本公开涉及声学测量和光学领域，具体地说，涉及一种利用光学元件探测水下极端环境下微弱声波信号的方法和装置。
背景技术：
1、水下声波信号探测广泛应用于水中通信、探洲、目标定位、跟踪、海洋环境监测等领域。现有技术中有压电水听器，它是利用压电陶瓷作为换能材料，压电陶瓷管之间用绝缘垫圈粘结定位。陶瓷管在声压作用下变形，借助其压电效应，从而产生电信号输出。但是这种水听器存在灵敏度低、固有频率高、动态范围小等缺点。专利2016103163457公开了另一类用于声波检测的高灵敏度水听器，包括声电换能模块，响应所接收到的声信号并将其转换为电信号后予以输出，第一输出匹配模块，以及直流电源模块等。虽然，这种水听器能够在谐振状态工作，可实现特定频段声波信号的高灵敏度检测，在一定程度上克服了现有非谐振型压电水听器灵敏度低的缺点，以及弥补了现有非谐振型压电水听器换能元件周围设置共振腔结构只能检测低频段的声波信号的不足，但是仍旧无法适用于恶劣环境中，如高温、高压和强电磁干扰的环境，以及不能实现对水下微弱声波信号的检测，并且价格十分昂贵，前期准备时间长、采集声音信号方法繁琐。
2、此外，现有技术中也有学者提出了基于干涉型光纤水听器测量水下声音信号，例如现有的基于光纤声学的传感技术，是通过平直的光纤端面与一个具有高杨氏模量的隔膜构成的外部法布里-珀罗干涉仪结构进行声音采集的一项技术。其工作原理是利用声波信号振动隔膜从而传递声音，当声波作用于隔膜上时，隔膜会发生形变，所以隔膜的选择对传感装置的灵敏度好坏至关重要。但是，这种基于隔膜的声学传感结构均存在一定的局限性，因为其受到相关结构的力学性能的影响。例如，他们实现高灵敏度需要较大的元件尺寸和谐振材料，从而导致较差的频率响应特性；因此现有的声学传感结构需要一种新型的传感模式克服现有的声学传感技术的局限性并且可以适用于测量微弱声音信号的新的测量方法。
技术实现思路
1、本公开提出了一种探听水下微弱声波的方法、装置以及制作方法，能够解决背景技术中指出的现有技术问题。
2、基础方案1：
3、一种探听水下微弱声波的方法，所述方法包括：
4、利用光纤光镊技术对悬浮粒子进行稳定捕获，通过皮牛量级的光力将粒子捕获在所形成的光阱的内部，携带动量和能量的声波信号在流体介质中传播，引起在光阱中的粒子产生振动，所述粒子在与声波的接触面上发生动量交换，粒子将收集到的声波信号通过光束的干涉效应传输到光纤侧形成声波数据，对所获得的声波数据进行解调处理得到原始声波信号。
5、本方法采用的光纤光镊系统通过光纤尖端的梯度力和散射力所构成的合力实现对尖端粒子的操纵，对于具有抛物面或凸面的锥形光纤，光将形成高度聚焦的激光束，形成三维势阱来捕获、操纵和控制微小粒子。光在光纤尖端附近高度聚焦，实现将粒子稳定捕获在光纤尖端形成的光阱中心位置。一般被捕获在光阱中的粒子受到的光力处于皮牛量级，基于此种特性，在光阱中的粒子具有对外部环境变化十分敏感的特性。
6、本公开还有另外两个应用方面：
7、应用的第一个方面，即一种用于实施前述方法的装置，包括一个基于光纤光镊技术的粒子探针水听器，其特征在于所述水听器包括光源模块、声音采集模块、光电探测模块、数据采集模块、数据处理模块以及导光单元；
8、所述光源模块包括一个能够发射出固定波长单色光的激光器；所述激光器用于发射捕获激光；
9、所述声音采集模块用于采集声压和振动信号；
10、所述光电探测模块用于将光信号转换为电信号；
11、所述数据采集模块用于对光电探测模块输出的电信号进行数据采集；
12、所述数据处理模块用于对数据采集模块采集到的电信号进行后续处理；
13、所述导光单元采用光纤耦合器，按照如下模式分别同声音采集模块、光源模块和光电探测模块相连接：
14、所述光源模块中激光器发射的固定波长的单色光经过导光单元的第一端口进入导光单元中，从导光单元的第二端口连接拉制好的锥形光纤光镊；
15、在光纤尖端发射出光束一部分进入声音采集模块内进行声压、振动检测，入射光束经过粒子内表面的反射后，携带声音信息的光信号重新射入光纤端面，再从导光单元的第二端口进入；
16、另一部分光束经光纤端面反射，两束相干光在导光单元内发生干涉合成为单束光，再从导光单元的第三端口射出进入光电探测模块中将光信号转换为电信号，并由数据采集模块接收然后传输给数据处理模块对信号进行滤波处理和声音还原处理。
17、前述水听器是通过基于光纤光镊技术的粒子探针实现水下声波的探听，基本原理是：
18、锥形光纤光镊捕获二氧化硅微粒，二氧化硅微粒被稳定捕获在光纤光阱的中心，将微粒束缚在光阱中心的力属于皮牛量级。当外界微弱的声波信号传递到微球表面时，微球在光阱中发生微小尺度的振动，通过微粒的振动将声波信号转化为光信号的变化进而传递到光纤端，然后携带声波信息的光信号经过光电探测器后转换为电信号，通过对电信号的采集和处理，从而实现了对微弱声波信号的探测。其中，在光纤光镊尖端的出射光照射到微球表面时,该出射光可视为高度聚焦光束，一部分光在光纤尖端端面实现反射，另一部分光进入微球内部，经过微球的微尺度振动，两束光之间产生光程差，在光纤尖端处发生干涉现象，从而将携带声波信息的光信号传递到光纤侧所连接的光电探测器处，实现声波信号的解调与复现。
19、优选地，所述数据处理模块中包含算法显示模块，用于根据电压信号计算微粒测量声波信号和输出电压之间的关系，同时实时计算不同频率下的频域信号。
20、以及，所述声音采集模块包括：锥形光纤光镊和二氧化硅粒子；所述二氧化硅粒子用于进行声音信号传感，直径为3μm，位于光纤光镊前端所形成的光阱处，锥形光纤尖端与微球内表面构成一个f-p干涉腔。
21、所述锥形光纤光镊，连接于所述导光单元光纤耦合器第三端口，所述装置置于水环境中；
22、所述锥形光纤光镊的前端有光阱区域，所述二氧化硅粒子被所述锥形光纤光镊稳定捕获后位于所述光阱区域内。
23、进一步地，所述导光单元为2×2型光纤耦合器，分光比为10:90；所述光电探测模块为ingaas光电二极管；所述光源模块采用的固定波长为980nm，功率范围设置在1-20mw之间。
24、应用的第二个方面，即一种用于制作前述装置中锥形光纤光镊的方法，其独特之处在于，所述锥形光纤光镊通过熔融拉锥法制备，并在末端形成具有渐变的锥形结构，按照如下具体步骤进行：
25、第一步，将单模光纤分别去掉缓冲层和聚合物涂覆层，并且套上毛细玻璃管；
26、第二步，将经由第一步去除缓冲层和聚合物涂覆层后的光纤置于氢氧火焰加热至光纤熔点后沿光轴方向进行拉伸；
27、第三步，将经由第二步处理后裸露的单模光纤熔融的部分拉细，从而在末端形成渐变的锥形光纤结构即光纤光镊。
28、优选地，所述第二步中对单模光纤的初始拉伸速度范围在0.3～0.46mm/s之间；最佳对单模光纤的初始拉伸速度为0.4mm/s。
29、所述第二步中光纤直径首先从125μm在30-34μm范围内减至5μm，再从3-4μm范围内从5μm减小至1.5μm，此时将拉伸速度提高为1.6mm/s，光纤光镊在末端形成特定的锥形形状。
30、本说明书一个或多个实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
31、首先，本公开给出的技术方案应用了基于光纤光镊捕获微球测量微弱声波信号的技术，利用光纤光镊原理设计了一种基于光纤光镊技术的粒子探针实现水下声波的探听装置。该装置采用在水中传递的微小声波信号引起微粒的微尺度振动，通过微粒的振动将声波信号转化为光信号的变化进而传递到光纤端，然后携带声波信息的光信号经过光电探测器后转换为电信号，通过对电信号的采集和处理，实现了对微弱声波信号的探测。与其他的水听器不同，声波采集模块不含有二维材质，水下压强的大尺度变化对该水听器的性能影响忽略不计，并且可以应用于强电磁干扰、高温、高压和强腐蚀等极端环境下对声波信号实现高灵敏度的探测。同时，该技术方案可以实现实时捕获待测信号，对于一些需要高精度、高实时性的应用场景具有很高的实用价值，例如医学、机械工程、航空等领域。
32、其次，本公开给出的技术方案将悬浮微米级微粒利用光镊技术实现单光束力阱稳定捕获，并利用其在光阱中受到微弱声波信号所产生的微尺度振动进而能够结合其他领域的现有技术实现在水下环境中声波信号的高时空探测，数据实时采集，处理并显示各项声音指标参数。
33、综上所述，通过本公开提出的技术方案能够实现频率为5hz-20khz范围内声波信号探测，具有高度灵敏度和信噪比，从而满足各种工况下的水下声音探测。
34、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。
35、根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。