的方法，测量方法精度高，简单，快捷，并在不改动干涉型光纤水听器系统已有结构，保证了水听器系统测试前后的一致性，有效避免声光调制器驱动源和数字电路解调处理部分引入新的干扰信号。
根据图2所示提供的数字电路信号分析处理方法的流程图以及图3所示的本发明的流程图对处理方法的步骤进行描述：
(1)由声光调制器驱动源1输出的模拟电信号经a/d转换2变成数字信号，并进入信号处理模块3，信号表达式为：
其中，fs为数字信号频率，a为直流分量，b为交流电压幅，
(2)信号处理模块3内部的dds产生与ys同一频率量级，但不同频率的本振信号，输出信号表达式为：
其中，fr为本振信号频率，c为直流分量，d为交流电压幅值，
(3)在信号处理模块3内部，将ys和yr进行相乘并进行低通滤波，滤除信号高频部分，得到低频信号，信号表达式为：
其中，fe＝fr-fs为低通滤波信号频率，e为直流分量，f为交流电压幅值，
(4)对上式进行频谱分析，得到最大峰值功率对应的频率点fe，其表达式为：
fe＝fr-fs，
(5)对(1)中fss和(2)中frs频率相减，得到标称频率差ft，其表达式为：
ft＝fss-frs，
(6)将上式与(4)fe中进行比较得到频率偏差δf，其表达式为：
δf＝fe-ft，
(7)根据频率偏差δf的有效范围判断外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性是否良好。
根据图3所示的本发明的流程图以及图2所示提供的数字电路信号分析处理方法的流程图，以下示出本发明的优选实施例。
(1)声光调制器驱动源1输出的正弦波信号经过a/d转换模块2进行a/d转换后变成数字信号ys，其表达式为：
其中，fs为数字信号频率，b为交流电压幅1v，
(2)信号处理模块3中的fpga内部dds产生本振信号yr，其表达式为：
其中，fr为本振信号频率，d为交流电压幅值1v，
(3)在信号处理模块3中的fpga内部完成本振信号yr与数字信号ys混频相乘，并进行低通滤波，得到低频信号表达式ylp：
其中，fe＝fr-fs为低通滤波信号频率，f为交流电压幅值，
(4)对ylp进行频谱分析，得到最大峰值功率对应的频率点fe，其表达式为：
fe＝fr-fs，
(5)对(1)中fss和(2)中frs频率相减，得到标称频率差ft，其表达式为：
ft＝fss-frs，
(6)将(5)中ft与(4)fe中进行比较得到频率偏差δf，其表达式为：
δf＝fe-ft，
(7)根据频率偏差δf的有效范围是否在±0.1khz内来判断外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性是否良好。
选用上述优选实施例的参数，可以使(3)中低通滤波器阶数降低40％，进而使数字电路信号分析处理程序的编译运行时间缩短20％，进一步提高了现场测试效率。
根据图3所示的本发明的流程图以及图2所示提供的数字电路信号分析处理方法的流程图，以下示出本发明优选实施例中参数之间的关系。
(1)声光调制器驱动源1输出的模拟电信号经a/d转换2变成数字信号，信号表达式为：
其中，fs为数字信号频率，a为直流分量，b为交流电压幅，
信号处理模块3内部的dds产生本振信号，信号表达式为：
其中，fr为本振信号频率，c为直流分量，d为交流电压幅值，
当本振信号yr与数字信号ys在信号处理模块3中的fpga内部完成混频相乘后，并进行低通滤波。如果本振信号yr与数字信号ys分别包含直流分量a和c，混频相乘后的信号包括多余的频率成分fs和fr，为除去此频率成分，需将低通滤波的过渡带变窄，这样即增加低通滤波器阶数，同时也增加程序复杂度以及程序编译运行时间。因此，优选方案中，直流分量a和c均为0。
(2)在信号处理模块3中的fpga内部实现本振信号yr与数字信号ys完成混频相乘后，在直流分量a和c均为0时，得到信号表达式：
其中，b*d/2表示混频信号幅值，fa＝fr+fs表示混频信号高频部分，fe＝fr-fs表示混频信号低频部分。
混频信号ym经fpga内部的fir低通滤波后，高频部分fa被滤除，只保留混频低频部分fe，即得到低频信号表达式ylp：
其中，fe＝fr-fs为低通滤波信号频率，f为交流电压幅值，
在混频信号ym幅值b*d/2经fir低通滤波后变成交流电压幅值f，由于fir低通滤波系数为16位有符号数，根据fir低通滤波的乘累加原理，b*d数字信号最优值应小于等于216，此时输出交流电压幅值f的最大数字值位宽为32位。如果b*d数字信号值大于216，经fir低通滤波后，交流电压幅值f的数字值位宽大于32位，在信号频谱分析时，需进行截位，数字信号截位会产生多余的频率分量，对最终的频谱分析带来干扰因素，甚至引起错误分析，同时也增加了数字电路信号分析处理程序的复杂度，容易引起时序信号竞争。
基于图3所示的本发明的流程图，图2所示提供的数字电路信号分析处理方法的流程图以及上述优选实施例参数，本发明的测试方法如下：
(1)对外差干涉式光纤水听器硬件电路进行通电，并按照优选实施例中的(1)和(2)分别设置数字信号ys和本振信号yr；
(2)编译运行数字电路信号分析处理程序，并把程序烧写至信号处理模块3中的fpga内；
(3)在显示模块4中观察信号频谱特性，并判定外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性是否良好。
效果分析：外差干涉式光纤水听器的应用、施工或试验场所一般在海洋环境中，环境通常比较恶劣，如大风大浪、低温或高温、潮湿，外界环境如温度、振动、冲击等可能会引起声光调制器驱动源1的输出信号频率发生变化，同时输出信号频率的稳定度会影响声光调制器移频的准确度，进而引起信号处理模块3输出的信号频谱特性在显示模块4中显示异常，如信号出现尖峰毛刺、畸变或溢出。当存在此现象时，常规情况下，试验人员首先需对感知水中声波信号的阵缆部分进行位置调整、深度变化或更换试验海域，或更换同样设计规格的备用阵缆；其次，对外差干涉式光纤水听器硬件电路设备箱进行开封，逐点测试查找，分析所有器件是否工作正常。根据试验人员的多次现场测试经验，此两种情况所需时间至少需要12小时，所需试验人员至少5人；同时对电路箱开封测试又降低了设备的密封性，增加了光纤水听器系统工作的不稳定因素。采用本发明的测试方法，无需下放感知水中声波信号的阵缆部分以及电路箱的开封测试，即可对外差干涉式光纤水听器硬件电路稳定性进行测试，所需时间约2个小时，所需试验人员最多2人。由此判断，本发明测试效率比原来提高80％，同时人力成本至少降低1.5倍。
本发明采用直接终端测量验证的方法，有效避免对声光调制器驱动源和数字电路解调处理部分分别进行测试，测量方法精度高，简单，快捷，可以全面验证系统硬件电路的稳定性，尤其在条件恶劣的外场条件下，无需在水中收放干涉型光纤水听器系统的阵缆部分，即可进行测试验证系统硬件电路对环境的稳定性，既避免了对阵缆造成损坏，又保证了试验人员与设备的安全性，同时也有效提高了试验效率；并且本发明在测试验证时，无需改动干涉型光纤水听器系统已有结构，使水听器系统保持测试前后的一致性，有效保证系统稳定性不受测试验证的影响；并且本发明采用fpga数字电路进行信号解调处理，电路结构简单，实时性好，可移植性好，现场编程能力强，便于及时编程测试，大大提高试验测试效率。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。