專利名稱：基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置，屬于光纖傳 感及傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電類麥克風(fēng)，易受電磁干擾，且傳感部件有電流、電壓的存在，這些嚴(yán)重限 制它們的應(yīng)用范圍，例如工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)的大型機(jī)電設(shè)備場(chǎng)所(電廠)，存放易燃、 易爆氣體的倉(cāng)庫(kù)，以及醫(yī)院里的核磁共振測(cè)試間等等。光纖麥克風(fēng)因具有抗電磁干擾，體積 小，重量輕，易于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，正成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。光纖麥克風(fēng)按照工 作原理可以分為三類強(qiáng)度調(diào)制型、光纖光柵型和干涉型。強(qiáng)度型麥克風(fēng)是基于光纖中傳輸 光強(qiáng)被聲波調(diào)制的原理，該型光纖麥克風(fēng)研究開發(fā)較早，主要調(diào)制形式有光纖微彎式、光纖 絞合式、受抑全內(nèi)反射式及光柵式等。這種光纖麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解調(diào)方法相對(duì)容易，但其 存在著精度低，受外界干擾大等較嚴(yán)重的缺點(diǎn)。光纖光柵型麥克風(fēng)原理利用聲波應(yīng)變?cè)斐?光纖布拉格光柵(FBG)反射譜漂移，將波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)，提取聲波信號(hào)。這種光纖麥克風(fēng)低頻 響應(yīng)差，通常用于超聲探測(cè)，而且穩(wěn)定性較差。通常采用波分復(fù)用技術(shù)構(gòu)成的光纖麥克風(fēng)陣列需使用多個(gè)光源和多個(gè)光接收電 路，成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，如何降低成本，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單光收發(fā)的光纖麥克風(fēng)陣列， 成為關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于空分復(fù)用的干涉 型光纖麥克風(fēng)分布式陣列裝置，采用紅光LED作為光纖麥克風(fēng)的光源，成本低廉，光源驅(qū)動(dòng) 電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高。技術(shù)方案本發(fā)明的基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置，其特征 在于該陣列裝置包括紅光LED、隔離器、1X2耦合器、2X1耦合器、光開關(guān)、拾音探頭陣列、第 一光電轉(zhuǎn)換電路、第二光電轉(zhuǎn)換電路、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理及解復(fù)用模塊；其中，紅光 LED、隔離器、1X2耦合器順序串聯(lián)連接，1X2耦合器的第一輸出端接2X1耦合器的第一輸入 端，1X2耦合器的第二輸出端通過第一光電轉(zhuǎn)換電路接信號(hào)處理及解復(fù)用模塊；拾音探頭 陣列、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊通過光開關(guān)與2X1耦合器的第二輸入端相接，2X1耦合器的輸出端通 過第二光電轉(zhuǎn)換電路接信號(hào)處理及解復(fù)用模塊，信號(hào)處理及解復(fù)用模塊的輸出分兩部分， 其中一路輸出同步信號(hào)接光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊，另一路輸出音頻信號(hào)。所述的拾音探頭陣列由一組干涉型光纖麥克風(fēng)的拾音探頭組成，該拾音探頭包括 光纖、環(huán)形陶瓷夾具、振動(dòng)反射膜、金屬透音網(wǎng)罩及金屬外殼；其中，環(huán)形陶瓷夾具的內(nèi)壁與 光纖的包層相固定連接，環(huán)形陶瓷夾具的外壁固定在金屬外殼內(nèi)側(cè)，振動(dòng)反射膜外壁、金屬 透音網(wǎng)罩外壁也固定在金屬外殼內(nèi)側(cè)；光纖與振動(dòng)反射膜相接觸的端面成凹形與振動(dòng)反射 膜的接觸面積相吻合，擴(kuò)大光與振動(dòng)反射膜的接觸面積。
所述的信號(hào)處理及解復(fù)用模塊包括同步信號(hào)發(fā)生器、差分模塊、多路信號(hào)解復(fù)用 模塊；差分模塊的輸入端為差分輸入端口，與第一光電轉(zhuǎn)換電路、第二光電轉(zhuǎn)換電路的輸出 端連接，同步信號(hào)發(fā)生器的輸出分兩路，一路接多路信號(hào)解復(fù)用模塊，另一路同步信號(hào)輸出 接光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊，多路信號(hào)解復(fù)用模塊的輸出為音頻信號(hào)輸出。有益效果1)采用紅光LED作為光纖麥克風(fēng)的光源，成本低廉，光源驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性
尚ο2)采用邁克爾遜干涉儀原理制作拾音探頭，并優(yōu)化了探頭個(gè)組成部分的參數(shù)，靈 敏度高，實(shí)用性強(qiáng)。3)采用差分的方式去除光源抖動(dòng)對(duì)光纖麥克風(fēng)的影響，減小了系統(tǒng)噪聲，提高了 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4)利用光開關(guān)，基于采樣原理，實(shí)現(xiàn)多傳感探頭空分復(fù)用，構(gòu)成分布式光纖麥克風(fēng) 陣列，與波分復(fù)用相比，不需要采用價(jià)格昂貴的可調(diào)諧激光器或多個(gè)不同波長(zhǎng)的激光器，而 且只需一路光電探測(cè)器即可，成本低廉，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。


圖1為本發(fā)明提出的基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置；圖2為本發(fā)明提出的干涉型拾音探頭結(jié)構(gòu)；圖3為本發(fā)明提出的信號(hào)處理及解復(fù)用模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
具體實(shí)施例方式該陣列裝置包括紅光LED1、隔離器2、1X2耦合器3、2X1耦合器4、光開關(guān)5、拾音探 頭陣列6、第一光電轉(zhuǎn)換電路7、第二光電轉(zhuǎn)換電路8、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊9、信號(hào)處理及解復(fù)用 模塊10 ；其中，紅光LED1、隔離器2、1X2耦合器3順序串聯(lián)連接，1X2耦合器3的第一輸出 端接2X1耦合器4的第一輸入端，1X2耦合器3的第二輸出端通過第一光電轉(zhuǎn)換電路7接信 號(hào)處理及解復(fù)用模塊10 ；拾音探頭陣列6、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊9通過光開關(guān)5與2X1耦合器4 的第二輸入端相接，2X1耦合器4的輸出端通過第二光電轉(zhuǎn)換電路8接信號(hào)處理及解復(fù)用模 塊10，信號(hào)處理及解復(fù)用模塊10的輸出分兩部分，其中一路輸出同步信號(hào)接光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模 塊9，另一路輸出音頻信號(hào)。本發(fā)明提出的干涉型拾音探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，拾音探頭陣列6，拾音探頭陣列由 N個(gè)干涉型拾音探頭(sl，s2, sN)組成，N為大于或等于2的自然數(shù)，每個(gè)探頭由端面 為凹形且鍍有反射膜的光纖11、環(huán)形陶瓷夾具12、振動(dòng)反射膜13、金屬透音網(wǎng)罩14及金屬 外殼15組成；光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊9，驅(qū)動(dòng)IXN光開關(guān)5工作；信號(hào)處理及解調(diào)模塊10，由同步 信號(hào)發(fā)生器16，差分模塊17，多路信號(hào)解復(fù)用模塊18組成，同步信號(hào)發(fā)生器16產(chǎn)生同步信 號(hào)，通過光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊9控制光開光的通斷，利用采樣原理實(shí)現(xiàn)多路探頭的復(fù)用，差分模 塊17去除光源抖動(dòng)的影響，多路信號(hào)解復(fù)用模塊18，將每一路信號(hào)分離開，并還原和輸出 每一路的聲音信號(hào)?；诳辗謴?fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列的特征在于1)、使用紅光LED作 為光源，降低了成本；2)、利用光開關(guān)，構(gòu)成單一光收發(fā)模塊的分布式傳感陣列；3)、使用了干涉型高靈敏度的拾音探頭陣列。拾音探頭的特征在于一系列的增敏措施1)、將光纖11端面磨成凹形，擴(kuò)大光與 振動(dòng)反射膜13的接觸面積；2)、在光纖11端面鍍上一定反射率的反射膜，使干涉儀的可見 度達(dá)到最大；3)、在探頭使用金屬透音網(wǎng)罩14，與振動(dòng)反射膜13形成空腔，提高振動(dòng)反射膜 的靈敏度。振動(dòng)反射膜13與光纖11接觸的圓弧面半徑R1大于光纖11的直徑；振動(dòng)反射 膜13的直徑R2等于金屬外殼15的內(nèi)徑，振動(dòng)反射膜13的厚度為d。信號(hào)處理及解調(diào)模塊的特征在于1)、利用光電轉(zhuǎn)換電路7的輸出，消除光源抖動(dòng) 對(duì)系統(tǒng)的影響；2)、通過控制光開關(guān)的快速通斷，基于采樣原理，實(shí)現(xiàn)多路空分復(fù)用，并且不 丟失各路聲音信號(hào)的任何信息。本發(fā)明提出的信號(hào)處理及解復(fù)用模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，所述的信號(hào)處理及解 復(fù)用模塊10包括同步信號(hào)發(fā)生器16、差分模塊17、多路信號(hào)解復(fù)用模塊18 ；差分模塊17的 輸入端為差分輸入端口，與第一光電轉(zhuǎn)換電路7、第二光電轉(zhuǎn)換電路8的輸出端連接，同步 信號(hào)發(fā)生器16的輸出分兩路，一路接多路信號(hào)解復(fù)用模塊18，另一路同步信號(hào)輸出接光開 關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊9，多路信號(hào)解復(fù)用模塊18的輸出為音頻信號(hào)輸出。具體工作過程如下紅光LEDl連續(xù)發(fā)出的光波，經(jīng)過隔離器2后，被1X2耦合器3 分成兩路，一路被送到光電轉(zhuǎn)換電路7被轉(zhuǎn)換成光源參考信號(hào)，一路經(jīng)過1X2耦合器4，到達(dá) IXN光開關(guān)5 ；信號(hào)處理及解復(fù)用模塊10輸出同步信號(hào)，通過光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊9控制IXN光 開關(guān)，依次塊速循環(huán)接通拾音探頭陣列6中的各個(gè)探頭，實(shí)現(xiàn)基于采樣原理的空分復(fù)用。在 拾音探頭中，一部分光波被光纖11端面反射，一部分穿過光纖11端面和振動(dòng)反射膜13之 間的氣隙，經(jīng)由振動(dòng)反射膜13反射回來，兩部分光在光纖11端面處出發(fā)生干涉，當(dāng)外界聲 波通過金屬透音網(wǎng)罩14激起振動(dòng)反射膜13振動(dòng)時(shí)，經(jīng)由振動(dòng)反射膜反射回來的光波相位 發(fā)生變化，兩部分光干涉后的強(qiáng)度發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了聲波信號(hào)對(duì)光波信號(hào)的相位調(diào)制。干涉 后的光波原路返回，再次經(jīng)過1X2耦合器4，被分成兩路，一路經(jīng)過1X2耦合器3在隔離器 2中損耗掉，另一路被送到光電轉(zhuǎn)換電路8中，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換電路7和光電轉(zhuǎn)換 電路8的輸出是信號(hào)處理與解復(fù)用模塊10的輸入。信號(hào)處理與解復(fù)用模塊10中的差分模 塊17利用光源參考信號(hào)，通過差分來消除光電轉(zhuǎn)換電路8輸出信號(hào)中的光源噪聲成分，多 路信號(hào)解復(fù)用模塊，完成各路信號(hào)的分離、還原和輸出各路聲音信號(hào)。通過上述實(shí)施方式，使用開關(guān)頻率為IMHz光開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了 10路拾音探頭的同時(shí)同 步復(fù)用，其中每一路采樣率為96KHz。
權(quán)利要求
一種基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置，其特征在于該陣列包括紅光LED(1)、隔離器(2)、1X2耦合器(3)、2X1耦合器(4)、光開關(guān)(5)、拾音探頭陣列(6)、第一光電轉(zhuǎn)換電路(7)、第二光電轉(zhuǎn)換電路(8)、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(9)、信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)；其中，紅光LED(1)、隔離器(2)、1X2耦合器(3)順序串聯(lián)連接，1X2耦合器(3)的第一輸出端接2X1耦合器(4)的第一輸入端，1X2耦合器(3)的第二輸出端通過第一光電轉(zhuǎn)換電路(7)接信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)；拾音探頭陣列(6)、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(9)通過光開關(guān)(5)與2X1耦合器(4)的第二輸入端相接，2X1耦合器(4)的輸出端通過第二光電轉(zhuǎn)換電路(8)接信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)，信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)的輸出分兩部分，其中一路輸出同步信號(hào)接光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(9)，另一路輸出音頻信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置，其特征 在于所述的信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)包括同步信號(hào)發(fā)生器(16)、差分模塊(17)、多路信 號(hào)解復(fù)用模塊(18)；差分模塊(17)的輸入端為差分輸入端口，與第一光電轉(zhuǎn)換電路(7)、第 二光電轉(zhuǎn)換電路(8)的輸出端連接，同步信號(hào)發(fā)生器(16)的輸出分兩路，一路接多路信號(hào) 解復(fù)用模塊(18)，另一路同步信號(hào)輸出接光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(9)，多路信號(hào)解復(fù)用模塊(18) 的輸出為音頻信號(hào)輸出。
全文摘要
一種基于空分復(fù)用的分布式干涉型光纖麥克風(fēng)陣列裝置是一種成本低廉，光源驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高的麥克風(fēng)陣列，其中，紅光LED(1)、隔離器(2)、1X2耦合器(3)順序串聯(lián)連接，1X2耦合器(3)的第一輸出端接2X1耦合器(4)的第一輸入端，1X2耦合器(3)的第二輸出端通過第一光電轉(zhuǎn)換電路(7)接信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)；拾音探頭陣列(6)、光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(9)通過光開關(guān)(5)與2X1耦合器(4)的第二輸入端相接，2X1耦合器(4)的輸出端通過第二光電轉(zhuǎn)換電路(8)接信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)，信號(hào)處理及解復(fù)用模塊(10)的輸出分兩部分，其中一路輸出同步信號(hào)接光開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(9)，另一路輸出音頻信號(hào)。
文檔編號(hào)H04R23/00GK101945320SQ20101022495
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者孫小菡, 柏寧豐, 樊鶴紅, 潘超, 秦川 申請(qǐng)人:東南大學(xué)