本發(fā)明屬于聲波探測技術(shù)領(lǐng)域，具體的就是一種基于聚合物薄膜的聲波探測器及雙波長解調(diào)方法。

背景技術(shù)：

聲波探測，特別是低頻聲波探測在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，包括建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、油氣管道監(jiān)測、重大自然災(zāi)害(地震、泥石流、海嘯等)預(yù)警、國防軍事(水聽器、核爆)、醫(yī)療等。因此聲波探測已經(jīng)人們廣泛的研究，目前常見的聲波探測器主要是電容式和壓電式的電學(xué)聲波探測器，這類電學(xué)聲波探測器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是它們也有一些固有的缺陷，包括抗電磁干擾能力差、體積大、難以組網(wǎng)等。

光纖傳感技術(shù)以其體積小、靈敏度高、抗電磁干擾、適合惡劣環(huán)境下工作、易于復(fù)用組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為目前人們研究的熱點(diǎn)。目前常用的光纖聲波傳感器根據(jù)其工作原理可以分為本征型光纖傳聲器、干涉型光纖傳聲器、基于光柵的光纖傳聲器和其它特殊結(jié)構(gòu)的光纖傳聲器。其中干涉型光纖傳聲器的工作原理是通過聲波作用造成干涉結(jié)構(gòu)光程差的改變，從而使得干涉儀輸出光強(qiáng)、光相位等特征參量發(fā)生相應(yīng)的變化，通過對這些參量的變化進(jìn)行解調(diào)來還原出聲波信號。干涉型聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，是目前研究最為廣泛的光纖聲波傳感器。根據(jù)其工作原理可以分為法布里-泊羅干涉型、馬赫澤德干涉型、邁克爾遜干涉型和薩格納克干涉型。其中法布里-泊羅(Fabry-Perot，F(xiàn)P)干涉型結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。

聲波信號的解調(diào)是光纖聲波傳感器的一個研究重點(diǎn)，目前常見的方法有斜邊解調(diào)法、相位解調(diào)法和直接強(qiáng)度解調(diào)法，前兩種方法常用于干涉型聲波傳感器的解調(diào)，其中相位解調(diào)法直接解調(diào)干涉儀輸出信號的相位，靈敏度高、動態(tài)范圍大，解決了斜邊解調(diào)法中工作波長需要對準(zhǔn)干涉譜的Q點(diǎn)這一致命缺點(diǎn)。常見的相位解調(diào)方法有相位生成載波(PGC)法和3×3耦合器法，這些都屬于被動零差解調(diào)方法。PGC解調(diào)方法需要復(fù)雜的載波調(diào)制結(jié)構(gòu)，解調(diào)算法也相對比較復(fù)雜，同時響應(yīng)頻率和動態(tài)范圍也會受到限制；3×3耦合器法需要使用到3×3耦合器，且要求耦合器的耦合比嚴(yán)格控制在1:1:1，同時各輸出端的相位差為120°。另外這兩種解調(diào)方法也很難對具有很短腔長的FP干涉型聲波傳感器進(jìn)行解調(diào)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于聚合物薄膜的聲波探測器及雙波長解調(diào)方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)不能對具有較短腔長的FP型光纖聲波傳感器進(jìn)行相位解調(diào)的問題。

本發(fā)明提供了一種基于聚合物薄膜的聲波探測器，包括：寬帶光源、摻鉺光纖放大器、光纖環(huán)形器、FP傳感頭、可調(diào)濾波器、第一高速光電探頭、第二高速光電探頭、數(shù)據(jù)采集單元和信號處理單元；摻鉺光纖放大器的輸入端連接寬帶光源的輸出端；光纖環(huán)形器包括三個端口，第一端口連接至摻鉺光纖放大器的輸出端，第二端口連接FP傳感頭，第三端口連接至可調(diào)濾波器的輸入端；第一高速光電探頭的輸入端連接至可調(diào)濾波器的第一輸出端，第二高速光電探頭的輸入端連接至可調(diào)濾波器的第二輸出端；數(shù)據(jù)采集單元的第一輸入端連接至第一高速光電探頭的輸出端，數(shù)據(jù)采集單元的第二輸入端連接至第二高速光電探頭的輸出端，數(shù)據(jù)采集單元的輸出端連接所述信號處理單元。

更進(jìn)一步地，可調(diào)濾波器從寬帶光源的寬譜信號中濾出兩路單一波長的信號，當(dāng)兩路波長之間隔△λ與干涉儀的自由光譜范圍滿足△λ＝(2k+1).FSR/4時具有最大靈敏度；其中，F(xiàn)SR為干涉儀的自由光譜范圍，k為整數(shù)。

更進(jìn)一步地，當(dāng)兩波長之間的間隔為干涉譜FSR的1/4并且對稱的分布在FP傳感頭干涉譜某一峰值波長的兩側(cè)，對應(yīng)兩路信號之間的相位差為90°，兩路信號的光經(jīng)過高速光電探頭后變成電信號，電信號由數(shù)據(jù)采集模塊采集后經(jīng)信號處理單元解調(diào)后獲得FP傳感頭的相位信息，通過相位信息獲得聲波信號的聲壓和頻率。

更進(jìn)一步地，F(xiàn)P傳感頭包括：單模光纖、陶瓷插芯、金屬套管和換能薄膜；單模光纖插入所述陶瓷插芯，通過陶瓷插芯實現(xiàn)所述單模光纖的固定和準(zhǔn)直，換能薄膜粘貼在金屬套管端面，陶瓷插芯插入金屬套管內(nèi)部并固定，陶瓷插芯端面與所述換能薄膜之間具有一定的距離，從而在換能薄膜和單模光纖端面之間形成空氣腔構(gòu)成光纖外腔式FP干涉儀。

更進(jìn)一步地，換能薄膜為圓薄膜，所述圓薄膜的直徑為1mm～20mm，所述圓薄膜的厚度為1um～50um。

更進(jìn)一步地，換能薄膜的材料為聚合物塑料薄膜，石墨烯薄膜或金屬薄膜。

更進(jìn)一步地，可調(diào)濾波器為窄帶濾波器，帶寬小于0.2nm。

本發(fā)明還提供了一種基于上述的聲波探測器的雙波長解調(diào)方法，包括下述步驟：

(1)對采集到的兩路信號進(jìn)行歸一化處理后獲得信號幅值在0到1之間且直流分量和條紋可見度都為0.5的兩路信號；

(2)通過做差去掉兩路信號中的直流分量；

(3)對歸一化且去除直流分量后的兩路信號進(jìn)行微分運(yùn)算，并通過將第一路信號的微分運(yùn)算結(jié)果與第二路信號相乘，第二路信號的微分運(yùn)算結(jié)果與第一路信號相乘來實現(xiàn)微分交叉相乘；

(4)對交叉相乘后的信號做差運(yùn)算，對做差運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行積分后獲得被測聲波信號。

更進(jìn)一步地，歸一化處理具體為：對采集到的信號提取其最大值和最小值，將原信號減去最小值然后除以最大值和最小值的和，實現(xiàn)對原信號的歸一化，歸一化后的，便于實現(xiàn)功率的均衡已經(jīng)直流分量的消除。

更進(jìn)一步地，被測聲波信號其中C為常數(shù)，為相位差，Δλ為濾波器濾出兩路光信號之間的波長差，F(xiàn)SR為FP傳感頭干涉譜的自由光譜范圍，即干色譜的波長周期。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供了一種基于聚合物薄膜和雙波長解調(diào)的光纖低頻聲波探測器，相比現(xiàn)有的電學(xué)聲波探測器而言具有抗電磁干擾、易于復(fù)用組網(wǎng)、傳輸損耗小適合長距離監(jiān)測等有點(diǎn)。

(2)本發(fā)明提供了一種雙波長相位解調(diào)算法，相比于斜邊解調(diào)方法，相位解調(diào)方法不需要將工作波長固定在干涉譜的Q點(diǎn)，同時也具有更大的動態(tài)范圍和更高的靈敏度。另外，相比于常用的相位生成載波(PGC)和3×3耦合器相位解調(diào)方法，本發(fā)明提供的方法具有更寬的工作頻段，并且能夠很好的解調(diào)腔長為幾十到數(shù)百微米的低精細(xì)度短腔FP干涉型聲波探測器，而這種類型的聲波探測器是目前應(yīng)用最為廣泛的聲波探測器。

(3)本發(fā)明對提出的雙波長解調(diào)方法，克服了傳統(tǒng)雙波長解調(diào)方法的固有缺點(diǎn)。首先傳統(tǒng)方法需要兩個工作波長，因此具有兩個獨(dú)立的光路需要使用兩個獨(dú)立的光電探頭，光源功率的抖動、光電探頭的不同響應(yīng)、外界擾動造成的干涉譜漂移等，都會使得兩光路之間的光功率產(chǎn)生不平衡，造成解調(diào)信號的失真。本發(fā)明提出了一種歸一化方法，能夠有效克服兩路信號功率不平衡的問題。其次，傳統(tǒng)方法采用的是反正切發(fā)，需要兩路信號具備嚴(yán)格的正交特性，這使得FP傳感器的腔長受到了兩工作波長間隔的限制，本發(fā)明采用改進(jìn)的微分交叉相乘法(DCM)能夠應(yīng)用于各種不同腔長的FP傳感器。

(4)本發(fā)明對提出的解調(diào)算法，每個FP聲波探測器需要使用兩個不同的波長，這為波分復(fù)用提供了可能，可以利用寬帶光源和多通道濾波器以及波分復(fù)用器實現(xiàn)多個FP傳感頭的波分復(fù)用。

(5)本發(fā)明提供了一種高靈敏度低頻聲波傳感系統(tǒng)。具有結(jié)構(gòu)尺寸小、靈敏度高、動態(tài)范圍大、低頻響應(yīng)好的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器的系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器的傳感頭(FP傳感頭)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器解調(diào)算法流程圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中，1為寬帶光源、2為摻餌光纖放大器、3為光纖環(huán)形器、4為FP傳感頭、5為可調(diào)濾波器、6為第一高速光電探頭、7為第二高速光電探頭、8為數(shù)據(jù)采集單元、9為信號處理單元、10為單模光纖、11為陶瓷插芯、12為金屬套管、13為換能薄膜。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

針對現(xiàn)有解調(diào)技術(shù)的缺陷和需求，本發(fā)明提出基于雙波長解調(diào)的聲波傳感結(jié)構(gòu)，通過濾波器濾出FP傳感頭結(jié)構(gòu)干涉譜上的兩個固定的波長，將這兩路波長信號進(jìn)行運(yùn)算，解調(diào)出FP傳感頭結(jié)構(gòu)的相位信息。

本發(fā)明提供了一種基于聚合物薄膜的FP傳感頭的聲波探測器，包括寬帶光源1、摻鉺光纖放大器2、光纖環(huán)形器3、FP傳感頭4、可調(diào)濾波器5、光電轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)采集單元8和信號處理單元9。

其中，寬帶光源1輸出的光經(jīng)過摻鉺光纖放大器2放大后從光纖環(huán)形器3的第一端口輸入，然后第二端口出射，出射的寬帶光經(jīng)過FP傳感頭，聲波作用在FP傳感頭，在聲壓的作用下，薄膜會產(chǎn)生相應(yīng)的形變，使得FP腔的腔長受到聲波信號的調(diào)制，具體的表現(xiàn)在FP傳感頭輸出干涉信號的相位受到聲波的調(diào)制。加載了聲波調(diào)制信號的寬帶光經(jīng)過FP傳感頭反射，由光纖環(huán)形器的第二端口入射第三端口出射，進(jìn)入可調(diào)濾波器。

其中，可調(diào)濾波器從FP反射回的帶有聲波信息的寬帶光中濾出兩路具有不同波長的信號，濾出的兩個波長之間的具有固定的波長差。

其中，光電轉(zhuǎn)換單元包括兩個高速光電探頭，高速光電探頭的輸入端用作光電轉(zhuǎn)換單元的輸入端。第一個高速光電探頭連接可調(diào)濾波器的第一濾波輸出端口，第二個高速光電探頭連接可調(diào)濾波器的第二濾波輸出端口。兩路波長信號經(jīng)過高速光電探頭后由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，兩路電信號可以分別表示為：A₁和A₂分別為兩路信號的直流分量，與光源的功率以及光電探頭的增益等有關(guān)，B₁和B₂表示條紋的可見度；θ為需要解調(diào)的聲波信號；表示初始相位；為由于波長差產(chǎn)生的相位差。

其中，數(shù)據(jù)采集分析單元包括高速數(shù)據(jù)采集單元和信號處理單元，高速數(shù)據(jù)采集單元的第一輸入端連接光電轉(zhuǎn)換單元的第一輸出端，第二輸入端連接光電轉(zhuǎn)換單元的第二輸出端。信號處理單元將高速數(shù)據(jù)采集單元采集到的信號進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算解調(diào)出聲波信號。

其中，解調(diào)方法是一種改進(jìn)的被動零差解調(diào)方法，首先對采集到的兩路信號進(jìn)行歸一化運(yùn)算，信號的幅值歸一化到(0，1)區(qū)間，歸一化方法具體可以表示為，當(dāng)聲壓信號足夠大時，前面所述兩路電信號的最大值和最小值分別為A₁+B₁、A₁-B₁和A₂+B₂、A₂-B₂，通過如下的方法可以完成歸一化：Iˊ(t)＝[I(t)-I_min]/(I_max+I_min)，其中I_max和I_min信號的最大值和最小值。歸一化后的信號直流分量和條紋可見度近似為0.5，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路信號之間功率的平衡，同時通過做差可以方便的去除直流分量，去除直流分量后的信號再通過傳統(tǒng)的微分交叉相乘法解調(diào)出相位信息，解調(diào)出的信號可表示為：C為常數(shù)，為前文所述的相位差，僅影響系統(tǒng)靈敏度。

在本發(fā)明實施例中，可以用其它的波長選擇性器件，例如光纖布拉格光柵等代替可調(diào)濾波器，同時由于采用了改進(jìn)的DCM解調(diào)方法，濾波器濾出的兩個波長之間的差值不受FP傳感器腔長的限制。需要指出的是，當(dāng)波長差等于FP傳感頭干涉譜自由光譜范圍(FSR)的1/4時，此時兩路信號完全正交，等于90°，系統(tǒng)具有最大的靈敏度。另外，當(dāng)兩波長對稱的分布在干涉譜峰值波長的兩側(cè)時，兩路信號的響應(yīng)度相同，具有最優(yōu)的解調(diào)效果。

在本發(fā)明實施例中，由于在解調(diào)的過程中對兩路信號進(jìn)行了歸一化處理，通過這樣的相位解調(diào)方法可以有效的消除溫度漂移、光源功率抖動等外界因素造成的兩路信號功率不平衡對解調(diào)結(jié)果的影響。

在本發(fā)明實施例中，F(xiàn)P傳感頭的腔長不能太大，要保證干涉譜的FSR大于濾波器輸出信號的帶寬。

在本發(fā)明實施例中，圓薄膜的直徑為1mm～20mm、厚度為1um～50um；薄膜直徑越小靈敏度越低、頻率響應(yīng)范圍越大、傳感器制作工藝越復(fù)雜，薄膜厚度越小，傳感器靈敏度大，當(dāng)厚度大于50um時，傳感器將不能響應(yīng)聲波，當(dāng)厚度小于1um，薄膜制作成本將大大提高。薄膜適宜采用厚度薄且直徑小的設(shè)計方案，以保證傳感頭具有小的體積、大的頻率響應(yīng)范圍和高的探測靈敏度。薄膜可以采用聚合物塑料薄膜、石墨烯薄膜，或者鋁制、金質(zhì)、銀質(zhì)等金屬薄膜。

在本發(fā)明實施例中，由于濾波器從寬的光譜范圍內(nèi)濾出了兩個窄帶信號，會引入很大的損耗，損耗為20dB～30dB，另外傳感頭也具有較大的損耗，為保證信噪比，從FP傳感頭輸出進(jìn)入可調(diào)濾波器的光信號的功率要足夠高，可以使用EDFA對寬帶光源輸出的光信號放大或者采用反射率大的材料構(gòu)成FP腔的薄膜減小FP傳感頭的損耗。

如圖1所示，實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器的系統(tǒng)框圖，包括寬帶光源1、摻鉺光纖放大器2、光纖環(huán)形器3、復(fù)合物薄膜FP傳感頭4、可調(diào)濾波器5、第一高速光電探頭6、第二高速光電探頭7、數(shù)據(jù)采集單元8和信號處理單元9。在實施例1中，寬帶光源1采用發(fā)出的光輸入到摻鉺光纖放大器2被放大，然后通過光纖環(huán)形器3輸入到FP傳感頭，為聲波探測器提供光源。加載了聲波信號的寬帶光通過可調(diào)濾波器5濾出兩個波長，經(jīng)過高速光電探測模塊轉(zhuǎn)換為電信號然后由數(shù)據(jù)采集單元8采集后通過信號處理單元9解調(diào)出聲波信號。

如圖2所示的，是實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器的系統(tǒng)框圖；寬帶光源1為ASE光源，ASE光源發(fā)出的光經(jīng)過單模光纖連接EDFA，由EDFA放大后的光經(jīng)從光纖環(huán)形器的1端口輸入2端口輸出到達(dá)FP傳感頭，F(xiàn)P腔的兩個反射面由光纖端面和薄膜反射面組成，聲波信號作用在薄膜上，薄膜發(fā)生形變，使得FP腔的腔長發(fā)生改變，造成輸出光信號的相位發(fā)生相應(yīng)的調(diào)制。

攜帶有聲波信號的寬譜光經(jīng)過可調(diào)濾波器5濾波，可調(diào)濾波器5可以從寬譜信號中濾出兩個單一的波長，兩路波長之間具有固定的波長差，調(diào)節(jié)濾波器濾出兩個波長，經(jīng)過理論計算表明，當(dāng)兩路波長之間隔△λ與干涉儀的自由光譜范圍(FSR)滿足△λ＝(2k+1).FSR/4(k為整數(shù))時，系統(tǒng)具有最大靈敏度，實際應(yīng)用中，兩波長之間的間隔為干涉譜FSR的1/4并且對稱的分布在FP傳感頭干涉譜某一峰值波長的兩側(cè)，對應(yīng)兩路信號之間的相位差為90°，兩路信號的光經(jīng)過高速光電探頭后變成電信號，電信號由數(shù)據(jù)采集模塊采集后通過改進(jìn)的“積分交叉相乘”的數(shù)學(xué)運(yùn)算即可解調(diào)出FP傳感頭的相位信息，通過相位信息可以得到聲波信號的聲壓以及頻率。

如圖3所示的，是實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器傳感頭(FP傳感頭)的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感頭由單模光纖10、陶瓷插芯11、金屬套管12和換能薄膜13構(gòu)成。換能薄膜13和光纖端面之間形成的空氣腔為FP腔，空氣腔的腔長為L；金屬套管的內(nèi)徑和外徑分別為D₁和D₂；圓薄膜的直徑為1mm～20mm、厚度為h，取值范圍為1um～50um。為了獲得大的頻率響應(yīng)范圍和高的響應(yīng)靈敏度以及信噪比同時兼顧傳感頭的尺寸，可以選擇使用直徑小、厚度薄的薄膜。薄膜的材料可以是硅材料、聚合物、石墨烯等非金屬材料或者金、銀、銅、鋁等金屬材料，也可以采用在非金屬薄膜上鍍金屬材料這類復(fù)合薄膜。金屬薄膜或者復(fù)合薄膜具有較大的反射率，在保證干涉條紋對比度的情況下可以減小腔內(nèi)的損耗，由于濾波器是從寬譜光中濾出兩個窄帶光，會引入較大的損耗，因此，為了提高信噪比需要增大光源功率或者減小FP傳感頭的腔內(nèi)損耗。FP傳感頭的腔長為幾十到幾百微米，合理選擇腔長使得FP傳感頭干涉譜的FSP大于濾波器濾出的波長的帶寬。

如圖4所示為實施例1提供的一種基于雙波長解調(diào)的光纖法布里泊羅聲傳感器解調(diào)算法流程圖。對采集到的兩路信號先進(jìn)行歸一化處理，對采樣到的一組信號，提取其最大值和最小值，將原信號減去最小值然后除以最大值和最小值的和，這樣可以對原信號實現(xiàn)歸一化，歸一化后的信號幅值在0到1之間，且直流分量和條紋可見度都約為0.5，便于實現(xiàn)功率的均衡已經(jīng)直流分量的消除，然后通過做差去掉兩路信號的直流分量。對歸一化并且去除直流分量后的兩路信號(分別用信號1和信號2表示)進(jìn)行微分運(yùn)算，信號1微分運(yùn)算的結(jié)果與信號2相乘，信號2微分運(yùn)算的結(jié)果與信號1相乘，實現(xiàn)微分交叉相乘，對交叉相乘后的信號進(jìn)行做差運(yùn)算，對做差運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行積分即可得到被測聲波信號，解調(diào)出的聲波信號可表示為：其中C為常數(shù)，為前文所述的相位差，相位差與波長間隔Δλ的關(guān)系可以表示為不同的波長間隔只會對系統(tǒng)靈敏度產(chǎn)生影響。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。