一种FP干涉型声波探测器及声波探测方法

一种fp干涉型声波探测器及声波探测方法
技术领域
1.本发明属于声波探测技术领域，更具体地，涉及一种fp干涉型声波探测器及声波探测方法。


背景技术：

2.声波探测技术在基础设施、医疗健康、国防军事、灾害预警等领域具有广阔的应用前景。目前实用化的声波探测器主要是电容式和压电式的电学声波探测器。这类电学传感器虽然结构机理简单并且灵敏度表现不错，但在强电磁、易燃易爆、远距离传输等环境中具有很大的应用局限。
3.光纤声波传感器抗电磁干扰、体积易小型化、灵敏度高、抗电磁干扰、易于复用组网、规避了电学传感器的很多问题。一直以来，声波传感器的研究都追求着高灵敏度、大动态范围、性能稳定、结构简单的目标，fp(fabry-perot，法布里珀罗)干涉型光纤声波传感器结构最为简单、灵敏度高、噪声水平低、易小型化，展现了极大潜力，如何优化设计传感器的敏感结构单元与光学探测结构受到了研究学者的极大重视。
4.声波信号的解调方法的优劣会大大影响系统的探测性能，是光纤声波传感器的一个重要研究方向。干涉型声波传感器的常见解调方法有斜边解调法、相位解调法。其中，相位解调法可以直接解调干涉仪输出信号的相位，灵敏度高、动态范围大，抗干扰强，解决了斜边解调法中工作波长需要锁定干涉谱q点的缺点。
5.常见的相位解调方法有相位生成载波法、3
×
3耦合器法以及光谱解调法，前两种方法均属于被动零差解调方法。相位载波生成解调方法需要生成严格的载波，解调算法也相对复杂；3
×
3耦合器法需要使用3
×
3耦合器，需要严格控制耦合比为1:1:1以及各输出端的相位差为120
°
；改进的3
×
3耦合法需要配合椭圆拟合等算法，可以放宽对耦合比和相位差的要求，但是对小信号的解调很有限。对于光谱解调算法，通过对干涉仪的干涉光谱进行运算获得干涉相位，具有精度高，抗干扰强，受系统噪声影响小的优势，适合解调低频信号，但涉及到反运算出相位的计算步骤，常常会引入相位跳变的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种fp干涉型声波探测器及声波探测方法，旨在不改变传感器的结构，使用相位解调算法实现相位放大，提高系统的相位灵敏度，扩大系统的动态范围，以实现结构简单、灵敏度高、噪声水平低、易小型化的目标。
7.本发明一方面提供了一种fp干涉型声波探测器，包括：光源、光纤环形器、fp传感头、光谱实时采集模块和信号处理解调模块；光源的输出端连接光纤环形器的输入端；光纤环形器包括三个端口，第一端口连接至光纤衰减器的输出端，第二端口连接fp传感头，第三端口连接至光谱实时采集模块的输入端；光谱实时采集模块的输入端连接至光纤环形器的第三端口，输出端连接至信号处理解调模块。光纤环形器用于控制光源产生的光信号传输至fp传感头，携带待测的声波信号后反射至光谱实时采集模块，光谱实时采集模块用于实
时采集光谱信号，信号处理解调模块用于解调相位，进而解调出待测的声波信号。
8.进一步地，fp传感头包括：光纤准直器、插芯、套管和薄膜；光纤准直器插入插芯，通过插芯实现光纤准直器的固定，薄膜粘贴在所述套管端面，插芯插入套管内部并固定，在薄膜和光纤准直器端面之间形成腔体，构成光纤外腔式fp干涉仪。薄膜用于将声波转换为薄膜振动，从而改变fp腔体的腔长，将声波探测转换为解调干涉光的相位变化。
9.更进一步地，光纤准直器包括：单模光纤、增透膜、自聚焦透镜和增反膜。单模光纤端面和自聚焦透镜内表面之间做0
°
角耦合，并且覆盖一层增透膜控制回波损耗。在自聚焦透镜的外表面镀增反膜，作为fp的一个反射面，反射率需根据多光束干涉的原理设计，针对于二阶峰时反射率为60％左右适宜，针对三阶峰时反射率为70％左右适宜，另一个反射面是薄膜。光在光纤中传输，高斯光束经过自聚焦透镜变为平行光，其中一部分光被分光膜反射，重新耦合进光纤；剩下的光透射进fp腔，在腔内发生多次反射形成多光束干涉。
10.更进一步地，自聚焦透镜端面的增反膜的反射率可以进行理论设计，通过设计反射率使光谱的傅里叶谱上的所选高阶特征频率峰更明显，以便于改进的傅里叶相位解调算法进行寻峰(前三阶会更加明显)。
11.更进一步地，薄膜为圆形薄膜，薄膜的材料为高反射率的薄膜，包括金属薄膜，如铝制、金质、银质等金属薄膜，也包括高反射率的多层复合薄膜，反射率达到95％以上。
12.有益效果：现有的fp声波探测器，通常为低精细度的传感器，只考虑fp腔中经过一个来回的反射光与不进入fp腔的反射光之间的双光束干涉。本发明中提出的fp声波探测器可以在不增加传感器结构尺寸的前提下，可以实现相位灵敏度的倍增。由于需要产生多光束干涉，但单模光纤输出光存在发散角，多次反射后的光损耗很大，仅在光纤端面镀增反膜无法解决。因此，本发明通过使用光纤准直器来减少光的空间散射损耗，并通过镀增反膜和使用高反射率薄膜减少光在腔中多次反射的损耗，形成高精细度反射光谱，利用该反射光谱进行相位解调以实现提高灵敏度。
13.本发明另一方面提出了一种基于本发明第一方面提供的声波探测器的声波探测方法，针对高精细度fp干涉光谱的解调，包括下述步骤：
14.s1.对fp传感头的反射光谱进行实时采集，所述反射光谱由待测声波引起薄膜振动，导致反射的干涉光信号相位变化产生；
15.s2.对采集到的反射光谱进行傅里叶变换，傅里叶谱上可以观察到一系列特征频率峰；
16.s3.锁定每一帧反射光谱的傅里叶频谱上的第d阶频率峰并得到该处频谱分量的实部和虚部，其中d≥2；
17.s4.对第d阶频率处的频谱分量的实部和虚部进行运算得到声波引起的相位变化，即相位解调结果；
18.s5.对所述相位解调结果中每一个时刻与前一个时刻相位的差的绝对值大于阈值的点进行相位循环修正；
19.s6.根据修正后的相位解调结果，通过标准传感器的标定结果，得到待测的声波信号。
20.更进一步地，本发明的傅里叶相位解调算法，既适合双光束干涉也适用多光束干涉，对多光束干涉可以实现相位倍增。多光束干涉反射光谱的傅里叶谱上有多个特征频率
峰，可视为无数双光束干涉叠加的结果。对于腔内反射n次来回与m次来回的光之间的干涉(m》n)，干涉光强为：所有满足m-n＝d的干涉光强总和为：反映在傅里叶频谱上第d个特征频率峰处，第d阶特征频率可以表示为：fd≈2nd[l0+δl(t)]/λ2，n为腔内介质的折射率，l为实时腔长，l0为初始腔长，a、b为常数。此时，在第d阶特征频率峰处解调得到的相位值4πdnl/λ为第一阶特征频率处解调相位的d倍。
[0021]
更进一步地，本发明提出的改进的傅里叶相位解调算法，在使用的特征频率峰的阶数上有所不同。对于有明显高阶频率峰的高精细度光谱，不选取幅值最大的一阶特征频率进行解调，而是选取高阶特征频率进行傅里叶相位解调，可以解调出倍增d后的相位值。对于采集的每帧光谱，假设第d阶特征频率在光谱傅里叶谱的第k点处，锁定每帧频谱的第k点处，得到其频谱分量的实部和虚部，那么由声波引起的相位变化可以表示为：点处，得到其频谱分量的实部和虚部，那么由声波引起的相位变化可以表示为：是初始光谱相位。
[0022]
更进一步地，本发明提出的改进的傅里叶相位解调算法，在算法上进行了一定改进，对相位解调中使用反正切运算普遍存在的相位跳变(当相位值大于π/2，反正切运算得到的值会与真实值相差π的整倍)进行了相位修正。选取一个阈值，对于傅里叶相位解调算法解调出来的相位信号进行循环检测，如果某一点的相位值与前一个相位值之差的绝对值大于阈值，则进行相位循环修正，如果循环过程中此时相位比前一个相位值大，则减去π，如果此时相位比前一个相位值小，则加上π，直至相邻两点相位差的绝对值小于阈值。
[0023]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0024]
(1)本发明提供了一种改进的傅里叶相位解调算法，配合高精细度fp干涉光谱，锁定不同时刻反射光谱的傅里叶谱上的同一高阶频率峰，获取该处频率分量的实部和虚部进行解调。该思路可以在不改变传感器结构和尺寸的同时，让传感系统的相位灵敏度倍增，倍增倍数与所选取的高阶特征频率峰的阶数d有关。
[0025]
(2)本发明提供了一种改进的傅里叶相位解调算法，是一种光谱解调算法，相比于相位载波生成法和3
×
3耦合法，既可以解调双光束干涉也可以解调多光束干涉，而相位载波生成法和3
×
3耦合法只适用于双光束干涉情况，并且该算法精度更高，对小信号的解调性能优越，抗干扰能力强。用循环阈值修正的方法对相位解调中由于反正切运算而导致的相位突变进行了修正，使传感系统检测声波的动态范围大大拓宽。
[0026]
(3)本发明提供了一种改进的傅里叶相位解调算法，相比于以往针对高精细度光谱进行解调的斜边解调法有一定优势。在斜边解调时，高精细度光谱的斜边斜率更大，传感器的灵敏度可以得到提高，但是解调动态范围太小，光谱抖动漂移影响很大，并且很难锁定波长。而本发明中的光谱解调算法，仅受限于光谱采集模块的采样率，对于低频的声波信号，可以得到稳定的成倍放大的相位解调结果。
[0027]
(4)本发明提供了一种基于高精细度fp干涉的声波探测器，相比现有的电学声波探测器而言具有抗电磁干扰、易于复用组网、传输损耗小适合长距离监测等优点。相比于现有的光学声波探测器，具有结构尺寸小、相位灵敏度高、低频响应好等特点。
附图说明
[0028]
图1是本发明实施例提供的一种fp干涉型声波探测器的系统框图；
[0029]
图2是本发明实施例提供的一种fp干涉型声波探测器的系统结构示意图；
[0030]
图3是本发明实施例提供的一种fp干涉型声波探测器的fp传感头结构示意图；
[0031]
图4是本发明实施例提供的一种fp干涉型声波探测器的光谱(a)及其傅里叶变换谱(b)；
[0032]
图5是本发明实施例提供的一种基于改进的傅里叶相位解调的高精细度光纤法布里珀罗声波传感器的解调算法流程图；
[0033]
图6是本发明实施例提供的一种基于改进的傅里叶相位解调的高精细度光纤法布里珀罗声波传感器的一阶和二阶解调结果示意图；
[0034]
图7是本发明实施例提供的一种基于改进的傅里叶相位解调的高精细度光纤法布里珀罗声波传感器的相位跳变修正算法流程图。
[0035]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为光源、2为光纤环形器、3为fp传感头、4为光谱实时采集模块、5为信号处理解调模块、6为光纤准直器、7为插芯、8为套管、9为薄膜、10为单模光纤、11为增透膜、12为自聚焦透镜、13为增反膜。
具体实施方式
[0036]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0037]
针对现有的声波检测的高灵敏度的要求，本发明提出了一种基于高精细度fp干涉的声波探测系统以及相位解调算法，在镀增反膜的自聚焦透镜端面和高反射率的薄膜之间发生多光束干涉，形成fp腔，通过改进的傅里叶相位解调算法在反射光谱的傅里叶谱的高阶峰处进行解调，实现相位放大和相位灵敏度的倍增。
[0038]
本发明一方面提供了一种fp干涉型声波探测器，包括：光源、光纤环形器、fp传感头、光谱实时采集模块和信号处理解调模块；光源的输出端连接光纤环形器的输入端；光纤环形器包括三个端口，第一端口连接至光纤衰减器的输出端，第二端口连接fp传感头，第三端口连接至光谱实时采集模块的输入端；光谱实时采集模块的输入端连接至光纤环形器的第三端口，输出端连接至信号处理解调模块。光纤环形器用于控制光源产生的光信号传输至fp传感头，携带待测的声波信号后反射至光谱实时采集模块，光谱实时采集模块用于实时采集光谱信号，信号处理解调模块用于解调相位，进而解调出待测的声波信号。
[0039]
具体地，fp传感头包括：光纤准直器、插芯、套管和薄膜；光纤准直器插入插芯，通过插芯实现光纤准直器的固定，薄膜粘贴在所述套管端面，插芯插入套管内部并固定，在薄膜和光纤准直器端面之间形成腔体，构成光纤外腔式fp干涉仪。薄膜用于将声波转换为薄膜振动，从而改变fp腔体的腔长，将声波探测转换为解调干涉光的相位变化。
[0040]
具体地，光纤准直器包括：单模光纤、增透膜、自聚焦透镜和增反膜。单模光纤端面和自聚焦透镜内表面之间做0
°
角耦合，并且覆盖一层增透膜控制回波损耗。在自聚焦透镜的外表面镀增反膜，作为fp的一个反射面，另一个反射面是薄膜。光在光纤中传输，高斯光
束经过自聚焦透镜变为平行光，其中一部分光被分光膜反射，重新耦合进光纤；剩下的光透射进fp腔，在腔内发生多次反射形成多光束干涉。
[0041]
具体地，自聚焦透镜端面的增反膜的反射率可以进行理论设计，通过设计反射率使光谱的傅里叶谱上的所选高阶特征频率峰更明显，以便于改进的傅里叶相位解调算法进行寻峰(前三阶会更加明显)。
[0042]
具体地，薄膜为圆形薄膜，薄膜的材料为高反射率的薄膜，包括金属薄膜，如铝制、金质、银质等金属薄膜，也包括高反射率的多层复合薄膜。
[0043]
本发明另一方面提出了一种基于上述声波探测器的声波探测方法，针对高精细度fp干涉光谱的解调，包括下述步骤：
[0044]
s1.对fp传感头的反射光谱进行实时采集，所述反射光谱由待测声波引起薄膜振动，导致反射的干涉光信号相位变化产生；
[0045]
s2.对采集到的反射光谱进行傅里叶变换，傅里叶谱上可以观察到一系列特征频率峰；
[0046]
s3.锁定每一帧反射光谱的傅里叶频谱上的第d阶频率峰并得到该处频谱分量的实部和虚部，其中d≥2；
[0047]
s4.对第d阶频率处的频谱分量的实部和虚部进行运算得到声波引起的相位变化，即相位解调结果；
[0048]
s5.对所述相位解调结果中每一个时刻与前一个时刻相位的差的绝对值大于阈值的点进行相位循环修正；
[0049]
s6.根据修正后的相位解调结果，通过标准传感器的标定结果，得到待测的声波信号。
[0050]
具体地，本发明的傅里叶相位解调算法，既适合双光束干涉也适用多光束干涉，对多光束干涉可以实现相位倍增。多光束干涉反射光谱的傅里叶谱上有多个特征频率峰，可视为无数双光束干涉叠加的结果。对于腔内反射n次来回与m次来回的光之间的干涉(m》n)，干涉光强为：所有满足m-n＝d的干涉光强总和为：反映在傅里叶频谱上第d个特征频率峰处，第d阶特征频率可以表示为：fd≈2nd[l0+δl(t)]/λ2，n为腔的折射率，l为实时腔长，l0为初始腔长，a、b为常数。此时，在第d阶特征频率峰处解调得到的相位值4πdnl/λ为第一阶特征频率处解调相位的d倍。
[0051]
具体地，本发明提出的改进的傅里叶相位解调算法，在使用的特征频率峰的阶数上有所不同。对于有明显高阶频率峰的高精细度光谱，不选取幅值最大的一阶特征频率进行解调，而是选取高阶特征频率进行傅里叶相位解调，可以解调出倍增d后的相位值。对于采集的每帧光谱，假设第d阶特征频率在光谱傅里叶谱的第k点处，锁定每帧频谱的第k点处，得到其频谱分量的实部和虚部，那么由声波引起的相位变化可以表示为：处，得到其频谱分量的实部和虚部，那么由声波引起的相位变化可以表示为：是初始光谱相位。
[0052]
具体地，本发明提出的改进的傅里叶相位解调算法，在算法上进行了一定改进，对相位解调中使用反正切运算普遍存在的相位跳变(当相位值大于π/2，反正切运算得到的值
会与真实值相差π的整倍)进行了相位修正。选取一个阈值，对于傅里叶相位解调算法解调出来的相位信号进行循环检测，如果某一点的相位值与前一个相位值之差的绝对值大于阈值，则进行相位循环修正，如果循环过程中此时相位比前一个相位值大，则减去π，如果此时相位比前一个相位值小，则加上π，直至相邻两点相位差的绝对值小于阈值。
[0053]
本发明实施例提供了一种fp干涉型声波探测器，基本框图如图1所示，包括：光源，用于产生并输出原始光信号，本发明实施例中使用的光源为宽谱光源，波长范围为1525nm～1565nm；光纤声波探测模块，用于将待测声波信号调制到原始光信号的相位上产生调制光信号；光谱实时采集模块，用于实时采集fp反射光谱，便于后续解调出对应时刻的相位信号；信号处理解调模块，将采集到的光谱经过一系列运算转化为对应时刻的相位信息，以便于计算传感器的相位灵敏度。
[0054]
本发明提供了一种基于高精细度fp干涉的声波探测系统，结构示意如图2所示，包括：光源1、光纤环形器2、fp传感头3、光谱实时采集模块4、信号处理解调模块5。在实施例1中，光源1发出的光输入到光纤衰减器控制光强，然后通过光纤环形器2输入到fp传感头，为声波探测器提供光源。加载了声波信号的反射宽带光光谱被光谱实时采集模块4采集，经过信号处理解调模块5解调出声波信号。
[0055]
在本发明实施例中，高精细度光纤fp传感头的结构如图3所示，由光纤准直器6、插芯7、套管8和薄膜9构成。光纤准直器6由单模光纤10、增透膜11、自聚焦透镜12、和增反膜13构成。单模光纤10端面和自聚焦透镜12内表面之间做0
°
角耦合，并且覆盖一层增透膜控制回波损耗。在自聚焦透镜外表面镀增反射膜，作为fp的一个反射面，另一个反射面是薄膜。光在光纤中传输，高斯光束经过自聚焦透镜变为平行光，其中一部分光被分光膜反射，重新耦合进光纤；剩下的光透射进fp腔，在腔内发生多次反射形成多光束干涉。
[0056]
在本发明实施例中，fp传感头的制作过程中需要控制腔长，为了达到良好的解调结果，要保证实时采集到的光谱包含完整的自由光谱范围，并且一个自由光谱范围内的采样点数不小于10。
[0057]
在本发明实施例中，受限于小型化和高灵敏度的要求以及金属套筒的加工尺寸，圆薄膜的直径为3mm～5mm、厚度为0.3um～0.5um；薄膜直径越小灵敏度越低、频率响应范围越大、传感器制作工艺越复杂，薄膜厚度越小，传感器灵敏度大。
[0058]
在本发明实施例中，增透膜的透射率为99.5％，减少回波损失，并且为了实现更好的二阶(d＝2)解调效果，增反膜的反射率设计为60％，得到的干涉光谱及其傅里叶频谱如图4中的(a)和(b)所示，可以观察到明显的二阶特征频率峰，并且计算得到光谱的精细度大约为6.4，通过对多光束干涉进行仿真，考虑到空间光散射损耗的影响，在不同的空间损耗下，当反射率为60％时的第二个特征频率峰均比较明显。
[0059]
在本发明实施例中，由于要产生高精细度干涉光谱，因此要保证反射多次的光仍能有一定的强度，对fp两端面的反射率有一定的要求，薄膜可以采用金属薄膜、如铝制、金质、银质等金属薄膜，也可以采用高反射率的多层复合薄膜，此处采用了复合金属薄膜。
[0060]
在本发明实施例中，fp传感头的制作过程中，薄膜与金属套件之间的粘连使用了353nd胶，80℃加热一个半小时至固化，并运用了牺牲层湿法转移进行薄膜转移。
[0061]
在本发明实施例中，插芯7为陶瓷插芯、套管8为金属套管。
[0062]
在本发明实施例中，改进的相位解调算法的流程图如图5所示。对于实时采集的每
帧光谱，点数为n，采样间隔为δλ0，λ1为起始波长，λj为光谱上第j点的波长。假设锁定第二阶特征频率峰进行解调，若第二阶特征频率峰f2在光谱的傅里叶频谱的第k点处，f2处的频谱分量表示为：f2处的光谱为：其中，是初始光谱相位，由于f
′
(f2)实部为：虚部为：当采样点数n很大时，实部化简为：虚部化简为：虚部除以实部可以得到
[0063]
因此，通过对采集的光谱数据求傅里叶变换，通过对第二个频率峰处的频谱分量的虚部和实部的数值做除法后进行反正切运算，可以得到相位值，此时相位变化表示为：其中，可以通过第一帧光谱数据得到，最后选取π/2为阈值进行相位修正。对时域上的一组光谱使用本发明中的相位解调算法，解调结果如图6所示，可以解调出相位变化，并且观察到在二阶特征频率峰处解调的相位大小为一阶特征频率峰处解调的相位大小的两倍，即实现了相位放大的作用。
[0064]
在本发明实施例中，相位解调方法是一种改进的傅里叶相位解调方法，该方法对相位解调中反正切运算普遍存在的相位跳变现象进行了修正，算法流程如图7所示。选取π/2为阈值，对傅里叶相位解调算法解调出来的相位信号的每一个点进行循环检测，对其中与前一个相位值之差的绝对值大于π/2的点进行相位循环修正，如果此时相位比前一个相位值大，则减去π，如果此时相位比前一个相位值小，则加上π，直至相邻两点相位差的绝对值小于π/2。
[0065]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。