一種基於聚合物薄膜的聲波探測器及雙波長解調方法與流程
2024-03-25 03:22:05 2
本發明屬於聲波探測技術領域，具體的就是一種基於聚合物薄膜的聲波探測器及雙波長解調方法。
背景技術：
聲波探測，特別是低頻聲波探測在很多領域具有廣泛的應用前景，包括建築物結構健康監測、油氣管道監測、重大自然災害(地震、泥石流、海嘯等)預警、國防軍事(水聽器、核爆)、醫療等。因此聲波探測已經人們廣泛的研究，目前常見的聲波探測器主要是電容式和壓電式的電學聲波探測器，這類電學聲波探測器具有靈敏度高、結構簡單等優點，但是它們也有一些固有的缺陷，包括抗電磁幹擾能力差、體積大、難以組網等。
光纖傳感技術以其體積小、靈敏度高、抗電磁幹擾、適合惡劣環境下工作、易於復用組網等優點成為目前人們研究的熱點。目前常用的光纖聲波傳感器根據其工作原理可以分為本徵型光纖傳聲器、幹涉型光纖傳聲器、基於光柵的光纖傳聲器和其它特殊結構的光纖傳聲器。其中幹涉型光纖傳聲器的工作原理是通過聲波作用造成幹涉結構光程差的改變，從而使得幹涉儀輸出光強、光相位等特徵參量發生相應的變化，通過對這些參量的變化進行解調來還原出聲波信號。幹涉型聲波傳感器具有結構簡單、靈敏度高的優點，是目前研究最為廣泛的光纖聲波傳感器。根據其工作原理可以分為法布裡-泊羅幹涉型、馬赫澤德幹涉型、麥可遜幹涉型和薩格納克幹涉型。其中法布裡-泊羅(Fabry-Perot，FP)幹涉型結構應用最為廣泛。
聲波信號的解調是光纖聲波傳感器的一個研究重點，目前常見的方法有斜邊解調法、相位解調法和直接強度解調法，前兩種方法常用於幹涉型聲波傳感器的解調，其中相位解調法直接解調幹涉儀輸出信號的相位，靈敏度高、動態範圍大，解決了斜邊解調法中工作波長需要對準幹涉譜的Q點這一致命缺點。常見的相位解調方法有相位生成載波(PGC)法和3×3耦合器法，這些都屬於被動零差解調方法。PGC解調方法需要複雜的載波調製結構，解調算法也相對比較複雜，同時響應頻率和動態範圍也會受到限制；3×3耦合器法需要使用到3×3耦合器，且要求耦合器的耦合比嚴格控制在1:1:1，同時各輸出端的相位差為120°。另外這兩種解調方法也很難對具有很短腔長的FP幹涉型聲波傳感器進行解調。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種基於聚合物薄膜的聲波探測器及雙波長解調方法，旨在解決現有技術不能對具有較短腔長的FP型光纖聲波傳感器進行相位解調的問題。
本發明提供了一種基於聚合物薄膜的聲波探測器，包括：寬帶光源、摻鉺光纖放大器、光纖環形器、FP傳感頭、可調濾波器、第一高速光電探頭、第二高速光電探頭、數據採集單元和信號處理單元；摻鉺光纖放大器的輸入端連接寬帶光源的輸出端；光纖環形器包括三個埠，第一埠連接至摻鉺光纖放大器的輸出端，第二埠連接FP傳感頭，第三埠連接至可調濾波器的輸入端；第一高速光電探頭的輸入端連接至可調濾波器的第一輸出端，第二高速光電探頭的輸入端連接至可調濾波器的第二輸出端；數據採集單元的第一輸入端連接至第一高速光電探頭的輸出端，數據採集單元的第二輸入端連接至第二高速光電探頭的輸出端，數據採集單元的輸出端連接所述信號處理單元。
更進一步地，可調濾波器從寬帶光源的寬譜信號中濾出兩路單一波長的信號，當兩路波長之間隔△λ與幹涉儀的自由光譜範圍滿足△λ＝(2k+1).FSR/4時具有最大靈敏度；其中，FSR為幹涉儀的自由光譜範圍，k為整數。
更進一步地，當兩波長之間的間隔為幹涉譜FSR的1/4並且對稱的分布在FP傳感頭幹涉譜某一峰值波長的兩側，對應兩路信號之間的相位差為90°，兩路信號的光經過高速光電探頭後變成電信號，電信號由數據採集模塊採集後經信號處理單元解調後獲得FP傳感頭的相位信息，通過相位信息獲得聲波信號的聲壓和頻率。
更進一步地，FP傳感頭包括：單模光纖、陶瓷插芯、金屬套管和換能薄膜；單模光纖插入所述陶瓷插芯，通過陶瓷插芯實現所述單模光纖的固定和準直，換能薄膜粘貼在金屬套管端面，陶瓷插芯插入金屬套管內部並固定，陶瓷插芯端面與所述換能薄膜之間具有一定的距離，從而在換能薄膜和單模光纖端面之間形成空氣腔構成光纖外腔式FP幹涉儀。
更進一步地，換能薄膜為圓薄膜，所述圓薄膜的直徑為1mm～20mm，所述圓薄膜的厚度為1um～50um。
更進一步地，換能薄膜的材料為聚合物塑料薄膜，石墨烯薄膜或金屬薄膜。
更進一步地，可調濾波器為窄帶濾波器，帶寬小於0.2nm。
本發明還提供了一種基於上述的聲波探測器的雙波長解調方法，包括下述步驟：
(1)對採集到的兩路信號進行歸一化處理後獲得信號幅值在0到1之間且直流分量和條紋可見度都為0.5的兩路信號；
(2)通過做差去掉兩路信號中的直流分量；
(3)對歸一化且去除直流分量後的兩路信號進行微分運算，並通過將第一路信號的微分運算結果與第二路信號相乘，第二路信號的微分運算結果與第一路信號相乘來實現微分交叉相乘；
(4)對交叉相乘後的信號做差運算，對做差運算的結果進行積分後獲得被測聲波信號。
更進一步地，歸一化處理具體為：對採集到的信號提取其最大值和最小值，將原信號減去最小值然後除以最大值和最小值的和，實現對原信號的歸一化，歸一化後的，便於實現功率的均衡已經直流分量的消除。
更進一步地，被測聲波信號其中C為常數，為相位差，Δλ為濾波器濾出兩路光信號之間的波長差，FSR為FP傳感頭幹涉譜的自由光譜範圍，即幹色譜的波長周期。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
(1)本發明提供了一種基於聚合物薄膜和雙波長解調的光纖低頻聲波探測器，相比現有的電學聲波探測器而言具有抗電磁幹擾、易於復用組網、傳輸損耗小適合長距離監測等有點。
(2)本發明提供了一種雙波長相位解調算法，相比於斜邊解調方法，相位解調方法不需要將工作波長固定在幹涉譜的Q點，同時也具有更大的動態範圍和更高的靈敏度。另外，相比於常用的相位生成載波(PGC)和3×3耦合器相位解調方法，本發明提供的方法具有更寬的工作頻段，並且能夠很好的解調腔長為幾十到數百微米的低精細度短腔FP幹涉型聲波探測器，而這種類型的聲波探測器是目前應用最為廣泛的聲波探測器。
(3)本發明對提出的雙波長解調方法，克服了傳統雙波長解調方法的固有缺點。首先傳統方法需要兩個工作波長，因此具有兩個獨立的光路需要使用兩個獨立的光電探頭，光源功率的抖動、光電探頭的不同響應、外界擾動造成的幹涉譜漂移等，都會使得兩光路之間的光功率產生不平衡，造成解調信號的失真。本發明提出了一種歸一化方法，能夠有效克服兩路信號功率不平衡的問題。其次，傳統方法採用的是反正切發，需要兩路信號具備嚴格的正交特性，這使得FP傳感器的腔長受到了兩工作波長間隔的限制，本發明採用改進的微分交叉相乘法(DCM)能夠應用於各種不同腔長的FP傳感器。
(4)本發明對提出的解調算法，每個FP聲波探測器需要使用兩個不同的波長，這為波分復用提供了可能，可以利用寬帶光源和多通道濾波器以及波分復用器實現多個FP傳感頭的波分復用。
(5)本發明提供了一種高靈敏度低頻聲波傳感系統。具有結構尺寸小、靈敏度高、動態範圍大、低頻響應好的特點。
附圖說明
圖1是本發明實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器的系統框圖；
圖2是本發明實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器的結構示意圖；
圖3是本發明實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器的傳感頭(FP傳感頭)的結構示意圖；
圖4是本發明實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器解調算法流程圖。
在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中，1為寬帶光源、2為摻餌光纖放大器、3為光纖環形器、4為FP傳感頭、5為可調濾波器、6為第一高速光電探頭、7為第二高速光電探頭、8為數據採集單元、9為信號處理單元、10為單模光纖、11為陶瓷插芯、12為金屬套管、13為換能薄膜。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
針對現有解調技術的缺陷和需求，本發明提出基於雙波長解調的聲波傳感結構，通過濾波器濾出FP傳感頭結構幹涉譜上的兩個固定的波長，將這兩路波長信號進行運算，解調出FP傳感頭結構的相位信息。
本發明提供了一種基於聚合物薄膜的FP傳感頭的聲波探測器，包括寬帶光源1、摻鉺光纖放大器2、光纖環形器3、FP傳感頭4、可調濾波器5、光電轉換單元、數據採集單元8和信號處理單元9。
其中，寬帶光源1輸出的光經過摻鉺光纖放大器2放大後從光纖環形器3的第一埠輸入，然後第二埠出射，出射的寬帶光經過FP傳感頭，聲波作用在FP傳感頭，在聲壓的作用下，薄膜會產生相應的形變，使得FP腔的腔長受到聲波信號的調製，具體的表現在FP傳感頭輸出幹涉信號的相位受到聲波的調製。加載了聲波調製信號的寬帶光經過FP傳感頭反射，由光纖環形器的第二埠入射第三埠出射，進入可調濾波器。
其中，可調濾波器從FP反射回的帶有聲波信息的寬帶光中濾出兩路具有不同波長的信號，濾出的兩個波長之間的具有固定的波長差。
其中，光電轉換單元包括兩個高速光電探頭，高速光電探頭的輸入端用作光電轉換單元的輸入端。第一個高速光電探頭連接可調濾波器的第一濾波輸出埠，第二個高速光電探頭連接可調濾波器的第二濾波輸出埠。兩路波長信號經過高速光電探頭後由光信號轉變為電信號，兩路電信號可以分別表示為：A1和A2分別為兩路信號的直流分量，與光源的功率以及光電探頭的增益等有關，B1和B2表示條紋的可見度；θ為需要解調的聲波信號；表示初始相位；為由于波長差產生的相位差。
其中，數據採集分析單元包括高速數據採集單元和信號處理單元，高速數據採集單元的第一輸入端連接光電轉換單元的第一輸出端，第二輸入端連接光電轉換單元的第二輸出端。信號處理單元將高速數據採集單元採集到的信號進行相應的數學運算解調出聲波信號。
其中，解調方法是一種改進的被動零差解調方法，首先對採集到的兩路信號進行歸一化運算，信號的幅值歸一化到(0，1)區間，歸一化方法具體可以表示為，當聲壓信號足夠大時，前面所述兩路電信號的最大值和最小值分別為A1+B1、A1-B1和A2+B2、A2-B2，通過如下的方法可以完成歸一化：Iˊ(t)＝[I(t)-Imin]/(Imax+Imin)，其中Imax和Imin信號的最大值和最小值。歸一化後的信號直流分量和條紋可見度近似為0.5，能夠實現兩路信號之間功率的平衡，同時通過做差可以方便的去除直流分量，去除直流分量後的信號再通過傳統的微分交叉相乘法解調出相位信息，解調出的信號可表示為：C為常數，為前文所述的相位差，僅影響系統靈敏度。
在本發明實施例中，可以用其它的波長選擇性器件，例如光纖布拉格光柵等代替可調濾波器，同時由於採用了改進的DCM解調方法，濾波器濾出的兩個波長之間的差值不受FP傳感器腔長的限制。需要指出的是，當波長差等於FP傳感頭幹涉譜自由光譜範圍(FSR)的1/4時，此時兩路信號完全正交，等於90°，系統具有最大的靈敏度。另外，當兩波長對稱的分布在幹涉譜峰值波長的兩側時，兩路信號的響應度相同，具有最優的解調效果。
在本發明實施例中，由於在解調的過程中對兩路信號進行了歸一化處理，通過這樣的相位解調方法可以有效的消除溫度漂移、光源功率抖動等外界因素造成的兩路信號功率不平衡對解調結果的影響。
在本發明實施例中，FP傳感頭的腔長不能太大，要保證幹涉譜的FSR大於濾波器輸出信號的帶寬。
在本發明實施例中，圓薄膜的直徑為1mm～20mm、厚度為1um～50um；薄膜直徑越小靈敏度越低、頻率響應範圍越大、傳感器製作工藝越複雜，薄膜厚度越小，傳感器靈敏度大，當厚度大於50um時，傳感器將不能響應聲波，當厚度小於1um，薄膜製作成本將大大提高。薄膜適宜採用厚度薄且直徑小的設計方案，以保證傳感頭具有小的體積、大的頻率響應範圍和高的探測靈敏度。薄膜可以採用聚合物塑料薄膜、石墨烯薄膜，或者鋁製、金質、銀質等金屬薄膜。
在本發明實施例中，由於濾波器從寬的光譜範圍內濾出了兩個窄帶信號，會引入很大的損耗，損耗為20dB～30dB，另外傳感頭也具有較大的損耗，為保證信噪比，從FP傳感頭輸出進入可調濾波器的光信號的功率要足夠高，可以使用EDFA對寬帶光源輸出的光信號放大或者採用反射率大的材料構成FP腔的薄膜減小FP傳感頭的損耗。
如圖1所示，實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器的系統框圖，包括寬帶光源1、摻鉺光纖放大器2、光纖環形器3、複合物薄膜FP傳感頭4、可調濾波器5、第一高速光電探頭6、第二高速光電探頭7、數據採集單元8和信號處理單元9。在實施例1中，寬帶光源1採用發出的光輸入到摻鉺光纖放大器2被放大，然後通過光纖環形器3輸入到FP傳感頭，為聲波探測器提供光源。加載了聲波信號的寬帶光通過可調濾波器5濾出兩個波長，經過高速光電探測模塊轉換為電信號然後由數據採集單元8採集後通過信號處理單元9解調出聲波信號。
如圖2所示的，是實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器的系統框圖；寬帶光源1為ASE光源，ASE光源發出的光經過單模光纖連接EDFA，由EDFA放大後的光經從光纖環形器的1埠輸入2埠輸出到達FP傳感頭，FP腔的兩個反射面由光纖端面和薄膜反射面組成，聲波信號作用在薄膜上，薄膜發生形變，使得FP腔的腔長發生改變，造成輸出光信號的相位發生相應的調製。
攜帶有聲波信號的寬譜光經過可調濾波器5濾波，可調濾波器5可以從寬譜信號中濾出兩個單一的波長，兩路波長之間具有固定的波長差，調節濾波器濾出兩個波長，經過理論計算表明，當兩路波長之間隔△λ與幹涉儀的自由光譜範圍(FSR)滿足△λ＝(2k+1).FSR/4(k為整數)時，系統具有最大靈敏度，實際應用中，兩波長之間的間隔為幹涉譜FSR的1/4並且對稱的分布在FP傳感頭幹涉譜某一峰值波長的兩側，對應兩路信號之間的相位差為90°，兩路信號的光經過高速光電探頭後變成電信號，電信號由數據採集模塊採集後通過改進的「積分交叉相乘」的數學運算即可解調出FP傳感頭的相位信息，通過相位信息可以得到聲波信號的聲壓以及頻率。
如圖3所示的，是實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器傳感頭(FP傳感頭)的結構示意圖。傳感頭由單模光纖10、陶瓷插芯11、金屬套管12和換能薄膜13構成。換能薄膜13和光纖端面之間形成的空氣腔為FP腔，空氣腔的腔長為L；金屬套管的內徑和外徑分別為D1和D2；圓薄膜的直徑為1mm～20mm、厚度為h，取值範圍為1um～50um。為了獲得大的頻率響應範圍和高的響應靈敏度以及信噪比同時兼顧傳感頭的尺寸，可以選擇使用直徑小、厚度薄的薄膜。薄膜的材料可以是矽材料、聚合物、石墨烯等非金屬材料或者金、銀、銅、鋁等金屬材料，也可以採用在非金屬薄膜上鍍金屬材料這類複合薄膜。金屬薄膜或者複合薄膜具有較大的反射率，在保證幹涉條紋對比度的情況下可以減小腔內的損耗，由於濾波器是從寬譜光中濾出兩個窄帶光，會引入較大的損耗，因此，為了提高信噪比需要增大光源功率或者減小FP傳感頭的腔內損耗。FP傳感頭的腔長為幾十到幾百微米，合理選擇腔長使得FP傳感頭幹涉譜的FSP大於濾波器濾出的波長的帶寬。
如圖4所示為實施例1提供的一種基於雙波長解調的光纖法布裡泊羅聲傳感器解調算法流程圖。對採集到的兩路信號先進行歸一化處理，對採樣到的一組信號，提取其最大值和最小值，將原信號減去最小值然後除以最大值和最小值的和，這樣可以對原信號實現歸一化，歸一化後的信號幅值在0到1之間，且直流分量和條紋可見度都約為0.5，便於實現功率的均衡已經直流分量的消除，然後通過做差去掉兩路信號的直流分量。對歸一化並且去除直流分量後的兩路信號(分別用信號1和信號2表示)進行微分運算，信號1微分運算的結果與信號2相乘，信號2微分運算的結果與信號1相乘，實現微分交叉相乘，對交叉相乘後的信號進行做差運算，對做差運算的結果進行積分即可得到被測聲波信號，解調出的聲波信號可表示為：其中C為常數，為前文所述的相位差，相位差與波長間隔Δλ的關係可以表示為不同的波長間隔只會對系統靈敏度產生影響。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。