一种光纤F‑P腔式声波传感器的解调方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于绝对光程差测量的光纤f-p腔式声波传感器的解调方法。

背景技术：

采用光纤光学方法探测声波具有高灵敏度、抗强电磁干扰、可远距离遥测、传感头无源因而本质安全等特点，在特殊环境的空气声波探测、水下声波探测(水听器)以及光声光谱测量技术中的光声信号探测等领域有重要的应用前景。

采用光纤f-p腔构成的干涉仪测量声波是一种结构简单且普遍采用的光纤声波探测方法，传感器的核心结构是由光纤端面与一个对声波敏感的膜片构成的f-p腔，当膜片在声波作用下振动时，光纤f-p腔的光程差会受到调制，从而引起反射回光纤的干涉光信号的相位和强度发生变化。通过测量信号强度变化来解调声波信号的方法称为干涉-强度解调方法，而通过相位测量来解调声波信号的方法称为相位解调方法。

干涉-强度解调方法是基于f-p腔干涉信号随光程差按余弦规律变化的特点，通过信号强度与光程差之间的关系检测声波信号，这种方法要求静态工作点保持稳定，同时检测动态范围要限制在1/4个周期内，否则会出现信号衰退和非线性响应问题。文献1[bing.yu,anbo.wang,grating-assisteddemodulationofinterferometricopticalsensors,appl.opt.42(2003)6824–6829]和文献2[bingyu,anbowang,garypickrell,andjunchengxu,tunable-optical-filter-basedwhite-lightinterferometryforsensing,opt.lett.30,1452-14542005]提出了一种通过动态调整光源中心波长的方法，补偿由于温度等环境因素引起的静态工作点漂移，但这种方法由于光源的调谐范围有限，对工作点漂移的补偿效果并不理想。文献3[中国发明专利：cn201510158109.2，一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及系统]针对光源波长调谐范围窄的问题，提出了一种工作点循环跟踪调整的方法，在一定程度上扩展了工作点的漂移补偿范围，但存在抗干扰能力弱，相位的循环跳变影响信号检测的连续性的问题，并且强度解调方法存在的测量线性动态范围小的问题依然无法解决。

文献4[dandridgea,tvetenab,giallorenzitg.homodynedemodulationschemeforfiberopticsensorsusingphasegeneratedcarrier[j].ieeejournalofquantumelectronics.1982,18(10),1647-1653]首次提出了相位生成载波(pgc)的相位解调方法，pgc解调方法具有较大的测量动态范围，并可以消除静态工作点漂移带来的信号衰退现象。后来文献5[maox,tianx,zhoux,etal.characteristicsofafiber-opticalfabry–perotinterferometricacousticsensorbasedonanimprovedphase-generatedcarrier-demodulationmechanism[j].opticalengineering,2015,54(4):046107]针对pgc方法存在的非线性失真和稳定性差的问题进行了改进，然而pgc解调方法仍存在声波检测的灵敏度低，信号处理方法复杂等问题，难以在弱声波信号检测中得到实际应用。因而，针对基于光纤f-p腔的声波传感器提出一种高灵敏度、大动态测量范围和高稳定性的解调方法及系统具有重要的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种用于光纤f-p腔式声波传感器的新的解调方法，旨在提高现有f-p腔类光纤声波传感器的灵敏度、线性响应动态范围、信噪比和稳定性。

本发明的原理如下：利用快速采样光纤光谱仪对光纤f-p腔类传感器的低细度干涉光谱的快速测量和反演计算，可以获得经声波信号调制的f-p腔的光程差的瞬时绝对值。根据低细度f-p腔反射干涉光谱的表达式：式中λ表示光波长，a和b是决定于入射光强与f-p腔干涉对比度的常数。t时刻的光程差(opd0+δopd(t))可以通过读取t时刻光谱仪测得的光谱数据计算得到，其中表示静态光程差的opd0是不受声波影响而对环境温度等因素敏感的直流量，可以通过计算总光程差的时间平均值得到并滤除，从而消除了由于环境温度、气压等因素变化对测量的影响，总光程差中随时间变化项δopd(t)即为膜片响应声波振动引起的光程差，该光程差正比于声波的振幅。

本发明的技术方案：

一种光纤f-p腔式声波传感器的解调方法，利用快速采样光谱仪对受到声波调制的光纤f-p腔的瞬态绝对光程差进行实时测量，然后反演计算光程差的方法，实现对声波的高灵敏度、大线性动态范围的测量并不受静态工作点漂移的影响；该方法所用的光纤f-p腔式声波传感器的解调系统，包括光源1、光纤环形器2、信号传输光纤3、光纤f-p腔声波传感头4、快速采样光纤光谱仪5和计算机6；

具体步骤如下：首先光源1发出的低相干宽谱光依次经光纤环形器2和信号传输光纤3，导入光纤f-p腔声波传感头4后，在光纤f-p腔声波传感头4的耦合光纤7的端面与声波敏感膜片9的内表面发生反射，反射光耦合回信号传输光纤3后，经光纤环形器2导入光纤光谱仪5；光纤光谱仪5将采集到的干涉光谱数据传输给计算机6；最后，计算机6通过反演计算光程差方法对干涉光谱数据的反演计算得出经声波信号调制的f-p腔的瞬态绝对光程差，得到正比于声波振幅的膜片形变量的波形并显示。

所述的光源1是一种宽谱光源，光谱宽度大于20nm。

所述的光纤f-p腔声波传感头4是一种基于光纤f-p干涉仪结构的声波敏感单元。

所述的反演计算光程差方法是基于快速傅里叶变换或互相关原理的计算方法，是一种绝对光程差的计算方法。

通过对反演计算得到的f-p腔的绝对光程差进行时间平均得到静态光程差值并扣除，使声波测量不受环境温度变化等因素的影响。

本发明的有益效果：基于光纤f-p腔绝对光程差测量的声波传感解调方法和系统可从根本上克服“干涉-强度”解调方法中存在的因光源功率变化、光路损耗变化和传感头静态工作点漂移等引起的测量误差、灵敏度下降、非线性响应及动态范围小等问题。另一方面，由于光纤f-p腔干涉谱测量是利用光谱仪中多光电探测单元的并行测量，可同时获得干涉光谱不同波长对应的几百到几千个光谱数据，经反演计算可得到高达pm量级的光程差分辨率，因此具有远高于相位生成载波方法的测量灵敏度和稳定性。本发明将大幅提高f-p腔类光纤声波传感器探测微弱声波信号的能力，为强电磁干扰、易燃易爆环境下的空气声波探测和高灵敏度水声探测等重要应用提供一种新的高性能的解决方案。

附图说明

图1是采用宽谱光源的光纤f-p腔光纤声波传感器系统示意图。

图2是膜片式光纤f-p腔声波传感头的结构示意图。

图中：1光源；2光纤环形器；3信号传输光纤；4光纤f-p腔声波传感头；

5快速采样光纤光谱仪；6计算机；7耦合光纤；8陶瓷插针；

9声波敏感膜片；10外壳。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明的采用宽谱光源的光纤f-p腔光纤声波传感器系统示意图如图1所示，包括光源1、光纤环形器2、信号传输光纤3、光纤f-p腔声波传感头4、快速采样光纤光谱仪5和计算机6。

光源1发出的宽谱连续光经光纤环形器2和信号传输光纤3进入光纤f-p腔声波传感头4，f-p腔对声波敏感的反射膜片受到外部声波作用后产生正比于声波幅度的周期性的形变，从而引起入射到膜片内表面的反射光与经光纤端面直接反射光的光程差发生相应的变化，干涉光经过信号传输光纤3和光纤环形器2耦合回到快速采样光纤光谱仪5，快速采样光纤光谱仪5即可测到随声波变化的f-p腔的干涉光谱，计算机6对光谱仪5发送的干涉光谱数据进行实时反演计算既可以得到正比于声波振幅的膜片形变量的波形。

其中，光源1是一种宽谱自发辐射光源，光谱宽度大于20nm。

光纤f-p腔声波传感头4是一种基于光纤f-p干涉仪结构的声波敏感单元，由一个垂直光纤轴线的平整光纤端面和一个对声波敏感的膜片构成。

光谱仪5为一种可高速率采集光谱数据的光栅分光式或干涉式光谱仪，该光谱仪通过阵列式光电探测器测量光谱，光谱仪的采样速率大于待测声波信号最高频率分量的2倍。

图2是膜片式光纤f-p腔声波传感头的结构示意图。光纤f-p腔声波传感头4由耦合光纤7、陶瓷插针8、声波敏感膜片9和外壳10组成。陶瓷插针8和声波敏感膜片9之间的空气隙构成非本征f-p腔。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。