聲學干涉型光纖水聽器相移靈敏度測量I前言 1范圍 2規范性引用文件 13術語和定義 4干涉條紋計數法 24.1測量原理 24.2測量裝置 44.3測量條件 54.4測量方法 54.5測量不確定度 75貝塞爾函數比值法 75.1測量原理 75.2測量裝置 75.3測量條件 85.4測量方法 85.5測量不確定度 96相位生成載波解調法 6.1測量原理 6.2測量裝置 6.3測量條件 6.4測量方法 6.5測量不確定度 7差分延時外差解調法 7.1測量原理 7.2測量裝置 7.3測量條件 7.4測量方法 7.5測量不確定度 83×3耦合器相位解調法 8.1測量原理 8.2測量裝置 8.3測量條件 8.4測量方法 8.5測量不確定度 Ⅱ附錄A(規范性)干涉型光纖水聽器貝塞爾函數比值法干涉光相移量與貝塞爾比值關系表 附錄B(資料性)干涉型光纖水聽器相移靈敏度測量不確定度分析示例 參考文獻 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由中國科學院提出。本文件由全國聲學標準化技術委員會(SAC/TC17)提出并歸口。本文件起草單位：中國船舶集團有限公司第七一五研究所、北京大學、長沙深之瞳信息科技有限公司、中國電子科技集團公司第二十三研究所、浙江大學、國防科技大學、中國科學院聲學研究所、北京科技大學。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、干涉型光纖水聽器是一種相位調制型傳感器，它具有抗電磁干擾、靈敏度高、體積小、頻帶響應寬、易于大規模成陣等特點，在聲吶裝備研制、海洋環境參數監測和海洋資源開發等領域有很好的應用前景。相移靈敏度是反映干涉型光纖水聽器性能最為本質的參數。隨著國內從事干涉型光纖水聽器研制、生產和使用單位的增多，為客觀評價干涉型光纖水聽器的聲學性能，需要建立相移靈敏度測量方法，推動干涉型光纖水聽器的實用化進程。根據國內實際情況，本文件為用戶提供了干涉條紋計數法、貝塞爾函數比值法、相位生成載波解調法、差分延時外差解調法和3×3耦合器相位解調法5種相移靈敏度測量方法，適應國內眾多單位對干涉型光纖水聽器的測量需求，實現相移靈敏度測量方法與量值的統一。1聲學干涉型光纖水聽器相移靈敏度測量本文件描述了用干涉條紋計數法、貝塞爾函數比值法、相位生成載波解調法、差分延時外差解調法和3×3耦合器相位解調法測量干涉型光纖水聽器聲壓相移靈敏度的測量原理、測量裝置、測量條件、測量方法和測量不確定度。本文件適用于10Hz～20kHz頻率范圍內干涉型光纖水聽器相移靈敏度的測量。注：當上述方法給出的相移靈敏度級測量結果偏差超過3dB時，以干涉條紋計數法測量結果為準。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應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聲學名詞術語GB/T4130—2017聲學水聽器低頻校準方法GB/T7965—2002聲學水聲換能器測量GB/T14733.12—2008電信術語光纖通信JJG449—2014倍頻程和分數倍頻程濾波器3術語和定義GB/T3947—1996、GB/T4130—2017、GB/T7965—2002和GB/T14733.12—2008界定的以及下列術語和定義適用于本文件。把光導纖維作為敏感元件并利用光干涉原理制成的水聽器。注：其特性表現為干涉光相移量與聲場中聲壓的變化成一定的比例關系。φ因外界信號作用導致的干涉型光纖水聽器傳感臂與參考臂干涉光信號的相位差。干涉條紋計數法interferometricfringecountingmethod通過獲取干涉型光纖水聽器輸出的干涉條紋數量，得到由外界信號作用引起的干涉型光纖水聽器干涉光相移量的方法。對干涉型光纖水聽器輸出的干涉信號進行貝塞爾級數展開，由信號三次諧波與基波(或四次諧波與2GB/T42559—2023二次諧波)之比。相位生成載波解調法phasegeneratedcarrierdemodulationmethod對相位載波調制后的干涉型光纖水聽器輸出的干涉光信號進行解調處理，得到干涉型光纖水聽器干涉光相移量的方法。差分延時外差解調法differentialdelayheterodynedemodulationmethod利用生成的差分延時外差光脈沖對，經過干涉型光纖水聽器后形成外差干涉光信號，通過解調處理得到干涉型光纖水聽器干涉光相移量的方法。3×3耦合器相位解調法phasedemodulationmethodusing3×3coupler利用3×3耦合器三端輸出干涉光信號相位相差2π/3的特性，對干涉型光纖水聽器輸出光信號進行相位解調，得到干涉型光纖水聽器干涉光相移量的方法。標準水聽器standardhydrophone用作水聲計量的、性能穩定并經過絕對校準的換能器。常作為建立水中聲壓基準用的標準器，并借此傳遞聲壓量值。[聲壓]相移靈敏度[soundpressure]phase-shiftedsensitivityM?由聲壓信號作用引起的干涉型光纖水聽器干涉光相移量與聲場中引入干涉型光纖水聽器前存在于干涉型光纖水聽器參考中心位置處的自由場聲壓之比值，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相移靈敏度與基準相移靈敏度之比取以10為底的對數乘以20,用公式(2)表示：式中：Mgr——基準相移靈敏度，M=1rad/μPa。4干涉條紋計數法4.1測量原理干涉型光纖水聽器在水中聲波作用下輸出的干涉光信號的光強可用公式(3)表示：3干涉信號I/V干涉信號I/V式中：I——干涉型光纖水聽器輸出的干涉光強電壓信號，單位為伏(V);A——干涉光信號的直流分量，單位為伏(V);B——干涉光信號的交流分量，單位為伏(V);φ——干涉型光纖水聽器輸出的干涉光相移量，單位為弧度(rad);w。——聲信號的角頻率，o。=2πf.,f.為聲信號頻率，單位為赫茲(Hz);o(t)——外界環境因素影響產生的相位差，單位為弧度(rad);t——時間，單位為秒(s)。圖1給出了典型的干涉型光纖水聽器干涉信號的時域波形，該信號存在著明顯的周期性。a)n=1圖1干涉條紋時域波形圖每當干涉光相移量φ為n個整數π弧度時，干涉信號條紋的波峰與波谷之間沿著時間軸存在一條交叉直線(如圖1中虛線所示),此時，干涉信號半個周期內的條紋數對應相應整數n。按公式(4)計算，得到干涉型光纖水聽器在聲場作用下輸出的干涉光相移量φ。φ=nπ(n≥1,n為整數)………(4)在10Hz～1kHz頻率范圍內，采用GB/T4130—2017中推薦的方法進行測量。如圖2a)所示，將干涉型光纖水聽器和標準水聽器同時放置在駐波管同一深度處，分別測量標準水聽器的輸出電壓和干涉型光纖水聽器的干涉光相移，得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級[見公式(5)]。式中：U,——標準水聽器輸出的輸出電壓幅值，單位為伏(V);M?——標準水聽器的聲壓靈敏度級，單位為分貝(dB)(參考值為1V/μPa)。在1kHz～20kHz頻率范圍內，采用GB/T7965—2002中推薦的方法進行測量。如圖2b)所示，將干涉型光纖水聽器和標準水聽器同時放置在水下同一深度處，標準水聽器與發射換能器之間的距離為d?,干涉型光纖水聽器與發射換能器之間的距離為dφ,分別測量標準水聽器的輸出電壓和干涉型光纖水聽器的干涉光相移，得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級[見公式(6)]。LM。=20lgφ-201gU,+20lgdφ-20lgd?+M? (6)式中：dφ——發射換能器參考中心與干涉型光纖水聽器參考中心之間的距離，單位為米(m);d?——發射換能器參考中心與標準水聽器參考中心之間的距離，單位為米(m)。4a)駐波管比較法b)自由場比較法圖2光纖水聽器測量原理圖注：GB/T4130—2017和GB/T7965—2002中推薦的其他方法在滿足測量要求的情況下也適用于水聲聲壓量的測量，開展干涉型光纖水聽器相移靈敏度測量時，測量不確定度根據所采用的方法進行評定。4.2測量裝置圖3給出了干涉型光纖水聽器干涉條紋計數法測量裝置組成框圖，主要由標準水聽器、激光器、光電探測器、數字示波器、濾波器、信號源和功率放大器等設備組成。測量時，發射換能器在信號源和功率放大器激勵下，在水中產生測量所需的聲信號。激光器產生光信號入射到干涉型光纖水聽器中，在水中聲波作用下產生類似圖1所示的干涉條紋，經光電探測器轉換成相應的電信號，由示波器進行顯示和計數，得到干涉光相移量φ。同時，通過計算機控制該裝置完成標準水聽器輸出電壓信號的采集與處理，利用數字示波器即可測得其輸出電壓幅值U,。通常，駐波管中的測量頻率范圍不小于100Hz~1kHz;自由場中的測量頻率范圍不小于1kHz～20kHz。光電探測器光電探測器光干涉信號數字示波器觸發十涉型光纖水聽器水聽器計算機濾波器激光器圖3干涉條紋計數法測量裝置組成框圖注：干涉條紋計數法測量頻率的上限和下限通常受聲場條件及干涉型光纖水聽器自身的影響。在對其進行測量時，要求聲場中的聲壓級要足夠高，確保其能夠調制到π弧度以上。另外，對于某些干涉型光纖水聽器，在100Hz以下，干涉條紋信號會發生畸變，干涉條紋的波形難以計數，導致測量無法進行。54.3測量條件駐波管要求如下。a)工作頻率范圍不小于10Hz～1kHz。b)通常為垂直開口向上的厚壁剛性圓柱形腔體；腔體內充滿測量媒質，通常為蒸餾水；發射換能器安裝在聲管的底部或采用振動臺推動。c)駐波管內液柱的高度應大于液柱的直徑，并小于最高測量頻率所對應的液體聲波波長的1/4。自由場要求如下：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)測量通常使用脈沖信號，水池尺寸、脈沖寬度以及測量距離滿足GB/T7965—2002的要求。測量用主要儀器設備的功能、性能要求如下。a)信號源：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,失真系數不大于2%,功率不小于100W。c)發射換能器：工作頻率范圍不小于10Hz～1kHz(駐波管)和1kHz～20kHz(自由場),在干涉型光纖水聽器和標準水聽器所在處的聲壓級不低于140dB。d)濾波器：濾波范圍不小于10Hz～20kHz,滿足JJG449—2014對2級1/3倍頻程濾波器的要求。e)數字示波器：帶寬不小于500MHz,通道數不小于2個，信號幅度測量誤差不大于±2%。f)激光器：工作波長范圍不大于1200nm～1600nm,光功率不小于10mW,功率穩定度優于g)光電探測器：工作波長范圍不大于1200nm～1600nm,帶寬不小于100kHz。h)標準水聽器：工作頻率范圍不小于10Hz～20kHz,聲壓靈敏度級與干涉型光纖水聽器之差不大于40dB,測量不確定度不大于0.7dB(k=2)。注：由于干涉型光纖水聽器的靈敏度較高，標準水聽器通常自帶前置放大器。若標準水聽器不帶前置放大器，在將其接入測量裝置時，通常需要進行前置放大和阻抗匹配。i)鋼直尺：長度不小于30cm,長度測量的最大允許誤差不大于±1mm。j)卷尺：長度不小于3m,長度測量的最大允許誤差不大于±1mm。4.4測量方法測量前的準備工作如下。a)將蒸餾水或其他媒質慢慢灌入駐波管。b)用無腐蝕作用的洗滌劑擦洗干涉型光纖水聽器和標準水聽器表面，在水中浸泡至少1h。c)測量時，將干涉型光纖水聽器和標準水聽器固定在測量支架上，保證其位于同一入水深度。若6采用置換法，則可在測量過程中將干涉型光纖水聽器和標準水聽器分別固定在測量支架上，并確保其聲中心位于同一位置。d)調節干涉型光纖水聽器和標準水聽器的入水深度d以及液柱的液面高度H,使入水深度d與液面高度H之間的關系滿足d=(1/3～2/3)H為宜。測量步驟如下。a)按圖3所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2a)所示布置聲場。b)開啟所有儀器設備，預熱15min。c)設置信號源輸出信號的類型(連續信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調節至合適值，確保光電探測器的輸入端不過載，其輸出電信號的信噪比應不小于20dB。e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器輸出電壓，其信噪比應不小于20dB;檢查干涉條紋信號，確保干涉光相移量能夠調制到π弧度及以上。f)觀察干涉條紋信號，調節信號源(或功率放大器)的輸出，使干涉條紋信號的干涉光相移量滿足φ=nπ,在相同聲場環境下通過示波器測量標準水聽器的輸出電壓幅值Up。g)將標準水聽器的輸出電壓幅值和干涉型光纖水聽器的干涉光相移量進行比較，按公式(5)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級。h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。測量前的準備工作如下。a)用無腐蝕作用的洗滌劑清洗發射換能器、干涉型光纖水聽器與標準水聽器，在水中浸泡至少b)將發射換能器、干涉型光纖水聽器與標準水聽器安裝到測量支架上，固定在水下適當深度處，使3個換能器的參考中心位于同一水平面上；若采用置換法，則可在測量過程中將標準水聽器和干涉型光纖水聽器分別固定在測量支架上，并確保兩個水聽器在測量時位于水下聲場中的同一位置。c)調節發射換能器、干涉型光纖水聽器與標準水聽器之間的距離，使它們滿足自由場遠場測量條件。測量步驟如下。a)按圖3所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2b)所示布置聲場。b)開啟所有儀器設備，預熱15min。c)設置信號源輸出信號的類型(脈沖信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調節至合適值，確保光電探測器的輸入端不過載，其輸出電信號的信噪比應不小于20dB。e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器的輸出電壓，其信噪比應不小于20dB;檢查干涉條紋信號，確保干涉光相移量能夠調制到π弧度及以上。f)觀察干涉條紋信號，調節信號源(或功率放大器)的輸出，使干涉條紋信號的干涉光相移量滿足7GB/T42559—2023φ=nπ,在相同聲場環境下通過示波器測量標準水聽器的輸出電壓幅值Up。g)將標準水聽器的輸出電壓幅值和干涉型光纖水聽器的干涉光相移進行比較，按公式(6)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級。h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。4.5測量不確定度按要求進行測量時，干涉條紋計數法的測量不確定度應不大于1.5dB(k=2)。5貝塞爾函數比值法5.1測量原理利用貝塞爾函數將公式(3)光強信號展開，得到與聲信號相關的干涉光強信號的基波分量和各次諧波分量，見公式(7)。………(7)式中：光強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)計算貝塞爾函數諧波分量幅度的比值。再根據附錄A中的表格進行查表，得到貝塞爾函數的宗量φ,即干涉型光纖水聽器的干涉光相移量。同時，通過計算機控制該裝置完成標準水聽器輸出電壓信號的采集與處理，利用數字示波器即可測得其輸出電壓幅值U,。5.2測量裝置圖4給出了干涉型光纖水聽器貝塞爾函數比值法測量裝置組成框圖。該測量裝置與干涉條紋計數法基本類似，增加了頻譜分析儀用于對干涉光信號的諧波進行頻譜分析。8光電探測器光電探測器激光器信號標準十涉型光纖水聽器”水聽袈發射換能器頻譜分析儀數字示波器觸發信號源功率放大器光入射信號計算機圖4貝塞爾函數比值法測量裝置組成框圖測量時，發射換能器在信號源和功率放大器激勵下，在水中產生測量所需的聲信號。激光器產生光信號入射到干涉型光纖水聽器中，在水中聲波作用下產生干涉條紋，經光電探測器轉換成相應電信號。計算機控制頻譜分析儀采集干涉光信號，并完成諧波分析，計算得到干涉光相移量φ。同時，計算機控制其他電子測量設備完成水下聲信號的采集與處理，得到標準水聽器輸出電壓幅值U,,經計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級。通常，駐波管中的測量頻率范圍不小于100Hz～1kHz;自由場中的測量頻率范圍不小于1kHz～20kHz。注：貝塞爾函數比值法與干涉條紋計數法類似，在低頻時容易受到波形畸變的影響(反映在頻譜分析上就是出現諧5.3測量條件駐波管的要求按4.3.1執行。自由場的要求按4.3.2執行。按4.3.3執行。頻譜分析儀的功能、性能要求為：工作頻率范圍不小于10Hz～20kHz,幅值測量精度優于0.25dB。5.4測量方法5.4.1駐波管比較法測量前準備按執行。9GB/T42559—2023測量步驟如下。a)按圖4所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2a)所示布置聲場。b)開啟所有儀器設備，預熱15min。c)設置信號源輸出信號的類型(連續信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調節至合適值，確保光電探測器的輸入端不過載，其輸出信噪比應不小于e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器輸出的電壓信號，其信噪比應不小于20dB;檢查干涉條紋信號，確保干涉光相移量所對應的貝塞爾函數比值在單調區間內。f)根據5.1所述的測量原理，用頻譜分析儀測得干涉光信號的諧波，查表得到對應的干涉光相移量φ,同時用示波器測得標準水聽器的輸出電壓Up。g)將標準水聽器的輸出電壓和干涉型光纖水聽器的干涉光相移進行比較，按公式(5)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級。h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。測量前準備按執行。測量步驟如下。a)按圖4所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2b)所示布置聲場。b)開啟所有儀器設備，預熱15min。c)設置信號源輸出信號的類型(脈沖信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率。d)將激光器輸出光功率調節至合適值，確保光電探測器的輸入端不過載，其輸出信噪比應不小于e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器輸出的電壓信號，其信噪比應不小于20dB;檢查干涉條紋信號，確保干涉光相移量所對應的貝塞爾函數比值在單調區間內。f)根據5.1所述的原理，用頻譜分析儀測得干涉光信號的諧波，查表得到對應的干涉光相移量φ,同時用示波器測得標準水聽器的輸出電壓Up。g)將標準水聽器的輸出電壓和干涉型光纖水聽器的干涉光相移進行比較，按公式(6)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級。h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。5.5測量不確定度按要求進行測量時，貝塞爾函數比值法測得的干涉型光纖水聽器相移靈敏度級的測量不確定度不大于1.5dB(k=2)。6相位生成載波解調法6.1測量原理干涉型光纖水聽器經過外載波調制后，其輸出光強信號可按公式(10)表示。 式中：φ(t)—-干涉光相移信號，該信號隨時間變化，單位為弧度(rad);C——調制度，與光纖折射率、臂長差和調制方式有關，單位為弧度(rad);wc——調制信號角頻率，w=2πf.,f。為外載波調制信號頻率，單位為赫茲(Hz)。將公式(10)進行貝塞爾函數展開，得到公式(11)。對調制后的干涉光信號進行混頻，將公式(11)分別乘以cos(wet)和cos(2wet),得到公式(12)和公式(13)。對公式(12)和公式(13)進行低通濾波，除φ(t)以外，所有含w。及其倍頻項均被濾去。此時，公式(12)和公式(13)中的兩路信號分別變化為公式(14)和公式(15)。IzLp=-BJ?(C)cos[φ(t)]………………式中：I?p、I?tp——I?和I?分別經過低通濾波后得到的兩路信號。采用微分交叉相乘技術，對公式(14)和公式(15)兩路信號分別進行微分運算，得到公式(16)和公式(17)。式中：lu、I?a——lp和I?p分別經過微分運算后的兩路信號。對兩路信號進行交叉相乘后，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)解調法的調制解調過程。低通濾波coscut十涉信號/cos2m!-d/zp微分微分低通濾波/z圖5基于微分交叉相乘的PGC解調法調制解調過程通過PGC解調法調制解調得到干涉光相移信號φ(t)后，由光相位解調儀輸出相應電壓信號U。(t),該信號與干涉光相移信號之間的關系為Uφ(t)=φ(t)。標準水聽器輸出電壓信號為U。(t),如已知標準水聽器的聲壓靈敏度級M。,則根據公式(5)和公式(6),駐波管和自由場中干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級可表示為公式(21)。……………(21)式中：U。——光相位解調儀輸出電壓信號U。(t)的有效值，單位為伏(V);U。——標準水聽器輸出電壓信號U?(t)的有效值，單位為伏(V)。6.2測量裝置圖6給出了干涉型光纖水聽器相位生成載波解調法測量裝置組成框圖。該測量裝置增加了光相位外調制器和光相位解調儀，光相位外調制器用于產生外調制信號，光相位解調儀用于對調制后的干涉光信號進行解調，并輸出解調后的信號。計算機計算機光相位解調儀信號D/A信號濾波器信號調制器信號數字示波器信號源標準干涉型光纖水聽器水聽器圖6相位生成載波解調法測量裝置組成框圖注：上述相位生成載波解調法采用的是外調制技術對激光進行調制，采用內調制技術也能對激光器進行調制。測量時，發射換能器在信號源和功率放大器激勵下，在水中產生測量所需的聲信號。光相位解調儀輸出載波信號通過光相位外調制器對激光器輸出的光信號進行調制后，入射到干涉型光纖水聽器中。在水中聲波作用下，干涉型光纖水聽器輸出干涉光信號，由光相位解調儀進行解調處理。解調后的干涉光相移信號經D/A轉換輸出等幅度的電壓信號，并與標準水聽器的輸出電壓信號分別輸入測量裝置進行測量。通常，駐波管中的測量頻率范圍不小于10Hz～1kHz;自由場中的測量頻率范圍不小于6.3測量條件駐波管的要求按4.3.1執行。自由場的要求按4.3.1執行。信號源、功率放大器、發射換能器、濾波器、數字示波器、激光器、標準水聽器等的要求按4.3.3執行。其他測量儀器的要求如下。a)光相位解調儀：工作波長范圍不大于1200nm～1600nm,解調頻率范圍不小于10Hz~b)相位調制器：工作頻率范圍不小于20kHz～70kHz。6.4測量方法6.4.1駐波管比較法測量前準備按執行。測量步驟如下：a)按圖6所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2a)所示布置聲場；b)開啟所有儀器設備，預熱15min;c)設置信號源輸出信號的類型(連續信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率；d)激光器發射光信號，經光相位外調制器調制后入射到干涉型光纖水聽器，在水中聲波作用下產生干涉條紋信號，并輸入光相位解調儀進行解調，其輸出信噪比應不小于20dB;e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器和光相位解調儀輸出信號的信噪比，其值應不小于20dB;f)根據6.1所述的原理進行測量，分別測得光相位解調儀輸出電壓信號的有效值U。和標準水聽器輸出電壓信號的有效值U?;g)將標準水聽器輸出電壓和光相位解調儀輸出電壓進行比較，按公式(21)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級；h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。測量前的準備按執行。測量步驟如下：a)按圖6所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2b)所示布置聲場；b)開啟所有儀器設備，預熱15min;c)設置信號源輸出信號的類型(脈沖信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率；d)激光器發射光信號，經光相位外調制器后入射到干涉型光纖水聽器，在水中聲波作用下產生干涉條紋信號，并輸入光相位解調儀進行解調；e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器和光相位解調儀輸出信號的信噪比，其值應不小于20dB;f)根據6.1所述的原理進行測量，分別測得光相位解調儀輸出電壓信號的有效值U。和標準水聽器輸出電壓信號的有效值U。;g)將標準水聽器輸出電壓和光相位解調儀輸出電壓進行比較，按公式(21)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級；h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。6.5測量不確定度按要求進行測量時，相位生成載波解調法測得的干涉型光纖水聽器相移靈敏度級的測量不確定度不大于1.5dB(k=2)。7差分延時外差解調法7.1測量原理采用差分延時外差(DifferentialDelayHeterodyne,DDH)解調法的系統結構圖如圖7a)所示。激光器輸出的激光進入聲光調制器(Acousto-OpticModulator,AOM),在AOM驅動電路的作用下，輸出一對延時可調差頻光脈沖(圖中r為光脈沖對的時間間隔，w為脈沖寬度，T,p為脈沖對重復周期),經環形器ab進入干涉型光纖水聽器，由干涉型光纖水聽器反射后經環形器bc進入光電探測器，此時，其光強信號可表示為公式(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)。)干涉型光纖水聽器環形器射頻源2脈沖延時電路AOM驅動觸發信號處理解調數據輸出光電探測器射頻源1激光器AOMAfCa低通濾波CosArsinAax低通濾波高通濾波干涉信號/b)基于反正切計算的DDH解調法圖7差分延時外差解調法系統結構與解調算法框圖干涉光信號經光電探測器轉換后輸出電壓信號，經模數轉換后進行信號解調處理，圖7b)給出了一種基于反正切計算的差分延時外差解調測量過程。光強信號首先與外載頻信號cos(△wt)及其正交項sin(△wt)混頻，在分別經過一個低通濾波器后，可以得到相互正交的兩個分量Iip和I2p,再經過相除、反正切、范圍拓展以及高通濾波后，得到干涉光相移信號Φ(t),由解調系統輸出相應電壓信號U。(t),它們之間的關系為Uφ(t)=φ(t)。標準水聽器輸出電壓信號為U?(t),如已知標準水聽器的聲壓靈敏度級M。,此時，相移靈敏度級可按公式(21)計算得到。7.2測量裝置圖8給出了干涉型光纖水聽器差分延時外差解調法的測量裝置組成框圖。延時差頻光脈沖調制器用于產生差頻光脈沖信號，外差解調儀用于對外差調制后的干涉光信號進行解調。延時差頻光脈延時差頻光脈沖調制器光入射信號濾波器數字示波器觸發信號源功率放大器標準干涉型光纖信號外差解調儀載波信號D/A激光器計算機圖8差分延時外差解調法測量裝置組成框圖測量時，發射換能器在信號源和功率放大器的激勵下，在水中產生測量所需的聲信號。激光器發出的連續光信號經延時差頻光脈沖調制器后形成差分延時脈沖對，該脈沖對進入干涉型光纖水聽器后，返回的光信號由外差解調儀進行解調處理，得到干涉型光纖水聽器的干涉光相移信號。解調后的干涉光相移信號經D/A轉換輸出等幅度的電壓信號，并與標準水聽器輸出電壓信號分別輸入測量裝置進行測量。通常，駐波管中的測量頻率范圍不小于10Hz～1kHz;自由場中的測量頻率范圍不小于1kHz~20kHz。7.3測量條件駐波管的要求按4.3.1執行。自由場的要求按4.3.2執行。信號源、功率放大器、發射換能器、濾波器、數字示波器、激光器、標準水聽器等的要求按4.3.3執行。其他測量儀器的要求如下。a)外差解調儀：工作波長范圍不大于1200nm～160020kHz。b)延時差頻光脈沖調制器：外差頻率范圍為50kHz～2.5脈沖周期為100ns～10μs。nm,解調頻率范圍不小于10Hz~MHz,光脈沖寬度為50ns～500ns,光7.4測量方法7.4.1駐波管比較法測量前準備按執行。測量步驟如下：a)按圖8所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2a)所示布置聲場；b)開啟所有儀器設備，預熱15min;c)設置信號源輸出信號的類型(連續信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率；d)激光器發射光信號，經延時差頻光脈沖調制器后輸出差分延時脈沖對，經干涉型光纖水聽器反射后輸入外差解調儀進行解調，其輸出信噪比應不小于20dB;e)實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器和外差解調儀輸出信號的信噪比，其值應不小于20dB;f)根據7.1所述的原理進行測量，分別測得外差解調儀輸出電壓信號的有效值U。和標準水聽器輸出電壓信號的有效值U。;g)將標準水聽器輸出電壓和外差解調儀輸出電壓進行比較，按公式(21)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級；h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。測量前準備按執行。測量步驟如下：a)按圖8所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2b)所示布置聲場；b)開啟所有儀器設備，預熱15min;c)設置信號源輸出信號的類型(脈沖信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率；d)激光器發射光信號，經延時差頻光脈沖調制器后輸出差分延時脈沖對，經干涉型光纖水聽器反射后輸入外差解調儀進行解調，其輸出信噪比不小于20dB;e)實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器和外差解調儀輸出信號的信噪比，其值應不小于20dB;f)根據7.1所述的原理進行測量，分別測得外差解調儀輸出電壓信號的有效值U。和標準水聽器輸出電壓信號的有效值U。;g)將標準水聽器輸出電壓和外差解調儀輸出電壓進行比較，按公式(21)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級；h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。7.5測量不確定度按要求進行測量時，差分延時外差解調法測得的干涉型光纖水聽器相移靈敏度級的測量不確定度不大于1.5dB(k=2)。83×3耦合器相位解調法8.1測量原理3×3耦合器相位解調法光路圖如圖9所示。激光器輸出的激光經環形器的ab路進入3×3耦合器GB/T42559—2023后分為3路光，其中一路光進入斷點被衰減掉，另外兩路光分別進入干涉型光纖水聽器信號臂和參考臂，經法拉第旋轉反射鏡(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。其中兩路信號直接進入光電探測器，第三路信號通過環形器的bc路進入光電探測器。理想情況下，3×3耦合器3個輸出端分光比相等，輸出信號相位相差120°,3路光電探測器參數激光器baC光電探測器3環形器FRMFRM圖93×3耦合器相位解調法光路圖3個光電探測器的輸出干涉信號可表示為：I?=A+Bcos[φ(t)]I?=A+Bcos[φ(t)+120°]I?、I?、I?——經過3×3耦合器后的3路干涉光信號。對3路干涉光信號進行相加處理，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：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)中的一個信號與公式(26)中的另外兩個微分后信號之差相乘，得到I?×(I?-Ia)=√3B2φ'(t)cos2[φ(t)-120°]Ie×(Ia-Ia)=√3B2φ'(t)cos2[φ(t)+120°]對公式(25)中的3個等式分別平方求和，得到：對公式(27)中的3個等式作求和處理，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B2,繼續對其進行積分處理后可得干涉光相移信號φ(t)。3×3耦合器相位解調法的算法流程圖如圖10所示。//I?l4?/(-/)4(-)d//di/zZ?222圖103×3耦合器相位解調法算法流程圖同樣，通過3×3耦合器相位解調法得到干涉光相移信號φ(t),由解調系統輸出相應的電壓信號U?(t),該信號與干涉光相移信號之間的關系為φ(t)=Uφ(t)。標準水聽器輸出電壓信號為U?(t),如已知標準水聽器的聲壓靈敏度級M。,此時，相移靈敏度級可按公式(21)計算得到。8.2測量裝置圖11給出了3×3耦合器相位解調法的測量裝置組成框圖。測量時，發射換能器在駐波管(或自由場)中發射測量所需的聲信號。激光器發射連續光信號進入干涉型光纖水聽器后，返回的3路干涉光信號由3×3相位解調儀進行解調。解調后的干涉光相移量信號經D/A轉換輸出等幅度的電壓信號，并與標準水聽器接收的輸出電壓信號一同輸入測量裝置，完成干涉型光纖水聽器相移靈敏度的測量。通常，駐波管中的測量頻率范圍不小于10Hz～1kHz;自由場中的測量頻率范圍不小于1kHz～20kHz。計算機計算機激光器3×3相位解光信號信號輸出濾波器數字示波器觸發干涉型光纖水聽器干涉型光纖水聽器標準水聽器功率放大器發射換能器圖113×3耦合器相位解調法測量裝置組成框圖8.3測量條件駐波管的要求按4.3.1執行。自由場的要求按4.3.2執行。8.3.3電子測量儀器信號源、功率放大器、發射換能器、濾波器、數字示波器、激光器、標準水聽器等的要求與4.3.3相同。3×3相位解調儀的功能、性能要求為：工作波長范圍不大于1200nm～1600nm,解調頻率范圍不小于10Hz～20kHz。8.4測量方法8.4.1駐波管比較法測量前準備按執行。測量步驟如下：a)按圖11所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2a)所示布置聲場；b)開啟所有儀器設備，預熱15min;c)設置信號源輸出信號的類型(連續信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率；d)激光器發射光信號，經干涉型光纖水聽器反射后，輸出3路相位相差120°的干涉光信號，輸出的3路干涉光信號進入3×3相位解調儀進行解調，得到解調后的信號，其輸出信噪比應不小于20dB;e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器和3×3相位解調儀輸出信號的信噪比，其值應不小于20dB;f)根據8.1所述的原理進行測量，分別測得3×3相位解調儀輸出電壓信號的有效值U。和標準水聽器輸出電壓信號的有效值U?;g)將標準水聽器輸出電壓和3×3相位解調儀輸出電壓進行比較，按公式(21)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級；h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。測量前的準備按執行。測量步驟如下：a)按圖11所示連接干涉型光纖水聽器和電子測量設備，按圖2b)所示布置聲場；b)開啟所有儀器設備，預熱15min;c)設置信號源輸出信號的類型(脈沖信號)、幅度和頻率，設置濾波器的濾波頻率；d)激光器發射光信號，經干涉型光纖水聽器反射后，輸出3路相位相差120°的干涉光信號，輸出的3路干涉光信號進入3×3相位解調儀進行解調，得到解調后的信號，其輸出信噪比應不小于20dB;e)在實際工作狀態下通過激勵和停止發射換能器，檢查標準水聽器和3×3相位解調儀輸出信號的信噪比，其值應不小于20dB;f)根據8.1所述的原理進行測量，分別測得3×3相位解調儀輸出電壓信號的有效值U。和標準水聽器輸出電壓信號的有效值U。;g)將標準水聽器輸出電壓和3×3相位解調儀輸出電壓進行比較，按公式(21)計算得到干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級；h)重復上述步驟c)～g),完成其他頻率的測量。8.5測量不確定度按要求進行測量時，3×3耦合器相位解調法測得的干涉型光纖水聽器相移靈敏度級的測量不確定度不大于1.5dB(k=2)。(規范性)干涉型光纖水聽器貝塞爾函數比值法干涉光相移量與貝塞爾比值關系表(資料性)干涉型光纖水聽器相移靈敏度測量不確定度分析示例在駐波管和自由場中采用相位生成載波解調法對干涉型光纖水聽器的相移靈敏度級進行測量，采用JJF1059.1—2012的方法對其測量不確定度進行評定。B.1數學模型干涉型光纖水聽器相移靈敏度級測量不確定度評定的數學模型按公式(21)進行計算。B.2駐波管比較法測量不確定度的評定B.2.1測量不確定度的A類評定測量不確定度的A類評定主要來源于測量的重復性，相同測量條件下在駐波管中對干涉型光纖水聽器相移靈敏度級重復測量6次，測量數據如表B.1所示，頻率為250Hz時的原始數據如表B.2所示。最大標準偏差為sn=0.27dB,所以測量重復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器相移靈敏度級測量數據fMφIMq2Mφ?Mq?一144.0表B.1駐波管中干涉型光纖水聽器相移靈敏度級測量數據(續)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頻點相移靈敏度的測量容易受到工頻交流電的影響，不對該頻點的相移靈敏度進行測量；或選擇附近的頻率點，如49Hz進行測量。表B.2測量頻率為250Hz時的原始數據序號mVU?mV123456平均值B.2.2測量不確定度的B類評定B.2.2.1靈敏系數由公式(21)可求得駐波管中干涉型光纖水聽器相移靈敏度的靈敏系數為：B.2.2.2測量不確定度的B類分量主要來源B.標準水聽器靈敏度校準引入的不確定度分量標準水聽器靈敏度校準誤差不超過±0.70dB,以正態分布考慮，取k=1.96,則標準水聽器靈敏度校準誤差引入的不確定度分量為：B.電壓測量誤差引入的不確定度分量電壓測量誤差不超過士2.00%,以均勻分布考慮，取k=√3。表B.2中水聽器輸出電壓的平均值為GB/T42559—2023204.3mV,標準水聽器輸出電壓測量誤差的不確定度分量為：同理，測量干涉光相移時引入的不確定度分量為：B.標準水聽器和干涉型光纖水聽器入水深度不一致引入的不確定度分量標準水聽器和干涉型光纖水聽器入水深度不一致引入的誤差不超過±0.20dB,以正態分布考慮，取k=1.96,則標準水聽器和干涉型光纖水聽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.駐波管中聲場分布不均勻引入的不確定度分量駐波管中聲場分布不均勻引入的誤差不超過±0.70dB,以正態分布考慮，取k=1.96,則駐波管中聲場不均勻引入的不確定度分量為：u=0.70/1.96=0.36dBB.信號源頻率指示誤差引入的不確定度信號源頻率指示誤差引入的不確定度認為可忽略不計。B.激光器輸出激光不穩定引入的不確定度分量激光器輸出激光不穩定引入的誤差不超過士0.30dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則激光器輸出激光不穩定引入的不確定度分量為：u=0.30/√3=0.17dBB.光電探測器光電轉換誤差引入的不確定度分量光電探測器光電轉換引入的誤差不超過士0.20dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則光電探測器光電轉換引入的不確定度分量為：ug=0.20/√3=0.12dBB.相位解調和D/A輸出引入相位解調和D/A輸出引入的誤差不超過±0.20dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則相位解調和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儀器輸入阻抗不足引入的誤差不超過士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無規噪聲干擾引入的不確定度分量無規噪聲干擾引入的誤差不超過±0.10dB,以均勻分布考慮，取k=√3,則無規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±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測量不確定度的B類評定結果駐波管中相移靈敏度測量不確定度的B類評定結果為：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量的合成不確定度為：B.2.4擴展不確定度取包含因子k=2,則駐波管中相移靈敏度測量的擴展不確定度為：U=k·u。=1.4dB(k=2)B.3自由場比較法測量不確定度的評定B.3.1測量不確定度的A類評定測量不確定度的A類評定主要來源于測量的重復性，在自由場中利用相位生成載波解調法對干涉型光纖水聽器相移靈敏度級在自由場中重復測量6次，得到的數據如表B.3所示，其中頻率為4.0kHz時的原始數據如表B.4所示。最大標準偏差為sn=0.15dB,此時測量重復性引入的不確定度分量為uA=0.15/√6=0.06dB。表B.3自由場中干涉型光纖水聽器相移靈敏度級測量數據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