一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置

摘要

本发明提供一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，包括以下内容：激光器发出的激光通过光纤耦合器后分成N路，其中N‑1路进入光纤环路器，最后1路经声光移频器移频后分成N–1路进入2×1光纤耦合器。经光纤环路器后的激光进入阵列式光纤声敏传感器，传感器前端振动膜在外界声波信号作用下可改变激光信号的频率和相位，并将其反射回光纤环路器后再进入2×1光纤耦合器。两束进入进入2×1光纤耦合器的激光发生干涉，经光电转换后由信号采集单元采集处理，进而可得出阵列式光纤声敏传感器探测到的声波信号。本发明抗电磁干扰能力强，灵敏度高，并具有三维空间内声波信号定位功能，在医学和海洋探测等领域具有广泛应用前景。

权利要求

1.一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，该装置特征包括：连续激光器模块、第一1×N光纤耦合器、光纤环形器、阵列式光纤声敏传感器、声光移频器模块、第二1×N光纤耦合器、2×1光纤耦合器、光电转换模块、放大器模块、信号采集单元和信号处理单元，所述第一1×N光纤耦合器第一端口与连续激光器模块连接，另一侧第二端口与所述声光移频器模块连接，其余端口连接多个光纤环路器第一端口，所述的阵列式光纤声敏传感器包括多个阵列式单模光纤和镀在端面的一层透光膜和一层高反射膜，形成一种根据压力敏感结构来对声压进行高精度测量；

利用光纤阵列式声波信号采集装置进行声波信号采集的过程包括：选取连续激光器模块产生频率稳定的相干激光光源；连续激光器模块发出的光通过第一1×N光纤耦合器第一端口进入，从第一1×N光纤耦合器第二端口输出到声光移频器模块，然后再通过第二1×N光纤耦合器进入到2×1光纤耦合器和光电转换模块；从第一1×N光纤耦合器其他口输出到多个光纤环形器后进入到阵列式光纤声敏传感器；光进入阵列式光纤声敏传感器后依次到达透光膜和高反射膜，经高反射膜反射再通过透光膜反射回光纤环路器，然后进入到2×1光纤耦合器；当声波传输到阵列式光纤声敏传感器时会引起金属膜震动，进而引起激光信号的频率和相位发生变化，反射回的激光即包含外界声波所携带的信号；进入到2×1光纤耦合器的两束激光发生干涉，经2×1光纤耦合器的第三端口输出到光电转换模块；光电转换模块输出的电信号经放大器模块放大后传给信号采集单元，然后经信号处理单元完成对声波信号的解调；根据解调结果计算出声波声压，根据声波信号到达水平方向M个光纤的时间差和到达纵排方向上L个光纤的时间差，通过计算公式即得到声波源在三维空间内位置信息，并通过算法重建三维声场内的信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，其特征在于，全部所述光纤环形器包括与所述第一1×N光纤耦合器连接的第一端口与阵列式光纤声敏传感器连接的第二端口和与所述2×1光纤耦合器连接的第三端口。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，其特征在于，1×N光纤耦合器可由多个耦合器级联而成。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，其特征在于，所述连续激光器模块产生连续稳定的激光光源。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，其特征在于，所述声光移频器模块将激光的频率移动至另一特定的频率。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，其特征在于，光从第一端口进入所述光纤环形器并且从第二端口输出时衰减很小，从第二端口进入且从第三端口输出时衰减也很小，但是对于其他端口的输入输出组合则衰减很大。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，其特征在于，所述光纤环形器可替换为2×1光纤耦合器，与光纤环形器相比，光纤耦合器允许光存在多种输入输出端口的组合，实现此装置所需的功能。

说明书

一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于激光干涉的光纤阵列式声波信号采集装置，具体涉及基于激光干涉原理使用光纤阵列式声敏传感器时，能够获得高灵敏度的压力信号采集和三维空间
声波信号探测能力。

背景技术

[0002] 声波检测技术是一种通过检测声波在介质中反射的回波所携带的信息来了解介质内部结构的技术，由于它的无损检测能力，广泛应用于海洋探测、生物医学、航空航天等
诸多领域。声波检测技术的关键器件是声敏传感器，到目前为止，传统声敏传感器一般都采
用压电材料来采集声波引起的振动信息，存在着灵敏度低、带宽窄等缺点。光纤声敏传感器
是使用光纤制作的声敏传感器，具有抗电磁干扰能力强、体积小等优点，是近年来发展起来
的新型声敏传感器，根据原理的不同光纤声敏传感器可分为强度调制型、光纤光栅型和干
涉型三类声敏传感器。强度调制型光纤声敏传感器通过获取传感器上光纤获得的光强变化
来实现传感，这类传感器频带的响应较宽和灵敏度也比较高，但信噪比较低且容易受各种
因素的影响。光纤光栅声敏传感器通过光纤布拉格光栅来检测中心波长的漂移解调出待测
信号，在稳定性和大规模网络化方面具有很大的优势，但是其对光纤径向产生的应变无法
检测，这限制了它在一定场合下的运用。干涉型光纤声敏传感器通过光束之间的干涉来测
量声波信号的频率、振幅等特性，由于具有极高的灵敏性备受研究人员关注。传统干涉型声
敏传感器因不具有空间探测能力，大大限制了其应用。为了克服这个缺点，本发明基于激光
干涉效应提出了一种光纤阵列式排布的声敏传感器，结果显示这种新型的光纤声敏传感器
在不仅具有高灵敏度，而且具有三维空间声波探测能力。

发明内容

[0003] 本发明主要解决的问题是提供一种具有三维空间声波探测能力的光纤阵列式声波信号采集装置，采用光纤阵列式排布，并在阵列式光纤端面镀膜来形成压力敏感结构，在
外界声压发生变换时振动膜厚度随之产生变化进而使得反射信号发生变化，可以获得很高
的测量精度。光纤阵列式排布可以使得声波探头获得三维空间声波探测能力。

[0004] 为解决光纤阵列式传感器的三维空间声波探测问题，本发明采用的技术方案是：提供一种光纤阵列式传感系统，包括：连续激光器模块、1×N光纤耦合器、光纤环形器、阵列
式光纤声敏传感器、声光移频器模块、2×1光纤耦合器、光电转换模块、放大器模块、信号采
集单元和信号处理单元。所述连续激光器发出的激光通过第一个1×N光纤耦合器的第一端
口进入，从1×N光纤耦合器第二端口输出到声光移频器模块，然后再通过第二个1×N光纤
耦合器进入到多个2×1光纤耦合器。通过第一个1×N光纤耦合器其他端口输出的光进入N–
1个光纤环形器，并由光纤环形器第二端口输出到光纤阵列声敏传感器中。光纤阵列声敏传
感器前端由一层透光膜和一层高反射膜组成，激光经高反射膜反射后再次进入光纤环形器
第二端口。当声波传输到光纤阵列声敏传感器时会引起金属膜震动，造成激光所携带的信
号的频率和相位发生变化，进而引起反射到光纤环形器中的激光信号发生变化。携带声波
信息的激光从光纤环形器第二端口进入由第三端口输出到2×1光纤耦合器然后进入光电
转换模块。光电转换模块输出的电信号经放大器放大后传给信号采集单元再传给信号处理
单元，进而可完成对声音信号的解调以及对声波在三维空间信息的还原。

[0005] 所述光纤阵列声敏传感系统的核心是由光纤阵列组成的声敏传感器，传感器是由端面镀的一层透光膜和一层高反射膜阵列构成，两层膜结构形成激光振动腔，声音传输到
振动腔时会改变振动腔的腔长，激光信号的频率和相位在振动腔的反射会随之发生变化，
通过测量并解调干涉光的频率及相位信息，可获取传感器反射光的信息，进而通过计算实
现对声压的测量。

[0006] 优选地，选取5-20μm厚度的有机分子作为透光膜，选取50-100nm金属膜作为反射膜，采用气相沉积法制作，反射率大于80％。

[0007] 本发明的有益效果是：通过设计光纤前端为反射膜和透光膜组成的激光干涉腔，可以对声压的测量达到很高的精度，光纤阵列式分布可以使得传感器获得三维空间内声波
位置探测能力，进而得到抗干扰能力强、高灵敏度且能进行声波空间探测的传感器。

附图说明

[0008] 图1为本发明一种具有三维空间声波探测能力的光纤阵列式声波信号采集装置光路示意图。

[0009] 图2为基于激光干涉的光纤阵列式声敏传感器结构的侧视示意图。

[0010] 图3是光纤阵列式排布的正视图。

[0011] 图4是光纤阵列式空间声波探测器探测三维空间声波信号源示意图。

[0012] 图1中：1-稳频连续激光器模块；2-基于光纤的1×N耦合器；3-光纤环路器；4-声敏传感器模块；5-声光移频器模块；6-基于光纤的1×N耦合器；7-基于光纤的2×1耦合器；8-
光电转换模块；9-放大器模块；10-信号采集模块；11-信号处理模块。

[0013] 图2中：12-陶瓷圆筒；13-光纤包层；14-光纤纤芯；15-透光膜；16-高反射膜。

[0014] 图3中：M×L≤N-1。

[0015] 图4中：17-光纤阵列式声敏传感器；18-声波信号源。

具体实施方式

[0016] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0017] 图1所示是本实施例中光纤阵列式声波探测系统光路示意图。本实施例的光纤阵列式声波探测装置包括连续激光器模块1、1×N光纤耦合器2、光纤环形器3、阵列式光纤声
敏传感器4、声光移频器模块5、1×N光纤耦合器6、2×1光纤耦合器7、光电转换模块8、放大
器模块9、信号采集单元10和信号处理单元11。图2所示是基于激光干涉的光纤阵列声敏传
感器，其基本结构是一个由两层膜构成的激光干涉测量头，包括陶瓷圆筒12、光纤包层13、
光纤纤芯14、有机高分子膜15以及金属高反射膜16，作用是将声压转换为有调制信息反射
光信号。

[0018] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：

[0019] 步骤一，选取连续激光器产生频率稳定的相干激光光源；

[0020] 步骤二，连续激光器1发出的光通过1×N光纤耦合器2第一端口进入，从1×N光纤耦合器2第二端口输出到声光移频器模块5，然后再通过1×N光纤耦合器6进入到2×1光纤
耦合器7和光电转换模块8；

[0021] 步骤三，从1×N光纤耦合器2其他口输出到多个光纤环形器3后进入到阵列式光纤声敏传感器4；

[0022] 步骤四，光进入阵列式光纤声敏传感器4后依次到达透光膜15和高反射膜16，经高反射膜16反射再通过透光膜15反射回光纤环路器3，然后进入到2×1光纤耦合器；

[0023] 步骤五，当声波传输到光纤阵列声敏传感器时会引起金属膜震动，进而引起激光信号的频率和相位发生变化，反射回的激光即包含外界声波所携带的信号；

[0024] 步骤六，进入到2×1光纤耦合器7的两束激光发生干涉，经2×1光纤耦合器7的第三端口输出到光电转换模块8；

[0025] 步骤七，光电转换模块8输出的电信号经放大器9放大后传给信号采集单元，然后经信号处理单元11可完成对声波信号的解调；

[0026] 步骤八，根据解调结果可以计算出声波声压，根据声波信号到达水平方向M个光纤的时间差和到达纵排方向上L个光纤的时间差，通过计算公式即可得到声波源在三维空间
内位置信息，并可通过算法重建三维声场内的信息。

[0027] 实验结果表明，光纤阵列式声敏传感器具有更高的灵敏性和更小的噪声，在三维空间声波探测上具有优异的性能。

[0028] 以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的
结构或实施例，均属本发明保护范围。