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。

ICS17.140.30
CCS A 59
中华人民共和国国家标准國
GB/T42559—2023
干涉型光纤水听器相移灵敏度测量Acoustics-Measurement of phase-shifted sensitivity of interferometricfiber-optic hydrophones
2023-05-23发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-12-01实施
规范性引用文件
术语和定义
干涉条纹计数法
测量原理
测量装置
测量条件
测量方法
测量不确定度
贝塞尔函数比值法
测量原理
测量装置
测量条件
测量方法
测量不确定度
相位生成载波解调法·
测量原理…．
测量装置·
测量条件
测量方法
测量不确定度
差分延时外差解调法
测量原理
测量装置
测量条件
测量方法…
测量不确定度
83×3耦合器相位解调法
测量原理·
测量装置…
测量条件
测量方法
测量不确定度
GB/T42559—2023
GB/T42559—2023
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A（规范性）
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
GB/T42559—2023
本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则可第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/T42559—2023
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
1范围
声学干涉型光纤水听器相移灵敏度测量GB/T42559—2023
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
2声学水声换能器测量
GB/T7965—2002
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。
interferometricfiber-optichydrophone干涉型光纤水听器
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-shiftedvalueofoptical interference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。
贝塞尔函数比值法Besselfunctionratiomethod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
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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
phasegenerated carrierdemodulation method相位生成载波解调法
对相位载波调制后的于涉型光纤水听器输出的于涉光信号进行解调处理，得到于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。3.7
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2元/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
standardhydrophone
标准水听器
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/T3947—1996,7.82
［声压］相移灵敏度［soundpressure］phase-shifted sensitivityMe
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&
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［soundpressure]phase-shifted sensitivitylevelLM4
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：
L Mo = 20lg Mo
Mor———基准相移灵敏度，Mor=1rad/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于涉光信号的光强可用公式（3）表示：2
.（1）
式中：
I=A+Bcos[Φsin(w.t)+Φ。(t)]干涉型光纤水听器输出的干涉光强电压信号，单位为伏（V）；干涉光信号的直流分量，单位为伏（V）；于涉光信号的交流分量，单位为伏（V）；-一干涉型光纤水听器输出的干涉光相移量，单位为弧度（rad)；声信号的角频率，w。=2元f。，f。为声信号频率，单位为赫兹（Hz）；外界环境因素影响产生的相位差，单位为弧度（rad)；p。(t)
时间，单位为秒（s）。
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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。0.5
A/I吾
时间t/s
图1干涉条纹时域波形图
时间t/s
b）n=2
每当干涉光相移量Φ为n个整数元弧度时，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=n元(n≥l,n为整数）
（4）
在10Hz～1kHz频率范围内，采用GB/T4130一2017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)。LMa=20lgΦ-20lgUp+M
式中：
U，——标准水听器输出的输出电压幅值，单位为伏（V）；M。——标准水听器的声压灵敏度级，单位为分贝（dB)（参考值为1V/μPa）。·（5）
在1kHz～20kHz频率范围内，采用GB/T7965一2002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d。，干涉型光纤水听器与发射换能器之间的距离为d。，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)。LMs=20lgΦ-20lgUp+20lgd-20lgd。+M。式中：
d&—一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）；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）。d。
（6）
GB/T42559—2023免费标准下载网bzxz
开粤压，
标准水干涉型光纤水
驻波管比较法
驻波管
发射换
隔摄装置
消声水池
换能器
图2光纤水听器测量原理图
水昕器
干涉型光纤
水昕器
b）自由场比较法
注：GB/T4130一2017和GB/T7965一2002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。激光器产生光信号人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。滤波器
计算机
数字示波器
信号源
功率放大器
光电探测器
光干涉
水听器
发射换能器
干涉型光纤
水听器
图3干涉条纹计数法测量装置组成框图激光器
光入射
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，确保其能够调制到元弧度以上。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。4
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10Hz～1kHz。GB/T42559—2023
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
2自由场
自由场要求如下：
a）工作频率范围不小于1kHz～20kHz；为全消声或者半消声水池；
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/T7965一2002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10Hz～20kHz，最大输出电压不小于10Vpp，频率示值误差不大于±0.5%。
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。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c）
涉型光纤水听器和标准水听器所在处的声压级不低于140dB。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d）
要求。
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%。e）
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0.1dB/h。
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钢直尺：长度不小于30cm，长度测量的最大允许误差不大于土1mm。i）
卷尺：长度不小于3m，长度测量的最大允许误差不大于士1mmj）
4.4测量方法
驻波管比较法
测量前准备
测量前的准备工作如下。
将蒸馏水或其他媒质慢慢灌驻波管。a）
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1hb）
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，保证其位于同一人水深度。若c）
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