(高清版)GBT 42559-2023 声学 干涉型光纤水听器相移灵敏度测量

声学干涉型光纤水听器相移灵敏度测量I前言 1范围 2规范性引用文件 13术语和定义 4干涉条纹计数法 24.1测量原理 24.2测量装置 44.3测量条件 54.4测量方法 54.5测量不确定度 75贝塞尔函数比值法 75.1测量原理 75.2测量装置 75.3测量条件 85.4测量方法 85.5测量不确定度 96相位生成载波解调法 6.1测量原理 6.2测量装置 6.3测量条件 6.4测量方法 6.5测量不确定度 7差分延时外差解调法 7.1测量原理 7.2测量装置 7.3测量条件 7.4测量方法 7.5测量不确定度 83×3耦合器相位解调法 8.1测量原理 8.2测量装置 8.3测量条件 8.4测量方法 8.5测量不确定度 Ⅱ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 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 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—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、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。1声学干涉型光纤水听器相移灵敏度测量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10Hz～20kHz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3dB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/T3947—1996声学名词术语GB/T4130—2017声学水听器低频校准方法GB/T7965—2002声学水声换能器测量GB/T14733.12—2008电信术语光纤通信JJG449—2014倍频程和分数倍频程滤波器3术语和定义GB/T3947—1996、GB/T4130—2017、GB/T7965—2002和GB/T14733.12—2008界定的以及下列术语和定义适用于本文件。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。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。干涉条纹计数法interferometricfringecountingmethod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。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2GB/T42559—2023二次谐波)之比。相位生成载波解调法phasegeneratedcarrierdemodulationmethod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。差分延时外差解调法differentialdelayheterodynedemodulationmethod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。3×3耦合器相位解调法phasedemodulationmethodusing3×3coupler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。标准水听器standardhydrophone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。[声压]相移灵敏度[soundpressure]phase-shiftedsensitivityM₉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：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：式中：Mgr——基准相移灵敏度，M=1rad/μPa。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：3干涉信号I/V干涉信号I/V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);w。——声信号的角频率，o。=2πf.,f.为声信号频率，单位为赫兹(Hz);o(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10Hz～1kHz频率范围内，采用GB/T4130—2017中推荐的方法进行测量。如图2a)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)]。式中：U,——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1V/μPa)。在1kHz～20kHz频率范围内，采用GB/T7965—2002中推荐的方法进行测量。如图2b)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d₀,干涉型光纤水听器与发射换能器之间的距离为dφ,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。=20lgφ-201gU,+20lgdφ-20lgd₀+M₀ (6)式中：dφ——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);d₀——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)。4a)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/T7965—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U,。通常，驻波管中的测量频率范围不小于100Hz~1kHz;自由场中的测量频率范围不小于1kHz～20kHz。光电探测器光电探测器光干涉信号数字示波器触发十涉型光纤水听器水听器计算机滤波器激光器图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100Hz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。54.3测量条件驻波管要求如下。a)工作频率范围不小于10Hz～1kHz。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。自由场要求如下：a)工作频率范围不小于1kHz～20kHz;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/T7965—2002的要求。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10Hz～20kHz,最大输出电压不小于10Vp,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10Hz～20kHz,失真系数不大于2%,功率不小于100W。c)发射换能器：工作频率范围不小于10Hz～1kHz(驻波管)和1kHz～20kHz(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140dB。d)滤波器：滤波范围不小于10Hz～20kHz,满足JJG449—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500MHz,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1200nm～1600nm,光功率不小于10mW,功率稳定度优于g)光电探测器：工作波长范围不大于1200nm～1600nm,带宽不小于100kHz。h)标准水听器：工作频率范围不小于10Hz～20kHz,声压灵敏度级与干涉型光纤水听器之差不大于40dB,测量不确定度不大于0.7dB(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±1mm。j)卷尺：长度不小于3m,长度测量的最大允许误差不大于±1mm。4.4测量方法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1h。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6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。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2a)所示布置声场。b)开启所有仪器设备，预热15min。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20dB。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20dB;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。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。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2b)所示布置声场。b)开启所有仪器设备，预热15min。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20dB。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20dB;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7GB/T42559—2023φ=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1.5dB(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)。………(7)式中：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。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U,。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。8光电探测器光电探测器激光器信号标准十涉型光纤水听器”水听袈发射换能器频谱分析仪数字示波器触发信号源功率放大器光入射信号计算机图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U,,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100Hz～1kHz;自由场中的测量频率范围不小于1kHz～20kHz。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5.3测量条件驻波管的要求按4.3.1执行。自由场的要求按4.3.2执行。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10Hz～20kHz,幅值测量精度优于0.25dB。5.4测量方法5.4.1驻波管比较法测量前准备按执行。9GB/T42559—2023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2a)所示布置声场。b)开启所有仪器设备，预热15min。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20dB;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。测量前准备按执行。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2b)所示布置声场。b)开启所有仪器设备，预热15min。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20dB;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1.5dB(k=2)。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。 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，w=2πf.,f。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)。对调制后的干涉光信号进行混频，将公式(11)分别乘以cos(wet)和cos(2wet),得到公式(12)和公式(13)。对公式(12)和公式(13)进行低通滤波，除φ(t)以外，所有含w。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)。IzLp=-BJ₂(C)cos[φ(t)]………………式中：I₁p、I₂tp——I₁和I₂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)。式中：lu、I₂a——lp和I₂p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)。Iup×I₂a=-B²J₁(C)J₂(C)φ(t)sin²[φ(t)]………………(18)GB/T42559—2023Izup×l₁a=B²J₁(C)J₂(C)φ(t)cos²[φ(t)]将公式(19)和公式(18)相减积分后得到公式(20)。由公式(20)即可得到干涉光相移信号φ(t),图5给出了基于微分交叉相乘的相位生成载波(PhaseGeneratedCarrier,PGC)解调法的调制解调过程。低通滤波coscut十涉信号/cos2m!-d/zp微分微分低通滤波/z图5基于微分交叉相乘的PGC解调法调制解调过程通过PGC解调法调制解调得到干涉光相移信号φ(t)后，由光相位解调仪输出相应电压信号U。(t),该信号与干涉光相移信号之间的关系为Uφ(t)=φ(t)。标准水听器输出电压信号为U。(t),如已知标准水听器的声压灵敏度级M。,则根据公式(5)和公式(6),驻波管和自由场中干涉型光纤水听器的相移灵敏度级可表示为公式(21)。……………(21)式中：U。——光相位解调仪输出电压信号U。(t)的有效值，单位为伏(V);U。——标准水听器输出电压信号U₀(t)的有效值，单位为伏(V)。6.2测量装置图6给出了干涉型光纤水听器相位生成载波解调法测量装置组成框图。该测量装置增加了光相位外调制器和光相位解调仪，光相位外调制器用于产生外调制信号，光相位解调仪用于对调制后的干涉光信号进行解调，并输出解调后的信号。计算机计算机光相位解调仪信号D/A信号滤波器信号调制器信号数字示波器信号源标准干涉型光纤水听器水听器图6相位生成载波解调法测量装置组成框图注：上述相位生成载波解调法采用的是外调制技术对激光进行调制，采用内调制技术也能对激光器进行调制。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。光相位解调仪输出载波信号通过光相位外调制器对激光器输出的光信号进行调制后，入射到干涉型光纤水听器中。在水中声波作用下，干涉型光纤水听器输出干涉光信号，由光相位解调仪进行解调处理。解调后的干涉光相移信号经D/A转换输出等幅度的电压信号，并与标准水听器的输出电压信号分别输入测量装置进行测量。通常，驻波管中的测量频率范围不小于10Hz～1kHz;自由场中的测量频率范围不小于6.3测量条件驻波管的要求按4.3.1执行。自由场的要求按4.3.1执行。信号源、功率放大器、发射换能器、滤波器、数字示波器、激光器、标准水听器等的要求按4.3.3执行。其他测量仪器的要求如下。a)光相位解调仪：工作波长范围不大于1200nm～1600nm,解调频率范围不小于10Hz~b)相位调制器：工作频率范围不小于20kHz～70kHz。6.4测量方法6.4.1驻波管比较法测量前准备按执行。测量步骤如下：a)按图6所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备，按图2a)所示布置声场；b)开启所有仪器设备，预热15min;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)激光器发射光信号，经光相位外调制器调制后入射到干涉型光纤水听器，在水中声波作用下产生干涉条纹信号，并输入光相位解调仪进行解调，其输出信噪比应不小于20dB;e)在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器，检查标准水听器和光相位解调仪输出信号的信噪比，其值应不小于20dB;f)根据6.1所述的原理进行测量，分别测得光相位解调仪输出电压信号的有效值U。和标准水听器输出电压信号的有效值U₀;g)将标准水听器输出电压和光相位解调仪输出电压进行比较，按公式(21)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。测量前的准备按执行。测量步骤如下：a)按图6所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备，按图2b)所示布置声场；b)开启所有仪器设备，预热15min;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)激光器发射光信号，经光相位外调制器后入射到干涉型光纤水听器，在水中声波作用下产生干涉条纹信号，并输入光相位解调仪进行解调；e)在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器，检查标准水听器和光相位解调仪输出信号的信噪比，其值应不小于20dB;f)根据6.1所述的原理进行测量，分别测得光相位解调仪输出电压信号的有效值U。和标准水听器输出电压信号的有效值U。;g)将标准水听器输出电压和光相位解调仪输出电压进行比较，按公式(21)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。6.5测量不确定度按要求进行测量时，相位生成载波解调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1.5dB(k=2)。7差分延时外差解调法7.1测量原理采用差分延时外差(DifferentialDelayHeterodyne,DDH)解调法的系统结构图如图7a)所示。激光器输出的激光进入声光调制器(Acousto-OpticModulator,AOM),在AOM驱动电路的作用下，输出一对延时可调差频光脉冲(图中r为光脉冲对的时间间隔，w为脉冲宽度，T,p为脉冲对重复周期),经环形器ab进入干涉型光纤水听器，由干涉型光纤水听器反射后经环形器bc进入光电探测器，此时，其光强信号可表示为公式(22)。I=A+Bcos[△wt+φ(t)]………(22)式中：△w——外差角频率，△w=2π△f,△f为外差频率，单位为赫兹(Hz)。)干涉型光纤水听器环形器射频源2脉冲延时电路AOM驱动触发信号处理解调数据输出光电探测器射频源1激光器AOMAfCa低通滤波CosArsinAax低通滤波高通滤波干涉信号/b)基于反正切计算的DDH解调法图7差分延时外差解调法系统结构与解调算法框图干涉光信号经光电探测器转换后输出电压信号，经模数转换后进行信号解调处理，图7b)给出了一种基于反正切计算的差分延时外差解调测量过程。光强信号首先与外载频信号cos(△wt)及其正交项sin(△wt)混频，在分别经过一个低通滤波器后，可以得到相互正交的两个分量Iip和I2p,再经过相除、反正切、范围拓展以及高通滤波后，得到干涉光相移信号Φ(t),由解调系统输出相应电压信号U。(t),它们之间的关系为Uφ(t)=φ(t)。标准水听器输出电压信号为U₀(t),如已知标准水听器的声压灵敏度级M。,此时，相移灵敏度级可按公式(21)计算得到。7.2测量装置图8给出了干涉型光纤水听器差分延时外差解调法的测量装置组成框图。延时差频光脉冲调制器用于产生差频光脉冲信号，外差解调仪用于对外差调制后的干涉光信号进行解调。延时差频光脉延时差频光脉冲调制器光入射信号滤波器数字示波器触发信号源功率放大器标准干涉型光纤信号外差解调仪载波信号D/A激光器计算机图8差分延时外差解调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的激励下，在水中产生测量所需的声信号。激光器发出的连续光信号经延时差频光脉冲调制器后形成差分延时脉冲对，该脉冲对进入干涉型光纤水听器后，返回的光信号由外差解调仪进行解调处理，得到干涉型光纤水听器的干涉光相移信号。解调后的干涉光相移信号经D/A转换输出等幅度的电压信号，并与标准水听器输出电压信号分别输入测量装置进行测量。通常，驻波管中的测量频率范围不小于10Hz～1kHz;自由场中的测量频率范围不小于1kHz~20kHz。7.3测量条件驻波管的要求按4.3.1执行。自由场的要求按4.3.2执行。信号源、功率放大器、发射换能器、滤波器、数字示波器、激光器、标准水听器等的要求按4.3.3执行。其他测量仪器的要求如下。a)外差解调仪：工作波长范围不大于1200nm～160020kHz。b)延时差频光脉冲调制器：外差频率范围为50kHz～2.5脉冲周期为100ns～10μs。nm,解调频率范围不小于10Hz~MHz,光脉冲宽度为50ns～500ns,光7.4测量方法7.4.1驻波管比较法测量前准备按执行。测量步骤如下：a)按图8所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备，按图2a)所示布置声场；b)开启所有仪器设备，预热15min;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)激光器发射光信号，经延时差频光脉冲调制器后输出差分延时脉冲对，经干涉型光纤水听器反射后输入外差解调仪进行解调，其输出信噪比应不小于20dB;e)实际工作状态下通过激励和停止发射换能器，检查标准水听器和外差解调仪输出信号的信噪比，其值应不小于20dB;f)根据7.1所述的原理进行测量，分别测得外差解调仪输出电压信号的有效值U。和标准水听器输出电压信号的有效值U。;g)将标准水听器输出电压和外差解调仪输出电压进行比较，按公式(21)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。测量前准备按执行。测量步骤如下：a)按图8所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备，按图2b)所示布置声场；b)开启所有仪器设备，预热15min;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)激光器发射光信号，经延时差频光脉冲调制器后输出差分延时脉冲对，经干涉型光纤水听器反射后输入外差解调仪进行解调，其输出信噪比不小于20dB;e)实际工作状态下通过激励和停止发射换能器，检查标准水听器和外差解调仪输出信号的信噪比，其值应不小于20dB;f)根据7.1所述的原理进行测量，分别测得外差解调仪输出电压信号的有效值U。和标准水听器输出电压信号的有效值U。;g)将标准水听器输出电压和外差解调仪输出电压进行比较，按公式(21)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。7.5测量不确定度按要求进行测量时，差分延时外差解调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1.5dB(k=2)。83×3耦合器相位解调法8.1测量原理3×3耦合器相位解调法光路图如图9所示。激光器输出的激光经环形器的ab路进入3×3耦合器GB/T42559—2023后分为3路光，其中一路光进入断点被衰减掉，另外两路光分别进入干涉型光纤水听器信号臂和参考臂，经法拉第旋转反射镜(FaradayRotatorMirror,FRM)反射后回到3×3耦合器，并由3×3耦合器输出3路干涉光信号。其中两路信号直接进入光电探测器，第三路信号通过环形器的bc路进入光电探测器。理想情况下，3×3耦合器3个输出端分光比相等，输出信号相位相差120°,3路光电探测器参数激光器baC光电探测器3环形器FRMFRM图93×3耦合器相位解调法光路图3个光电探测器的输出干涉信号可表示为：I₁=A+Bcos[φ(t)]I₃=A+Bcos[φ(t)+120°]I₁、I₂、I₃——经过3×3耦合器后的3路干涉光信号。对3路干涉光信号进行相加处理，得到直流偏置值：把公式(23)减去公式(24),得到消除直流偏置后的干涉光信号：I,=Bcos[φ(t)-120°]I.=Bcos[φ(t)+120°]I₄=-Bφ'(t)sin[φ(t)]I。=-Bφ'(t)sin[φ(t)-120°]…………(26)I₁=-Bφ'(t)sin[φ(t)+120°]将公式(25)中的一个信号与公式(26)中的另外两个微分后信号之差相乘，得到I₁×(I₁-Ia)=√3B²φ'(t)cos²[φ(t)-120°]Ie×(Ia-Ia)=√3B²φ'(t)cos²[φ(t)+120°]对公式(25)中的3个等式分别平方求和，得到：对公式(27)中的3个等式作求和处理，得到：GB/T42559—2023公式(28)中I₄、I,和I。为已知量，利用公式(28)可消除公式(29)中的参数B²,继续对其进行积分处理后可得干涉光相移信号φ(t)。3×3耦合器相位解调法的算法流程图如图10所示。//I₂l4?/(-/)4(-)d//di/zZʃ222图103×3耦合器相位解调法算法流程图同样，通过3×3耦合器相位解调法得到干涉光相移信号φ(t),由解调系统输出相应的电压信号U₄(t),该信号与干涉光相移信号之间的关系为φ(t)=Uφ(t)。标准水听器输出电压信号为U₀(t),如已知标准水听器的声压灵敏度级M。,此时，相移灵敏度级可按公式(21)计算得到。8.2测量装置图11给出了3×3耦合器相位解调法的测量装置组成框图。测量时，发射换能器在驻波管(或自由场)中发射测量所需的声信号。激光器发射连续光信号进入干涉型光纤水听器后，返回的3路干涉光信号由3×3相位解调仪进行解调。解调后的干涉光相移量信号经D/A转换输出等幅度的电压信号，并与标准水听器接收的输出电压信号一同输入测量装置，完成干涉型光纤水听器相移灵敏度的测量。通常，驻波管中的测量频率范围不小于10Hz～1kHz;自由场中的测量频率范围不小于1kHz～20kHz。计算机计算机激光器3×3相位解光信号信号输出滤波器数字示波器触发干涉型光纤水听器干涉型光纤水听器标准水听器功率放大器发射换能器图113×3耦合器相位解调法测量装置组成框图8.3测量条件驻波管的要求按4.3.1执行。自由场的要求按4.3.2执行。8.3.3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、标准水听器等的要求与4.3.3相同。3×3相位解调仪的功能、性能要求为：工作波长范围不大于1200nm～1600nm,解调频率范围不小于10Hz～20kHz。8.4测量方法8.4.1驻波管比较法测量前准备按执行。测量步骤如下：a)按图11所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备，按图2a)所示布置声场；b)开启所有仪器设备，预热15min;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)激光器发射光信号，经干涉型光纤水听器反射后，输出3路相位相差120°的干涉光信号，输出的3路干涉光信号进入3×3相位解调仪进行解调，得到解调后的信号，其输出信噪比应不小于20dB;e)在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器，检查标准水听器和3×3相位解调仪输出信号的信噪比，其值应不小于20dB;f)根据8.1所述的原理进行测量，分别测得3×3相位解调仪输出电压信号的有效值U。和标准水听器输出电压信号的有效值U₀;g)将标准水听器输出电压和3×3相位解调仪输出电压进行比较，按公式(21)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。测量前的准备按执行。测量步骤如下：a)按图11所示连接干涉型光纤水听器和电子测量设备，按图2b)所示布置声场；b)开启所有仪器设备，预热15min;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)激光器发射光信号，经干涉型光纤水听器反射后，输出3路相位相差120°的干涉光信号，输出的3路干涉光信号进入3×3相位解调仪进行解调，得到解调后的信号，其输出信噪比应不小于20dB;e)在实际工作状态下通过激励和停止发射换能器，检查标准水听器和3×3相位解调仪输出信号的信噪比，其值应不小于20dB;f)根据8.1所述的原理进行测量，分别测得3×3相位解调仪输出电压信号的有效值U。和标准水听器输出电压信号的有效值U。;g)将标准水听器输出电压和3×3相位解调仪输出电压进行比较，按公式(21)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。8.5测量不确定度按要求进行测量时，3×3耦合器相位解调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1.5dB(k=2)。(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(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在驻波管和自由场中采用相位生成载波解调法对干涉型光纤水听器的相移灵敏度级进行测量，采用JJF1059.1—2012的方法对其测量不确定度进行评定。B.1数学模型干涉型光纤水听器相移灵敏度级测量不确定度评定的数学模型按公式(21)进行计算。B.2驻波管比较法测量不确定度的评定B.2.1测量不确定度的A类评定测量不确定度的A类评定主要来源于测量的重复性，相同测量条件下在驻波管中对干涉型光纤水听器相移灵敏度级重复测量6次，测量数据如表B.1所示，频率为250Hz时的原始数据如表B.2所示。最大标准偏差为sn=0.27dB,所以测量重复性引入的不确定度分量为0.27/√6=0.11dB,表B.1驻波管中干涉型光纤水听器相移灵敏度级测量数据fMφIMq2Mφ₅Mq₆一144.0表B.1驻波管中干涉型光纤水听器相移灵敏度级测量数据(续)fHzM₁Mo₂M₉₃Mφ4Mg₅Mφs800—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频点相移灵敏度的测量容易受到工频交流电的影响，不对该频点的相移灵敏度进行测量；或选择附近的频率点，如49Hz进行测量。表B.2测量频率为250Hz时的原始数据序号mVU₀mV123456平均值B.2.2测量不确定度的B类评定B.2.2.1灵敏系数由公式(21)可求得驻波管中干涉型光纤水听器相移灵敏度的灵敏系数为：B.2.2.2测量不确定度的B类分量主要来源B.标准水听器灵敏度校准引入的不确定度分量标准水听器灵敏度校准误差不超过±0.70dB,以正态分布考虑，取k=1.96,则标准水听器灵敏度校准误差引入的不确定度分量为：B.电压测量误差引入的不确定度分量电压测量误差不超过士2.00%,以均匀分布考虑，取k=√3。表B.2中水听器输出电压的平均值为GB/T42559—2023204.3mV,标准水听器输出电压测量误差的不确定度分量为：同理，测量干涉光相移时引入的不确定度分量为：B.标准水听器和干涉型光纤水听器入水深度不一致引入的不确定度分量标准水听器和干涉型光纤水听器入水深度不一致引入的误差不超过±0.20dB,以正态分布考虑，取k=1.96,则标准水听器和干涉型光纤水听器入水深度不一致引入的不确定度分量为：uμ=0.20/1.96=0.10dBB.驻波管中声场分布不均匀引入的不确定度分量驻波管中声场分布不均匀引入的误差不超过±0.70dB,以正态分布考虑，取k=1.96,则驻波管中声场不均匀引入的不确定度分量为：u=0.70/1.96=0.36dBB.信号源频率指示误差引入的不确定度信号源频率指示误差引入的不确定度认为可忽略不计。B.激光器输出激光不稳定引入的不确定度分量激光器输出激光不稳定引入的误差不超过士0.30dB,以均匀分布考虑，取k=√3,则激光器输出激光不稳定引入的不确定度分量为：u=0.30/√3=0.17dBB.光电探测器光电转换误差引入的不确定度分量光电探测器光电转换引入的误差不超过士0.20dB,以均匀分布考虑，取k=√3,则光电探测器光电转换引入的不确定度分量为：ug=0.20/√3=0.12dBB.相位解调和D/A输出引入相位解调和D/A输出引入的误差不超过±0.20dB,以均匀分布考虑，取k=√3,则相位解调和D/A输出引入的不确定度分量为：u=0.20/√3=0.12dBB.仪器输入阻抗不足引入的不确定度分量仪器输入阻抗不足引入的误差不超过士0.10dB,以均匀分布考虑，取k=√3,则仪器输入阻抗不足ug=0.10/√3=0.06dBGB/T42559—2023B.0无规噪声干扰引入的不确定度分量无规噪声干扰引入的误差不超过±0.10dB,以均匀分布考虑，取k=√3,则无规噪声干扰引入的不确定度分量为：uo=0.10/√3=0.06dBB.1电磁干扰引入的不确定度分量电磁干扰引入的误差不超过±0.10dB,以均匀分布考虑，取k=√3,则电磁干扰引入的不确定度分量为：u=0.10/√3=0.06dBB.2.2.3测量不确定度的B类评定结果驻波管中相移灵敏度测量不确定度的B类评定结果为：u=√un+ug+us+uin+uis+uis+uig+uis+uio+2uiio+uin=0.60B.2.3合成不确定度驻波管中相移灵敏度测量的合成不确定度为：B.2.4扩展不确定度取包含因子k=2,则驻波管中相移灵敏度测量的扩展不确定度为：U=k·u。=1.4dB(k=2)B.3自由场比较法测量不确定度的评定B.3.1测量不确定度的A类评定测量不确定度的A类评定主要来源于测量的重复性，在自由场中利用相位生成载波解调法对干涉型光纤水听器相移灵敏度级在自由场中重复测量6次，得到的数据如表B.3所示，其中频率为4.0kHz时的原始数据如表B.4所示。最大标准偏差为sn=0.15dB,此时测量重复性引入的不确定度分量为uA=0.15/√6=0.06dB。表B.3自由场中干涉型光纤水听器相移灵敏度级测量数据fMφiMφ2Mφ3Mφ₄Mφ5Mq₆1—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