(高清版)GBT 42559-2023 聲學(xué) 干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度測(cè)量

聲學(xué)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度測(cè)量I前言 1范圍 2規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)和定義 4干涉條紋計(jì)數(shù)法 24.1測(cè)量原理 24.2測(cè)量裝置 44.3測(cè)量條件 54.4測(cè)量方法 54.5測(cè)量不確定度 75貝塞爾函數(shù)比值法 75.1測(cè)量原理 75.2測(cè)量裝置 75.3測(cè)量條件 85.4測(cè)量方法 85.5測(cè)量不確定度 96相位生成載波解調(diào)法 6.1測(cè)量原理 6.2測(cè)量裝置 6.3測(cè)量條件 6.4測(cè)量方法 6.5測(cè)量不確定度 7差分延時(shí)外差解調(diào)法 7.1測(cè)量原理 7.2測(cè)量裝置 7.3測(cè)量條件 7.4測(cè)量方法 7.5測(cè)量不確定度 83×3耦合器相位解調(diào)法 8.1測(cè)量原理 8.2測(cè)量裝置 8.3測(cè)量條件 8.4測(cè)量方法 8.5測(cè)量不確定度 Ⅱ附錄A(規(guī)范性)干涉型光纖水聽(tīng)器貝塞爾函數(shù)比值法干涉光相移量與貝塞爾比值關(guān)系表 附錄B(資料性)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度測(cè)量不確定度分析示例 參考文獻(xiàn) Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。本文件由中國(guó)科學(xué)院提出。本文件由全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC17)提出并歸口。本文件起草單位：中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一五研究所、北京大學(xué)、長(zhǎng)沙深之瞳信息科技有限公司、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所、北京科技大學(xué)。本文件主要起草人：陳毅、周利生、張敏、羅洪、劉英明、金曉峰、張軍、熊水東、賈廣慧、莫喜平、干涉型光纖水聽(tīng)器是一種相位調(diào)制型傳感器，它具有抗電磁干擾、靈敏度高、體積小、頻帶響應(yīng)寬、易于大規(guī)模成陣等特點(diǎn)，在聲吶裝備研制、海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)和海洋資源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。相移靈敏度是反映干涉型光纖水聽(tīng)器性能最為本質(zhì)的參數(shù)。隨著國(guó)內(nèi)從事干涉型光纖水聽(tīng)器研制、生產(chǎn)和使用單位的增多，為客觀評(píng)價(jià)干涉型光纖水聽(tīng)器的聲學(xué)性能，需要建立相移靈敏度測(cè)量方法，推動(dòng)干涉型光纖水聽(tīng)器的實(shí)用化進(jìn)程。根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，本文件為用戶(hù)提供了干涉條紋計(jì)數(shù)法、貝塞爾函數(shù)比值法、相位生成載波解調(diào)法、差分延時(shí)外差解調(diào)法和3×3耦合器相位解調(diào)法5種相移靈敏度測(cè)量方法，適應(yīng)國(guó)內(nèi)眾多單位對(duì)干涉型光纖水聽(tīng)器的測(cè)量需求，實(shí)現(xiàn)相移靈敏度測(cè)量方法與量值的統(tǒng)一。1聲學(xué)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度測(cè)量本文件描述了用干涉條紋計(jì)數(shù)法、貝塞爾函數(shù)比值法、相位生成載波解調(diào)法、差分延時(shí)外差解調(diào)法和3×3耦合器相位解調(diào)法測(cè)量干涉型光纖水聽(tīng)器聲壓相移靈敏度的測(cè)量原理、測(cè)量裝置、測(cè)量條件、測(cè)量方法和測(cè)量不確定度。本文件適用于10Hz～20kHz頻率范圍內(nèi)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度的測(cè)量。注：當(dāng)上述方法給出的相移靈敏度級(jí)測(cè)量結(jié)果偏差超過(guò)3dB時(shí)，以干涉條紋計(jì)數(shù)法測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T3947—1996聲學(xué)名詞術(shù)語(yǔ)GB/T4130—2017聲學(xué)水聽(tīng)器低頻校準(zhǔn)方法GB/T7965—2002聲學(xué)水聲換能器測(cè)量GB/T14733.12—2008電信術(shù)語(yǔ)光纖通信JJG449—2014倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T3947—1996、GB/T4130—2017、GB/T7965—2002和GB/T14733.12—2008界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。把光導(dǎo)纖維作為敏感元件并利用光干涉原理制成的水聽(tīng)器。注：其特性表現(xiàn)為干涉光相移量與聲場(chǎng)中聲壓的變化成一定的比例關(guān)系。φ因外界信號(hào)作用導(dǎo)致的干涉型光纖水聽(tīng)器傳感臂與參考臂干涉光信號(hào)的相位差。干涉條紋計(jì)數(shù)法interferometricfringecountingmethod通過(guò)獲取干涉型光纖水聽(tīng)器輸出的干涉條紋數(shù)量，得到由外界信號(hào)作用引起的干涉型光纖水聽(tīng)器干涉光相移量的方法。對(duì)干涉型光纖水聽(tīng)器輸出的干涉信號(hào)進(jìn)行貝塞爾級(jí)數(shù)展開(kāi)，由信號(hào)三次諧波與基波(或四次諧波與2GB/T42559—2023二次諧波)之比。相位生成載波解調(diào)法phasegeneratedcarrierdemodulationmethod對(duì)相位載波調(diào)制后的干涉型光纖水聽(tīng)器輸出的干涉光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，得到干涉型光纖水聽(tīng)器干涉光相移量的方法。差分延時(shí)外差解調(diào)法differentialdelayheterodynedemodulationmethod利用生成的差分延時(shí)外差光脈沖對(duì)，經(jīng)過(guò)干涉型光纖水聽(tīng)器后形成外差干涉光信號(hào)，通過(guò)解調(diào)處理得到干涉型光纖水聽(tīng)器干涉光相移量的方法。3×3耦合器相位解調(diào)法phasedemodulationmethodusing3×3coupler利用3×3耦合器三端輸出干涉光信號(hào)相位相差2π/3的特性，對(duì)干涉型光纖水聽(tīng)器輸出光信號(hào)進(jìn)行相位解調(diào)，得到干涉型光纖水聽(tīng)器干涉光相移量的方法。標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器standardhydrophone用作水聲計(jì)量的、性能穩(wěn)定并經(jīng)過(guò)絕對(duì)校準(zhǔn)的換能器。常作為建立水中聲壓基準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)器，并借此傳遞聲壓量值。[聲壓]相移靈敏度[soundpressure]phase-shiftedsensitivityM?由聲壓信號(hào)作用引起的干涉型光纖水聽(tīng)器干涉光相移量與聲場(chǎng)中引入干涉型光纖水聽(tīng)器前存在于干涉型光纖水聽(tīng)器參考中心位置處的自由場(chǎng)聲壓之比值，用公式(1)表示：φ——干涉光相移量，單位為弧度(rad);p——自由場(chǎng)聲壓，單位為帕(Pa)。注：[聲壓]相移靈敏度的單位為弧度每帕(rad/Pa)。3.10相移靈敏度與基準(zhǔn)相移靈敏度之比取以10為底的對(duì)數(shù)乘以20,用公式(2)表示：式中：Mgr——基準(zhǔn)相移靈敏度，M=1rad/μPa。4干涉條紋計(jì)數(shù)法4.1測(cè)量原理干涉型光纖水聽(tīng)器在水中聲波作用下輸出的干涉光信號(hào)的光強(qiáng)可用公式(3)表示：3干涉信號(hào)I/V干涉信號(hào)I/V式中：I——干涉型光纖水聽(tīng)器輸出的干涉光強(qiáng)電壓信號(hào)，單位為伏(V);A——干涉光信號(hào)的直流分量，單位為伏(V);B——干涉光信號(hào)的交流分量，單位為伏(V);φ——干涉型光纖水聽(tīng)器輸出的干涉光相移量，單位為弧度(rad);w?！曅盘?hào)的角頻率，o。=2πf.,f.為聲信號(hào)頻率，單位為赫茲(Hz);o(t)——外界環(huán)境因素影響產(chǎn)生的相位差，單位為弧度(rad);t——時(shí)間，單位為秒(s)。圖1給出了典型的干涉型光纖水聽(tīng)器干涉信號(hào)的時(shí)域波形，該信號(hào)存在著明顯的周期性。a)n=1圖1干涉條紋時(shí)域波形圖每當(dāng)干涉光相移量φ為n個(gè)整數(shù)π弧度時(shí)，干涉信號(hào)條紋的波峰與波谷之間沿著時(shí)間軸存在一條交叉直線(xiàn)(如圖1中虛線(xiàn)所示),此時(shí)，干涉信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)的條紋數(shù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)整數(shù)n。按公式(4)計(jì)算，得到干涉型光纖水聽(tīng)器在聲場(chǎng)作用下輸出的干涉光相移量φ。φ=nπ(n≥1,n為整數(shù))………(4)在10Hz～1kHz頻率范圍內(nèi)，采用GB/T4130—2017中推薦的方法進(jìn)行測(cè)量。如圖2a)所示，將干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器同時(shí)放置在駐波管同一深度處，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓和干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移，得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)[見(jiàn)公式(5)]。式中：U,——標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出的輸出電壓幅值，單位為伏(V);M?——標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的聲壓靈敏度級(jí)，單位為分貝(dB)(參考值為1V/μPa)。在1kHz～20kHz頻率范圍內(nèi)，采用GB/T7965—2002中推薦的方法進(jìn)行測(cè)量。如圖2b)所示，將干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器同時(shí)放置在水下同一深度處，標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器與發(fā)射換能器之間的距離為d?,干涉型光纖水聽(tīng)器與發(fā)射換能器之間的距離為dφ,分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓和干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移，得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)[見(jiàn)公式(6)]。LM。=20lgφ-201gU,+20lgdφ-20lgd?+M? (6)式中：dφ——發(fā)射換能器參考中心與干涉型光纖水聽(tīng)器參考中心之間的距離，單位為米(m);d?——發(fā)射換能器參考中心與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器參考中心之間的距離，單位為米(m)。4a)駐波管比較法b)自由場(chǎng)比較法圖2光纖水聽(tīng)器測(cè)量原理圖注：GB/T4130—2017和GB/T7965—2002中推薦的其他方法在滿(mǎn)足測(cè)量要求的情況下也適用于水聲聲壓量的測(cè)量，開(kāi)展干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度測(cè)量時(shí)，測(cè)量不確定度根據(jù)所采用的方法進(jìn)行評(píng)定。4.2測(cè)量裝置圖3給出了干涉型光纖水聽(tīng)器干涉條紋計(jì)數(shù)法測(cè)量裝置組成框圖，主要由標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器、激光器、光電探測(cè)器、數(shù)字示波器、濾波器、信號(hào)源和功率放大器等設(shè)備組成。測(cè)量時(shí)，發(fā)射換能器在信號(hào)源和功率放大器激勵(lì)下，在水中產(chǎn)生測(cè)量所需的聲信號(hào)。激光器產(chǎn)生光信號(hào)入射到干涉型光纖水聽(tīng)器中，在水中聲波作用下產(chǎn)生類(lèi)似圖1所示的干涉條紋，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，由示波器進(jìn)行顯示和計(jì)數(shù)，得到干涉光相移量φ。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制該裝置完成標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的采集與處理，利用數(shù)字示波器即可測(cè)得其輸出電壓幅值U,。通常，駐波管中的測(cè)量頻率范圍不小于100Hz~1kHz;自由場(chǎng)中的測(cè)量頻率范圍不小于1kHz～20kHz。光電探測(cè)器光電探測(cè)器光干涉信號(hào)數(shù)字示波器觸發(fā)十涉型光纖水聽(tīng)器水聽(tīng)器計(jì)算機(jī)濾波器激光器圖3干涉條紋計(jì)數(shù)法測(cè)量裝置組成框圖注：干涉條紋計(jì)數(shù)法測(cè)量頻率的上限和下限通常受聲場(chǎng)條件及干涉型光纖水聽(tīng)器自身的影響。在對(duì)其進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要求聲場(chǎng)中的聲壓級(jí)要足夠高，確保其能夠調(diào)制到π弧度以上。另外，對(duì)于某些干涉型光纖水聽(tīng)器，在100Hz以下，干涉條紋信號(hào)會(huì)發(fā)生畸變，干涉條紋的波形難以計(jì)數(shù)，導(dǎo)致測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。54.3測(cè)量條件駐波管要求如下。a)工作頻率范圍不小于10Hz～1kHz。b)通常為垂直開(kāi)口向上的厚壁剛性圓柱形腔體；腔體內(nèi)充滿(mǎn)測(cè)量媒質(zhì)，通常為蒸餾水；發(fā)射換能器安裝在聲管的底部或采用振動(dòng)臺(tái)推動(dòng)。c)駐波管內(nèi)液柱的高度應(yīng)大于液柱的直徑，并小于最高測(cè)量頻率所對(duì)應(yīng)的液體聲波波長(zhǎng)的1/4。自由場(chǎng)要求如下：a)工作頻率范圍不小于1kHz～20kHz;b)為全消聲或者半消聲水池；c)測(cè)量通常使用脈沖信號(hào)，水池尺寸、脈沖寬度以及測(cè)量距離滿(mǎn)足GB/T7965—2002的要求。測(cè)量用主要儀器設(shè)備的功能、性能要求如下。a)信號(hào)源：工作頻率范圍不小于10Hz～20kHz,最大輸出電壓不小于10Vp,頻率示值誤差不大于±0.5%。b)功率放大器：工作頻率范圍不小于10Hz～20kHz,失真系數(shù)不大于2%,功率不小于100W。c)發(fā)射換能器：工作頻率范圍不小于10Hz～1kHz(駐波管)和1kHz～20kHz(自由場(chǎng)),在干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器所在處的聲壓級(jí)不低于140dB。d)濾波器：濾波范圍不小于10Hz～20kHz,滿(mǎn)足JJG449—2014對(duì)2級(jí)1/3倍頻程濾波器的要求。e)數(shù)字示波器：帶寬不小于500MHz,通道數(shù)不小于2個(gè)，信號(hào)幅度測(cè)量誤差不大于±2%。f)激光器：工作波長(zhǎng)范圍不大于1200nm～1600nm,光功率不小于10mW,功率穩(wěn)定度優(yōu)于g)光電探測(cè)器：工作波長(zhǎng)范圍不大于1200nm～1600nm,帶寬不小于100kHz。h)標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器：工作頻率范圍不小于10Hz～20kHz,聲壓靈敏度級(jí)與干涉型光纖水聽(tīng)器之差不大于40dB,測(cè)量不確定度不大于0.7dB(k=2)。注：由于干涉型光纖水聽(tīng)器的靈敏度較高，標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器通常自帶前置放大器。若標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器不帶前置放大器，在將其接入測(cè)量裝置時(shí)，通常需要進(jìn)行前置放大和阻抗匹配。i)鋼直尺：長(zhǎng)度不小于30cm,長(zhǎng)度測(cè)量的最大允許誤差不大于±1mm。j)卷尺：長(zhǎng)度不小于3m,長(zhǎng)度測(cè)量的最大允許誤差不大于±1mm。4.4測(cè)量方法測(cè)量前的準(zhǔn)備工作如下。a)將蒸餾水或其他媒質(zhì)慢慢灌入駐波管。b)用無(wú)腐蝕作用的洗滌劑擦洗干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器表面，在水中浸泡至少1h。c)測(cè)量時(shí)，將干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器固定在測(cè)量支架上，保證其位于同一入水深度。若6采用置換法，則可在測(cè)量過(guò)程中將干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器分別固定在測(cè)量支架上，并確保其聲中心位于同一位置。d)調(diào)節(jié)干涉型光纖水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的入水深度d以及液柱的液面高度H,使入水深度d與液面高度H之間的關(guān)系滿(mǎn)足d=(1/3～2/3)H為宜。測(cè)量步驟如下。a)按圖3所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2a)所示布置聲場(chǎng)。b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min。c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(連續(xù)信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調(diào)節(jié)至合適值，確保光電探測(cè)器的輸入端不過(guò)載，其輸出電信號(hào)的信噪比應(yīng)不小于20dB。e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓，其信噪比應(yīng)不小于20dB;檢查干涉條紋信號(hào)，確保干涉光相移量能夠調(diào)制到π弧度及以上。f)觀察干涉條紋信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)源(或功率放大器)的輸出，使干涉條紋信號(hào)的干涉光相移量滿(mǎn)足φ=nπ,在相同聲場(chǎng)環(huán)境下通過(guò)示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓幅值Up。g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓幅值和干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移量進(jìn)行比較，按公式(5)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)。h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。測(cè)量前的準(zhǔn)備工作如下。a)用無(wú)腐蝕作用的洗滌劑清洗發(fā)射換能器、干涉型光纖水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器，在水中浸泡至少b)將發(fā)射換能器、干涉型光纖水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器安裝到測(cè)量支架上，固定在水下適當(dāng)深度處，使3個(gè)換能器的參考中心位于同一水平面上；若采用置換法，則可在測(cè)量過(guò)程中將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和干涉型光纖水聽(tīng)器分別固定在測(cè)量支架上，并確保兩個(gè)水聽(tīng)器在測(cè)量時(shí)位于水下聲場(chǎng)中的同一位置。c)調(diào)節(jié)發(fā)射換能器、干涉型光纖水聽(tīng)器與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器之間的距離，使它們滿(mǎn)足自由場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件。測(cè)量步驟如下。a)按圖3所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2b)所示布置聲場(chǎng)。b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min。c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(脈沖信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調(diào)節(jié)至合適值，確保光電探測(cè)器的輸入端不過(guò)載，其輸出電信號(hào)的信噪比應(yīng)不小于20dB。e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓，其信噪比應(yīng)不小于20dB;檢查干涉條紋信號(hào)，確保干涉光相移量能夠調(diào)制到π弧度及以上。f)觀察干涉條紋信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)源(或功率放大器)的輸出，使干涉條紋信號(hào)的干涉光相移量滿(mǎn)足7GB/T42559—2023φ=nπ,在相同聲場(chǎng)環(huán)境下通過(guò)示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓幅值Up。g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓幅值和干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移進(jìn)行比較，按公式(6)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)。h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。4.5測(cè)量不確定度按要求進(jìn)行測(cè)量時(shí)，干涉條紋計(jì)數(shù)法的測(cè)量不確定度應(yīng)不大于1.5dB(k=2)。5貝塞爾函數(shù)比值法5.1測(cè)量原理利用貝塞爾函數(shù)將公式(3)光強(qiáng)信號(hào)展開(kāi)，得到與聲信號(hào)相關(guān)的干涉光強(qiáng)信號(hào)的基波分量和各次諧波分量，見(jiàn)公式(7)。………(7)式中：光強(qiáng)的諧波分量可以表示為公式(8)。選用三次諧波分量與基波分量(或四次諧波分量與二次諧波分量)按公式(9)計(jì)算貝塞爾函數(shù)諧波分量幅度的比值。再根據(jù)附錄A中的表格進(jìn)行查表，得到貝塞爾函數(shù)的宗量φ,即干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移量。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制該裝置完成標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的采集與處理，利用數(shù)字示波器即可測(cè)得其輸出電壓幅值U,。5.2測(cè)量裝置圖4給出了干涉型光纖水聽(tīng)器貝塞爾函數(shù)比值法測(cè)量裝置組成框圖。該測(cè)量裝置與干涉條紋計(jì)數(shù)法基本類(lèi)似，增加了頻譜分析儀用于對(duì)干涉光信號(hào)的諧波進(jìn)行頻譜分析。8光電探測(cè)器光電探測(cè)器激光器信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)十涉型光纖水聽(tīng)器”水聽(tīng)袈發(fā)射換能器頻譜分析儀數(shù)字示波器觸發(fā)信號(hào)源功率放大器光入射信號(hào)計(jì)算機(jī)圖4貝塞爾函數(shù)比值法測(cè)量裝置組成框圖測(cè)量時(shí)，發(fā)射換能器在信號(hào)源和功率放大器激勵(lì)下，在水中產(chǎn)生測(cè)量所需的聲信號(hào)。激光器產(chǎn)生光信號(hào)入射到干涉型光纖水聽(tīng)器中，在水中聲波作用下產(chǎn)生干涉條紋，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。計(jì)算機(jī)控制頻譜分析儀采集干涉光信號(hào)，并完成諧波分析，計(jì)算得到干涉光相移量φ。同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制其他電子測(cè)量設(shè)備完成水下聲信號(hào)的采集與處理，得到標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓幅值U,,經(jīng)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)。通常，駐波管中的測(cè)量頻率范圍不小于100Hz～1kHz;自由場(chǎng)中的測(cè)量頻率范圍不小于1kHz～20kHz。注：貝塞爾函數(shù)比值法與干涉條紋計(jì)數(shù)法類(lèi)似，在低頻時(shí)容易受到波形畸變的影響(反映在頻譜分析上就是出現(xiàn)諧5.3測(cè)量條件駐波管的要求按4.3.1執(zhí)行。自由場(chǎng)的要求按4.3.2執(zhí)行。按4.3.3執(zhí)行。頻譜分析儀的功能、性能要求為：工作頻率范圍不小于10Hz～20kHz,幅值測(cè)量精度優(yōu)于0.25dB。5.4測(cè)量方法5.4.1駐波管比較法測(cè)量前準(zhǔn)備按執(zhí)行。9GB/T42559—2023測(cè)量步驟如下。a)按圖4所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2a)所示布置聲場(chǎng)。b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min。c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(連續(xù)信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調(diào)節(jié)至合適值，確保光電探測(cè)器的輸入端不過(guò)載，其輸出信噪比應(yīng)不小于e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出的電壓信號(hào)，其信噪比應(yīng)不小于20dB;檢查干涉條紋信號(hào)，確保干涉光相移量所對(duì)應(yīng)的貝塞爾函數(shù)比值在單調(diào)區(qū)間內(nèi)。f)根據(jù)5.1所述的測(cè)量原理，用頻譜分析儀測(cè)得干涉光信號(hào)的諧波，查表得到對(duì)應(yīng)的干涉光相移量φ,同時(shí)用示波器測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓Up。g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓和干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移進(jìn)行比較，按公式(5)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)。h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。測(cè)量前準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下。a)按圖4所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2b)所示布置聲場(chǎng)。b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min。c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(脈沖信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調(diào)節(jié)至合適值，確保光電探測(cè)器的輸入端不過(guò)載，其輸出信噪比應(yīng)不小于e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出的電壓信號(hào)，其信噪比應(yīng)不小于20dB;檢查干涉條紋信號(hào)，確保干涉光相移量所對(duì)應(yīng)的貝塞爾函數(shù)比值在單調(diào)區(qū)間內(nèi)。f)根據(jù)5.1所述的原理，用頻譜分析儀測(cè)得干涉光信號(hào)的諧波，查表得到對(duì)應(yīng)的干涉光相移量φ,同時(shí)用示波器測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓Up。g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓和干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移進(jìn)行比較，按公式(6)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)。h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。5.5測(cè)量不確定度按要求進(jìn)行測(cè)量時(shí)，貝塞爾函數(shù)比值法測(cè)得的干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)的測(cè)量不確定度不大于1.5dB(k=2)。6相位生成載波解調(diào)法6.1測(cè)量原理干涉型光纖水聽(tīng)器經(jīng)過(guò)外載波調(diào)制后，其輸出光強(qiáng)信號(hào)可按公式(10)表示。 式中：φ(t)—-干涉光相移信號(hào)，該信號(hào)隨時(shí)間變化，單位為弧度(rad);C——調(diào)制度，與光纖折射率、臂長(zhǎng)差和調(diào)制方式有關(guān)，單位為弧度(rad);wc——調(diào)制信號(hào)角頻率，w=2πf.,f。為外載波調(diào)制信號(hào)頻率，單位為赫茲(Hz)。將公式(10)進(jìn)行貝塞爾函數(shù)展開(kāi)，得到公式(11)。對(duì)調(diào)制后的干涉光信號(hào)進(jìn)行混頻，將公式(11)分別乘以cos(wet)和cos(2wet),得到公式(12)和公式(13)。對(duì)公式(12)和公式(13)進(jìn)行低通濾波，除φ(t)以外，所有含w。及其倍頻項(xiàng)均被濾去。此時(shí)，公式(12)和公式(13)中的兩路信號(hào)分別變化為公式(14)和公式(15)。IzLp=-BJ?(C)cos[φ(t)]………………式中：I?p、I?tp——I?和I?分別經(jīng)過(guò)低通濾波后得到的兩路信號(hào)。采用微分交叉相乘技術(shù)，對(duì)公式(14)和公式(15)兩路信號(hào)分別進(jìn)行微分運(yùn)算，得到公式(16)和公式(17)。式中：lu、I?a——lp和I?p分別經(jīng)過(guò)微分運(yùn)算后的兩路信號(hào)。對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行交叉相乘后，得到公式(18)和公式(19)。Iup×I?a=-B2J?(C)J?(C)φ(t)sin2[φ(t)]………………(18)GB/T42559—2023Izup×l?a=B2J?(C)J?(C)φ(t)cos2[φ(t)]將公式(19)和公式(18)相減積分后得到公式(20)。由公式(20)即可得到干涉光相移信號(hào)φ(t),圖5給出了基于微分交叉相乘的相位生成載波(PhaseGeneratedCarrier,PGC)解調(diào)法的調(diào)制解調(diào)過(guò)程。低通濾波coscut十涉信號(hào)/cos2m!-d/zp微分微分低通濾波/z圖5基于微分交叉相乘的PGC解調(diào)法調(diào)制解調(diào)過(guò)程通過(guò)PGC解調(diào)法調(diào)制解調(diào)得到干涉光相移信號(hào)φ(t)后，由光相位解調(diào)儀輸出相應(yīng)電壓信號(hào)U。(t),該信號(hào)與干涉光相移信號(hào)之間的關(guān)系為Uφ(t)=φ(t)。標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)為U。(t),如已知標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的聲壓靈敏度級(jí)M。,則根據(jù)公式(5)和公式(6),駐波管和自由場(chǎng)中干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)可表示為公式(21)?！?21)式中：U?！庀辔唤庹{(diào)儀輸出電壓信號(hào)U。(t)的有效值，單位為伏(V);U?！獦?biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)U?(t)的有效值，單位為伏(V)。6.2測(cè)量裝置圖6給出了干涉型光纖水聽(tīng)器相位生成載波解調(diào)法測(cè)量裝置組成框圖。該測(cè)量裝置增加了光相位外調(diào)制器和光相位解調(diào)儀，光相位外調(diào)制器用于產(chǎn)生外調(diào)制信號(hào)，光相位解調(diào)儀用于對(duì)調(diào)制后的干涉光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并輸出解調(diào)后的信號(hào)。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)光相位解調(diào)儀信號(hào)D/A信號(hào)濾波器信號(hào)調(diào)制器信號(hào)數(shù)字示波器信號(hào)源標(biāo)準(zhǔn)干涉型光纖水聽(tīng)器水聽(tīng)器圖6相位生成載波解調(diào)法測(cè)量裝置組成框圖注：上述相位生成載波解調(diào)法采用的是外調(diào)制技術(shù)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，采用內(nèi)調(diào)制技術(shù)也能對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制。測(cè)量時(shí)，發(fā)射換能器在信號(hào)源和功率放大器激勵(lì)下，在水中產(chǎn)生測(cè)量所需的聲信號(hào)。光相位解調(diào)儀輸出載波信號(hào)通過(guò)光相位外調(diào)制器對(duì)激光器輸出的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后，入射到干涉型光纖水聽(tīng)器中。在水中聲波作用下，干涉型光纖水聽(tīng)器輸出干涉光信號(hào)，由光相位解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)處理。解調(diào)后的干涉光相移信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出等幅度的電壓信號(hào)，并與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的輸出電壓信號(hào)分別輸入測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。通常，駐波管中的測(cè)量頻率范圍不小于10Hz～1kHz;自由場(chǎng)中的測(cè)量頻率范圍不小于6.3測(cè)量條件駐波管的要求按4.3.1執(zhí)行。自由場(chǎng)的要求按4.3.1執(zhí)行。信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射換能器、濾波器、數(shù)字示波器、激光器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器等的要求按4.3.3執(zhí)行。其他測(cè)量?jī)x器的要求如下。a)光相位解調(diào)儀：工作波長(zhǎng)范圍不大于1200nm～1600nm,解調(diào)頻率范圍不小于10Hz~b)相位調(diào)制器：工作頻率范圍不小于20kHz～70kHz。6.4測(cè)量方法6.4.1駐波管比較法測(cè)量前準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下：a)按圖6所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2a)所示布置聲場(chǎng)；b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min;c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(連續(xù)信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率；d)激光器發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)光相位外調(diào)制器調(diào)制后入射到干涉型光纖水聽(tīng)器，在水中聲波作用下產(chǎn)生干涉條紋信號(hào)，并輸入光相位解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，其輸出信噪比應(yīng)不小于20dB;e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和光相位解調(diào)儀輸出信號(hào)的信噪比，其值應(yīng)不小于20dB;f)根據(jù)6.1所述的原理進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)得光相位解調(diào)儀輸出電壓信號(hào)的有效值U。和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的有效值U?;g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓和光相位解調(diào)儀輸出電壓進(jìn)行比較，按公式(21)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)；h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。測(cè)量前的準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下：a)按圖6所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2b)所示布置聲場(chǎng)；b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min;c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(脈沖信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率；d)激光器發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)光相位外調(diào)制器后入射到干涉型光纖水聽(tīng)器，在水中聲波作用下產(chǎn)生干涉條紋信號(hào)，并輸入光相位解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)；e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和光相位解調(diào)儀輸出信號(hào)的信噪比，其值應(yīng)不小于20dB;f)根據(jù)6.1所述的原理進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)得光相位解調(diào)儀輸出電壓信號(hào)的有效值U。和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的有效值U。;g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓和光相位解調(diào)儀輸出電壓進(jìn)行比較，按公式(21)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)；h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。6.5測(cè)量不確定度按要求進(jìn)行測(cè)量時(shí)，相位生成載波解調(diào)法測(cè)得的干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)的測(cè)量不確定度不大于1.5dB(k=2)。7差分延時(shí)外差解調(diào)法7.1測(cè)量原理采用差分延時(shí)外差(DifferentialDelayHeterodyne,DDH)解調(diào)法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7a)所示。激光器輸出的激光進(jìn)入聲光調(diào)制器(Acousto-OpticModulator,AOM),在AOM驅(qū)動(dòng)電路的作用下，輸出一對(duì)延時(shí)可調(diào)差頻光脈沖(圖中r為光脈沖對(duì)的時(shí)間間隔，w為脈沖寬度，T,p為脈沖對(duì)重復(fù)周期),經(jīng)環(huán)形器ab進(jìn)入干涉型光纖水聽(tīng)器，由干涉型光纖水聽(tīng)器反射后經(jīng)環(huán)形器bc進(jìn)入光電探測(cè)器，此時(shí)，其光強(qiáng)信號(hào)可表示為公式(22)。I=A+Bcos[△wt+φ(t)]………(22)式中：△w——外差角頻率，△w=2π△f,△f為外差頻率，單位為赫茲(Hz)。)干涉型光纖水聽(tīng)器環(huán)形器射頻源2脈沖延時(shí)電路AOM驅(qū)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)處理解調(diào)數(shù)據(jù)輸出光電探測(cè)器射頻源1激光器AOMAfCa低通濾波CosArsinAax低通濾波高通濾波干涉信號(hào)/b)基于反正切計(jì)算的DDH解調(diào)法圖7差分延時(shí)外差解調(diào)法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與解調(diào)算法框圖干涉光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行信號(hào)解調(diào)處理，圖7b)給出了一種基于反正切計(jì)算的差分延時(shí)外差解調(diào)測(cè)量過(guò)程。光強(qiáng)信號(hào)首先與外載頻信號(hào)cos(△wt)及其正交項(xiàng)sin(△wt)混頻，在分別經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器后，可以得到相互正交的兩個(gè)分量Iip和I2p,再經(jīng)過(guò)相除、反正切、范圍拓展以及高通濾波后，得到干涉光相移信號(hào)Φ(t),由解調(diào)系統(tǒng)輸出相應(yīng)電壓信號(hào)U。(t),它們之間的關(guān)系為Uφ(t)=φ(t)。標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)為U?(t),如已知標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的聲壓靈敏度級(jí)M。,此時(shí)，相移靈敏度級(jí)可按公式(21)計(jì)算得到。7.2測(cè)量裝置圖8給出了干涉型光纖水聽(tīng)器差分延時(shí)外差解調(diào)法的測(cè)量裝置組成框圖。延時(shí)差頻光脈沖調(diào)制器用于產(chǎn)生差頻光脈沖信號(hào)，外差解調(diào)儀用于對(duì)外差調(diào)制后的干涉光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。延時(shí)差頻光脈延時(shí)差頻光脈沖調(diào)制器光入射信號(hào)濾波器數(shù)字示波器觸發(fā)信號(hào)源功率放大器標(biāo)準(zhǔn)干涉型光纖信號(hào)外差解調(diào)儀載波信號(hào)D/A激光器計(jì)算機(jī)圖8差分延時(shí)外差解調(diào)法測(cè)量裝置組成框圖測(cè)量時(shí)，發(fā)射換能器在信號(hào)源和功率放大器的激勵(lì)下，在水中產(chǎn)生測(cè)量所需的聲信號(hào)。激光器發(fā)出的連續(xù)光信號(hào)經(jīng)延時(shí)差頻光脈沖調(diào)制器后形成差分延時(shí)脈沖對(duì)，該脈沖對(duì)進(jìn)入干涉型光纖水聽(tīng)器后，返回的光信號(hào)由外差解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)處理，得到干涉型光纖水聽(tīng)器的干涉光相移信號(hào)。解調(diào)后的干涉光相移信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出等幅度的電壓信號(hào)，并與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)分別輸入測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量。通常，駐波管中的測(cè)量頻率范圍不小于10Hz～1kHz;自由場(chǎng)中的測(cè)量頻率范圍不小于1kHz~20kHz。7.3測(cè)量條件駐波管的要求按4.3.1執(zhí)行。自由場(chǎng)的要求按4.3.2執(zhí)行。信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射換能器、濾波器、數(shù)字示波器、激光器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器等的要求按4.3.3執(zhí)行。其他測(cè)量?jī)x器的要求如下。a)外差解調(diào)儀：工作波長(zhǎng)范圍不大于1200nm～160020kHz。b)延時(shí)差頻光脈沖調(diào)制器：外差頻率范圍為50kHz～2.5脈沖周期為100ns～10μs。nm,解調(diào)頻率范圍不小于10Hz~MHz,光脈沖寬度為50ns～500ns,光7.4測(cè)量方法7.4.1駐波管比較法測(cè)量前準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下：a)按圖8所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2a)所示布置聲場(chǎng)；b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min;c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(連續(xù)信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率；d)激光器發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)延時(shí)差頻光脈沖調(diào)制器后輸出差分延時(shí)脈沖對(duì)，經(jīng)干涉型光纖水聽(tīng)器反射后輸入外差解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，其輸出信噪比應(yīng)不小于20dB;e)實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和外差解調(diào)儀輸出信號(hào)的信噪比，其值應(yīng)不小于20dB;f)根據(jù)7.1所述的原理進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)得外差解調(diào)儀輸出電壓信號(hào)的有效值U。和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的有效值U。;g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓和外差解調(diào)儀輸出電壓進(jìn)行比較，按公式(21)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)；h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。測(cè)量前準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下：a)按圖8所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2b)所示布置聲場(chǎng)；b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min;c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(脈沖信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率；d)激光器發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)延時(shí)差頻光脈沖調(diào)制器后輸出差分延時(shí)脈沖對(duì)，經(jīng)干涉型光纖水聽(tīng)器反射后輸入外差解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，其輸出信噪比不小于20dB;e)實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和外差解調(diào)儀輸出信號(hào)的信噪比，其值應(yīng)不小于20dB;f)根據(jù)7.1所述的原理進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)得外差解調(diào)儀輸出電壓信號(hào)的有效值U。和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的有效值U。;g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓和外差解調(diào)儀輸出電壓進(jìn)行比較，按公式(21)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)；h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。7.5測(cè)量不確定度按要求進(jìn)行測(cè)量時(shí)，差分延時(shí)外差解調(diào)法測(cè)得的干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)的測(cè)量不確定度不大于1.5dB(k=2)。83×3耦合器相位解調(diào)法8.1測(cè)量原理3×3耦合器相位解調(diào)法光路圖如圖9所示。激光器輸出的激光經(jīng)環(huán)形器的ab路進(jìn)入3×3耦合器GB/T42559—2023后分為3路光，其中一路光進(jìn)入斷點(diǎn)被衰減掉，另外兩路光分別進(jìn)入干涉型光纖水聽(tīng)器信號(hào)臂和參考臂，經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)反射鏡(FaradayRotatorMirror,FRM)反射后回到3×3耦合器，并由3×3耦合器輸出3路干涉光信號(hào)。其中兩路信號(hào)直接進(jìn)入光電探測(cè)器，第三路信號(hào)通過(guò)環(huán)形器的bc路進(jìn)入光電探測(cè)器。理想情況下，3×3耦合器3個(gè)輸出端分光比相等，輸出信號(hào)相位相差120°,3路光電探測(cè)器參數(shù)激光器baC光電探測(cè)器3環(huán)形器FRMFRM圖93×3耦合器相位解調(diào)法光路圖3個(gè)光電探測(cè)器的輸出干涉信號(hào)可表示為：I?=A+Bcos[φ(t)]I?=A+Bcos[φ(t)+120°]I?、I?、I?——經(jīng)過(guò)3×3耦合器后的3路干涉光信號(hào)。對(duì)3路干涉光信號(hào)進(jìn)行相加處理，得到直流偏置值：把公式(23)減去公式(24),得到消除直流偏置后的干涉光信號(hào)：I,=Bcos[φ(t)-120°]I.=Bcos[φ(t)+120°]I?=-Bφ'(t)sin[φ(t)]I。=-Bφ'(t)sin[φ(t)-120°]…………(26)I?=-Bφ'(t)sin[φ(t)+120°]將公式(25)中的一個(gè)信號(hào)與公式(26)中的另外兩個(gè)微分后信號(hào)之差相乘，得到I?×(I?-Ia)=√3B2φ'(t)cos2[φ(t)-120°]Ie×(Ia-Ia)=√3B2φ'(t)cos2[φ(t)+120°]對(duì)公式(25)中的3個(gè)等式分別平方求和，得到：對(duì)公式(27)中的3個(gè)等式作求和處理，得到：GB/T42559—2023公式(28)中I?、I,和I。為已知量，利用公式(28)可消除公式(29)中的參數(shù)B2,繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行積分處理后可得干涉光相移信號(hào)φ(t)。3×3耦合器相位解調(diào)法的算法流程圖如圖10所示。//I?l4?/(-/)4(-)d//di/zZ?222圖103×3耦合器相位解調(diào)法算法流程圖同樣，通過(guò)3×3耦合器相位解調(diào)法得到干涉光相移信號(hào)φ(t),由解調(diào)系統(tǒng)輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)U?(t),該信號(hào)與干涉光相移信號(hào)之間的關(guān)系為φ(t)=Uφ(t)。標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)為U?(t),如已知標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的聲壓靈敏度級(jí)M。,此時(shí)，相移靈敏度級(jí)可按公式(21)計(jì)算得到。8.2測(cè)量裝置圖11給出了3×3耦合器相位解調(diào)法的測(cè)量裝置組成框圖。測(cè)量時(shí)，發(fā)射換能器在駐波管(或自由場(chǎng))中發(fā)射測(cè)量所需的聲信號(hào)。激光器發(fā)射連續(xù)光信號(hào)進(jìn)入干涉型光纖水聽(tīng)器后，返回的3路干涉光信號(hào)由3×3相位解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)后的干涉光相移量信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出等幅度的電壓信號(hào)，并與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器接收的輸出電壓信號(hào)一同輸入測(cè)量裝置，完成干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度的測(cè)量。通常，駐波管中的測(cè)量頻率范圍不小于10Hz～1kHz;自由場(chǎng)中的測(cè)量頻率范圍不小于1kHz～20kHz。計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)激光器3×3相位解光信號(hào)信號(hào)輸出濾波器數(shù)字示波器觸發(fā)干涉型光纖水聽(tīng)器干涉型光纖水聽(tīng)器標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器功率放大器發(fā)射換能器圖113×3耦合器相位解調(diào)法測(cè)量裝置組成框圖8.3測(cè)量條件駐波管的要求按4.3.1執(zhí)行。自由場(chǎng)的要求按4.3.2執(zhí)行。8.3.3電子測(cè)量?jī)x器信號(hào)源、功率放大器、發(fā)射換能器、濾波器、數(shù)字示波器、激光器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器等的要求與4.3.3相同。3×3相位解調(diào)儀的功能、性能要求為：工作波長(zhǎng)范圍不大于1200nm～1600nm,解調(diào)頻率范圍不小于10Hz～20kHz。8.4測(cè)量方法8.4.1駐波管比較法測(cè)量前準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下：a)按圖11所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2a)所示布置聲場(chǎng)；b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min;c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(連續(xù)信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率；d)激光器發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)干涉型光纖水聽(tīng)器反射后，輸出3路相位相差120°的干涉光信號(hào)，輸出的3路干涉光信號(hào)進(jìn)入3×3相位解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)后的信號(hào)，其輸出信噪比應(yīng)不小于20dB;e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和3×3相位解調(diào)儀輸出信號(hào)的信噪比，其值應(yīng)不小于20dB;f)根據(jù)8.1所述的原理進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)得3×3相位解調(diào)儀輸出電壓信號(hào)的有效值U。和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的有效值U?;g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓和3×3相位解調(diào)儀輸出電壓進(jìn)行比較，按公式(21)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)；h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。測(cè)量前的準(zhǔn)備按執(zhí)行。測(cè)量步驟如下：a)按圖11所示連接干涉型光纖水聽(tīng)器和電子測(cè)量設(shè)備，按圖2b)所示布置聲場(chǎng)；b)開(kāi)啟所有儀器設(shè)備，預(yù)熱15min;c)設(shè)置信號(hào)源輸出信號(hào)的類(lèi)型(脈沖信號(hào))、幅度和頻率，設(shè)置濾波器的濾波頻率；d)激光器發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)干涉型光纖水聽(tīng)器反射后，輸出3路相位相差120°的干涉光信號(hào)，輸出的3路干涉光信號(hào)進(jìn)入3×3相位解調(diào)儀進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)后的信號(hào)，其輸出信噪比應(yīng)不小于20dB;e)在實(shí)際工作狀態(tài)下通過(guò)激勵(lì)和停止發(fā)射換能器，檢查標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和3×3相位解調(diào)儀輸出信號(hào)的信噪比，其值應(yīng)不小于20dB;f)根據(jù)8.1所述的原理進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)得3×3相位解調(diào)儀輸出電壓信號(hào)的有效值U。和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓信號(hào)的有效值U。;g)將標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓和3×3相位解調(diào)儀輸出電壓進(jìn)行比較，按公式(21)計(jì)算得到干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)；h)重復(fù)上述步驟c)～g),完成其他頻率的測(cè)量。8.5測(cè)量不確定度按要求進(jìn)行測(cè)量時(shí)，3×3耦合器相位解調(diào)法測(cè)得的干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)的測(cè)量不確定度不大于1.5dB(k=2)。(規(guī)范性)干涉型光纖水聽(tīng)器貝塞爾函數(shù)比值法干涉光相移量與貝塞爾比值關(guān)系表(資料性)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度測(cè)量不確定度分析示例在駐波管和自由場(chǎng)中采用相位生成載波解調(diào)法對(duì)干涉型光纖水聽(tīng)器的相移靈敏度級(jí)進(jìn)行測(cè)量，采用JJF1059.1—2012的方法對(duì)其測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。B.1數(shù)學(xué)模型干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)測(cè)量不確定度評(píng)定的數(shù)學(xué)模型按公式(21)進(jìn)行計(jì)算。B.2駐波管比較法測(cè)量不確定度的評(píng)定B.2.1測(cè)量不確定度的A類(lèi)評(píng)定測(cè)量不確定度的A類(lèi)評(píng)定主要來(lái)源于測(cè)量的重復(fù)性，相同測(cè)量條件下在駐波管中對(duì)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)重復(fù)測(cè)量6次，測(cè)量數(shù)據(jù)如表B.1所示，頻率為250Hz時(shí)的原始數(shù)據(jù)如表B.2所示。最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為sn=0.27dB,所以測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量為0.27/√6=0.11dB,表B.1駐波管中干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)測(cè)量數(shù)據(jù)fMφIMq2Mφ?Mq?一144.0表B.1駐波管中干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)測(cè)量數(shù)據(jù)(續(xù))fHzM?Mo?M??Mφ4Mg?Mφs800—144.2—144.3—144.3—144.2—144.2—144.30.05—144.8—144.3—144.5—144.3—144.4—144.60.19注：50Hz頻點(diǎn)相移靈敏度的測(cè)量容易受到工頻交流電的影響，不對(duì)該頻點(diǎn)的相移靈敏度進(jìn)行測(cè)量；或選擇附近的頻率點(diǎn)，如49Hz進(jìn)行測(cè)量。表B.2測(cè)量頻率為250Hz時(shí)的原始數(shù)據(jù)序號(hào)mVU?mV123456平均值B.2.2測(cè)量不確定度的B類(lèi)評(píng)定B.2.2.1靈敏系數(shù)由公式(21)可求得駐波管中干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度的靈敏系數(shù)為：B.2.2.2測(cè)量不確定度的B類(lèi)分量主要來(lái)源B.標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度校準(zhǔn)引入的不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度校準(zhǔn)誤差不超過(guò)±0.70dB,以正態(tài)分布考慮，取k=1.96,則標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器靈敏度校準(zhǔn)誤差引入的不確定度分量為：B.電壓測(cè)量誤差引入的不確定度分量電壓測(cè)量誤差不超過(guò)士2.00%,以均勻分布考慮，取k=√3。表B.2中水聽(tīng)器輸出電壓的平均值為GB/T42559—2023204.3mV,標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出電壓測(cè)量誤差的不確定度分量為：同理，測(cè)量干涉光相移時(shí)引入的不確定度分量為：B.標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和干涉型光纖水聽(tīng)器入水深度不一致引入的不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和干涉型光纖水聽(tīng)器入水深度不一致引入的誤差不超過(guò)±0.20dB,以正態(tài)分布考慮，取k=1.96,則標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和干涉型光纖水聽(tīng)器入水深度不一致引入的不確定度分量為：uμ=0.20/1.96=0.10dBB.駐波管中聲場(chǎng)分布不均勻引入的不確定度分量駐波管中聲場(chǎng)分布不均勻引入的誤差不超過(guò)±0.70dB,以正態(tài)分布考慮，取k=1.96,則駐波管中聲場(chǎng)不均勻引入的不確定度分量為：u=0.70/1.96=0.36dBB.信號(hào)源頻率指示誤差引入的不確定度信號(hào)源頻率指示誤差引入的不確定度認(rèn)為可忽略不計(jì)。B.激光器輸出激光不穩(wěn)定引入的不確定度分量激光器輸出激光不穩(wěn)定引入的誤差不超過(guò)士0.30dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則激光器輸出激光不穩(wěn)定引入的不確定度分量為：u=0.30/√3=0.17dBB.光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換誤差引入的不確定度分量光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換引入的誤差不超過(guò)士0.20dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則光電探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換引入的不確定度分量為：ug=0.20/√3=0.12dBB.相位解調(diào)和D/A輸出引入相位解調(diào)和D/A輸出引入的誤差不超過(guò)±0.20dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則相位解調(diào)和D/A輸出引入的不確定度分量為：u=0.20/√3=0.12dBB.儀器輸入阻抗不足引入的不確定度分量?jī)x器輸入阻抗不足引入的誤差不超過(guò)士0.10dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則儀器輸入阻抗不足ug=0.10/√3=0.06dBGB/T42559—2023B.0無(wú)規(guī)噪聲干擾引入的不確定度分量無(wú)規(guī)噪聲干擾引入的誤差不超過(guò)±0.10dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則無(wú)規(guī)噪聲干擾引入的不確定度分量為：uo=0.10/√3=0.06dBB.1電磁干擾引入的不確定度分量電磁干擾引入的誤差不超過(guò)±0.10dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則電磁干擾引入的不確定度分量為：u=0.10/√3=0.06dBB.2.2.3測(cè)量不確定度的B類(lèi)評(píng)定結(jié)果駐波管中相移靈敏度測(cè)量不確定度的B類(lèi)評(píng)定結(jié)果為：u=√un+ug+us+uin+uis+uis+uig+uis+uio+2uiio+uin=0.60B.2.3合成不確定度駐波管中相移靈敏度測(cè)量的合成不確定度為：B.2.4擴(kuò)展不確定度取包含因子k=2,則駐波管中相移靈敏度測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為：U=k·u。=1.4dB(k=2)B.3自由場(chǎng)比較法測(cè)量不確定度的評(píng)定B.3.1測(cè)量不確定度的A類(lèi)評(píng)定測(cè)量不確定度的A類(lèi)評(píng)定主要來(lái)源于測(cè)量的重復(fù)性，在自由場(chǎng)中利用相位生成載波解調(diào)法對(duì)干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)在自由場(chǎng)中重復(fù)測(cè)量6次，得到的數(shù)據(jù)如表B.3所示，其中頻率為4.0kHz時(shí)的原始數(shù)據(jù)如表B.4所示。最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為sn=0.15dB,此時(shí)測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量為uA=0.15/√6=0.06dB。表B.3自由場(chǎng)中干涉型光纖水聽(tīng)器相移靈敏度級(jí)測(cè)量數(shù)據(jù)fMφiMφ2Mφ3Mφ?Mφ5Mq?1—143.9—144.1—144.2-143.9—144.0—143.9-144.1—144.1-144.2-144.1—144.2—144.1—145.1—145.3—145.2—145.2—145.3—145.32—144.3—144.4—144.5—144.5—144.5—144.4—14