一種基於UPD低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統的製作方法

2023-12-01 04:00:56

本發明屬於計量測試領域，具體屬於光纖傳感器參數計量領域，主要是一種基於upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統。

背景技術：

由於光纖聲學傳感器所具有的獨特優越性，它在監測領域的應用越來越廣，其中，應用在水聲領域的光纖傳感器稱為光纖水聲傳感器及其陣列。光纖聲學傳感器是一種新型的傳感器，相對於傳統的壓電聲學傳感器，光纖聲學傳感器具有探測靈敏度高、響應頻帶寬、耐惡劣環境、結構輕巧、抗電磁幹擾和易於大規模成陣等特點，是現代聲學傳感器的一個重要發展方向。所以，多國紛紛投入大量人力和財力進行有關光纖聲學感器的研究和試驗，已經開展工程應用。

光源輸出的雷射經過耦合器後分為兩束，分別進入幹涉儀的兩臂。一條臂繞在金屬骨架上作為參考臂，由於金屬骨架材料的楊氏模量很大，因此參考臂不受外界聲壓場的作用，可用來消除聲壓以外的其他量對光幹涉相位的影響。另一條臂繞在剛性體外面的彈性增敏層上作為傳感臂，當光纖探頭處於外界聲壓場時，由增敏層變形導致纏繞光纖的長度變化，在光纖光彈效應的共同作用下導致傳感臂中傳輸光的相位發生變化。兩束光經光纖端面反射後，回到耦合器處進行幹涉，對幹涉信號進行檢測和處理，就可獲得相位差，從而得到聲場信息。

動態範圍即最大可測信號與最小可測信號之間的範圍，是傳感器的重要參數，其嚴重製約著傳感器的適用性，關係到光纖傳感器實用化的主要性能指標。傳統壓電水聲接收器的動態範圍一般為60db，稍好的可達80db～90db，而光纖傳感器的動態範圍可以達到100db以上。如何提高動態範圍已成為光纖傳感器研發的一個重要課題。但其前提是準確測量和校準幹涉型光纖聲學傳感器的動態範圍。等效噪聲壓譜級的數值就是最小可測聲信號，也即動態範圍的下限。因此，等效噪聲壓譜級的準確測量也是獲知傳感器動態範圍必不可少的。

沒有外界聲源的情況下，光纖聲學傳感器輸出的幹涉信號在某頻段內電噪聲的電壓級lu減去該頻段內的有效自由場靈敏度級meff，再將它歸一化到1hz，就可得到光纖水聲傳感器的等效噪聲壓譜級lps。其計算公式如式1所示。

lps＝lu-meff-10lgδf1

式中，δf是光纖水聲傳感器的測量帶寬；等效噪聲壓譜級lps的基準值為1μpa。

準確獲得等效噪聲壓譜級lps的首要前提是已知等效噪聲壓電壓級lu和光纖水聲傳感器的有效自由場靈敏度級meff。光纖水聲傳感器的有效自由場靈敏度級meff可以通過多種方法獲得，而等效噪聲壓的電壓級lu的獲取有特殊的要求。光纖傳感傳感器的自由場靈敏度級meff採用與已知靈敏度的標準水聽器進行比較的方式校準得到。

為了推動光纖聲學傳感器的實用化進程，迫切需要解決其等效噪聲壓譜級的精確校準問題。目前，我國還沒有建立專門的光纖聲學傳感器的等效噪聲壓譜級測量方法，國內僅在gb/t4128-1995《標準水聽器》附錄中，推薦採用真空罩的方法來測量水聽器的等效噪聲壓譜級。但是對於具體的測量系統構成和關鍵技術細節卻沒有更多的描述。因此，需要建立專用的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統，解決其校準和性能評估問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，而提供一種基於upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統，用於對新型聲學傳感器——相位幹涉型光纖傳感器的等效噪聲壓譜級進行校準和測量。

本發明的目的是通過如下技術方案來完成的。這種基於upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統，主要由光纖聲學傳感器、抗幹擾屏蔽裝置、光信號探測及採集處理子系統三部分組成，光信號探測及採集處理子系統包含upd低噪聲光電探測器、低噪聲模數轉換器和信號採集處理機，採用upd低噪聲光電探測器把光纖聲學傳感器的光信號轉化為電信號，通過低噪聲模數轉換器轉換該電信號，最後信號採集處理機將光幹涉信號的數位化信號進行數字相位生成載波解調處理，從而實現對光電聲學傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

所述的光纖聲學傳感器主要由光源、幹涉型光纖聲學探頭、調製器組成，其中幹涉型光纖聲學探頭有參考臂和感應臂之分，其輸出是兩臂的幹涉光信號，且能夠經過測量得到光纖探頭的相移靈敏度值，可以在等效噪聲壓譜級校準前或者後進行該測量，測量時，光纖聲學傳感器始終處於工作狀態。

所述的光纖聲學傳感器中的調製器實現光纖的調製功能，可以是內調試或者外調製。

所述的抗幹擾屏蔽裝置具備隔振、隔聲和隔電磁屏蔽的相關功能，保證能提供低於零級海況噪聲等級的聲場環境，且裝置內的聲場環境必須要經過測量滿足該要求後使用。

所述的光信號探測及採集處理子系統的等效噪聲功率不大於1.0×10-15w/√hz，暗電流不大於0.1na。

所述的光信號探測及採集處理子系統採用低噪聲模數轉換器，其1khz處等效輸入噪聲壓譜級不大於5nv/√hz。

所述的光纖聲學傳感器、upd低噪聲光電探測器、低噪聲模數轉換器和信號採集處理機的參數必須經過精確標定，且可溯源至上級計量技術機構。

本發明的有益效果為：本發明是基於upd低噪聲光電探測器而建立，用於幹涉型光纖聲學傳感器的等效噪聲壓譜級校準。本發明能夠對光電聲學傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

附圖說明

圖1為本發明的構成示意圖。

標記1為光纖聲學傳感器，標記2為抗幹擾屏蔽裝置。標記3為光信號探測及採集處理子系統，標記4為幹涉型光纖聲學探頭。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明做詳細的介紹：

如圖1所示，這種基於upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統，是基於upd低噪聲光電探測器而建立，用於幹涉型光纖聲學傳感器的等效噪聲壓譜級校準。校準系統主要由光纖聲學傳感器1、抗幹擾屏蔽裝置2、光信號探測及採集處理子系統3三部分組成，核心部分是光信號探測及採集處理子系統3，包含upd低噪聲光電探測器、低噪聲模數轉換器和信號採集處理機，採用upd低噪聲光電探測器把光纖聲學傳感器1的光信號轉化為電信號，通過低噪聲模數轉換器轉換該電信號，最後信號採集處理機將光幹涉信號的數位化信號進行數字相位生成載波解調處理，從而實現對光電聲學傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

所述的光纖聲學傳感器1自身是一個獨立的傳感系統，主要由光源、幹涉型光纖聲學探頭4、調製器組成，其中光纖探頭和調製器是無源器件，光源是有源器件，光纖聲學傳感器的輸出光路會受到這些器件的綜合影響，其本底噪聲也與每一部分息息相關。因此光纖聲學傳感器是一個獨立的被測對象。所述的光纖聲學傳感器1中的調製器實現光纖的調製功能，可以是內調試或者外調製。幹涉型光纖聲學探頭4有參考臂和感應臂之分，其輸出是兩臂的幹涉光信號，且能夠經過測量得到光纖探頭的相移靈敏度值，可以在等效噪聲壓譜級校準前或者後進行該測量，測量時，光纖聲學傳感器1始終處於工作狀態。

抗幹擾屏蔽裝置2是校準系統的重要組成部分。光纖聲學傳感器作為傳感系統的感知核心，對外界的聲學振動有著極其敏感的特性。為了排除環境對校準結果造成幹擾，等效噪聲壓譜級的測量必須在無外界噪聲幹擾的環境中進行。但這些來自各種途徑的幹擾大都無法完全排除，因此需要採取一定的措施進行隔離，以減小它們對測量的影響。系統中的抗幹擾屏蔽裝置具備隔振、隔聲、隔電磁屏蔽等功能，用以隔絕外界的振動、聲輻射、電磁輻射等幹擾，且具有恆溫、真空度高等特點。保證了光纖傳感傳感器所處環境的穩定。保證能提供低於零級海況噪聲等級的聲場環境，且裝置內的聲場環境必須要經過測量滿足該要求後使用。

系統中的光信號探測及採集處理子系統包含upd低噪聲光電探測器、模數轉換器和信號採集處理機。利用upd低噪聲光電探測器把光纖聲學傳感器的光信號轉化為電信號，其特點是等效噪聲功率和暗電流都極低，而且具備強大的功能和寬泛的頻帶。再用高精度低噪聲的模數轉換器該電信號，最後利用信號採集處理機採集數位訊號後進行處理。信號採集處理機主要涉及具備數位訊號處理能力的機器，例如pc機、嵌入式系統等，功能是將光幹涉信號的數位化信號進行數字相位生成載波解調處理。

實施例：在發明的具體實施中，採用外調製方式的幹涉型光纖聲學傳感器，包含低噪聲高穩定光源、外調製器、光纖探頭、高穩定度信號源和線性功率放大器等器件設備。低噪聲高穩定光源經過外調製器的調製後經過光纖探頭。低噪聲高穩定光源的作用是為光纖傳感傳感器的幹涉效應提供光強和頻率成分都穩定的窄線寬雷射，光強穩定度達0.01mw/小時，頻率穩定性大0.1nm。外調製器採用高穩定度信號源和線性功率放大器作為驅動源，能實現大範圍的調製度。高穩定載波信號源的作用是產生失真度極小的正弦信號，頻率穩定度達1ppm，線性功率放大器的作用是對正弦信號產生高保真放大，在小於100kh頻段內的穩定性由於1db，這樣得到的載波信號頻率成分單一、穩定，為幹涉光信號解調結果的穩定性打下了良好基礎。光纖聲學傳感器的靈敏度在小於10khz的頻段範圍內具有良好的平坦型，靈敏度值為140dbref1μpa。採用的抗幹擾裝置能提供低於20dbref1μpa的環境，遠低於零級海況噪聲壓。採用的upd低噪聲光電探測器具備非常優良的性能，其等效噪聲功率不大於1.0×10-15w/√hz，暗電流不大於0.1na。信號採集處理機採用ni的pxi採集系統，其低噪聲模數轉換器件在1khz處等效輸入噪聲壓譜級不大於5nv/√hz。最終，測得幹涉型光纖聲學傳感器的1khz處等效輸入噪聲壓譜級為35db。

可以理解的是，對本領域技術人員來說，對本發明的技術方案及發明構思加以等同替換或改變都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。