CN108414073B - 一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，包括：(1)对两信道进行波长扫描，得到经声学编码的具有固定相位差的两路光谱数据；(2)对两路光谱数据进行三角拟合，得到对应的静态光谱函数；(3)根据光谱数据、静态光谱函数及拟合参数，解算得到波长域相位变化信号x(λ)；(4)根据波长扫描速度，将波长域相位变化信号x(λ)转化为时间域相位变化信号y(t)。本发明将声场信息编码到传感光谱上，使得经声学编码后的光谱数据与对应的静态光谱函数在受到外部环境不稳定因素扰动时经历同样的相位变化，因此从光谱中重建声信号波形时解调结果为声波导致的相位变化，而不是绝对相位值，具有对环境扰动不敏感的特征。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法。
背景技术
近年来，随着自然灾害预警、结构健康监测以及水下声学通信等工程应用的发展，声波传感技术受到了广泛研究。与传统的电学式或机械式传感器相比，利用反射膜片构成光学微谐振腔形式的光纤声传感器具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，耐腐蚀以及易于组网复用等优点。对声信号的准确测量在结构健康监测、地震灾害预警、管道泄漏监测、水下声呐探测等工程应用场合有着重要的应用。
为了实现对声信号的准确测量，国内外研究人员针对薄膜型光纤声传感器信号解调方法开展了大量的研究。相位解调方法是一种常用的解调方法，其中，相位生成载波调制(PGC)、3×3耦合器解调法或正交双波长解调方法的应用最为广泛，这些相位解调技术精度高，但较为复杂；此外，这些常见的相位解调技术的解调结果都是光谱的绝对相位值，而光谱相位同样会受到外部环境不稳定因素的扰动，因此这些技术同样具有环境不稳定性。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，旨在解决现有的相位解调技术在环境扰动时不稳定的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，包括如下步骤：
(1)对光纤声传感器的两路光信号进行波长扫描以实现对传感光谱的声学编码，并获取经声学编码后的第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)；
(2)对第一光谱数据S1(λ)进行三角拟合得到第一静态光谱函数S01(λ)，对第二光谱数据S2(λ)进行三角拟合得到第二静态光谱函数S02(λ)；当静态光谱函数经历相位变化时，经三角拟合得到的静态光谱函数会经历相同的相位变化；
(3)根据步骤(1)获取到的光谱数据以及步骤(2)获取到的静态光谱函数，解算各波长处由声波引入的相位变化，得到波长域相位变化信号x(λ)；
(4)根据波长扫描的扫描速度v，将波长域相位变化信号x(λ)转换为记录各时间点由声波引入的相位变化的时间域相位变化信号y(t)。
进一步地，由于声学编码后的光谱数据在任意特定波长处相对于静态光谱函数的强度偏移是由于声信号对传感光谱的相位调制引入的，而同样强度偏移对应的相位调制量并不是唯一的，及同样的强度偏移量既有可能是传感光谱受到一定量的调制后导致相位增加引入的，也有可能是传感光谱受到调制后导致相位减小引入的，因此采用一路光谱数据进行相位解调运算会导致相位模糊；因此，步骤(1)中，第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)之间存在固定的相位差，并且第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)之间的相位差不是π的整数倍，以消除相位解调过程中的相位模糊现象。
进一步地，步骤(1)中，波长扫描的扫描范围、扫描速度以及波长分辨率根据动态信号的频率确定，以实现对不同频段的声音信号的解调。
进一步地，第一静态光谱函数S01(λ)和第二静态光谱函数S02(λ)的表达式如下：
其中，β0为光谱数据的空间角频率，为光谱数据的初始相位，为第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)之间的相位差，A1为第一静态光谱函数S01(λ)的直流量，B1为第一静态光谱函数S01(λ)的对比度，A2为第二静态光谱函数S02(λ)的直流量，B2为第二静态光谱函数S02(λ)的对比度；
由于直接拟合得到的静态光谱函数的极大值会小于部分光谱数据，并且极小值会大于部分光谱数据，会造成解调运算结果的错误，因此在确定直流量A1、对比度B1、直流量A2以及对比度B2时，要做相应的修正；由于声压信号仅调制光谱的相位，不调制光谱的强度，因此经声学编码后的光谱数据的极大值即为对应静态光谱函数的极大值，经声学编码后的光谱数据的极小值即为对应静态光谱函数的极小值；因此，直流量A1、对比度B1、直流量A2以及对比度B2计算公式如下：
其中，max(S1(λ))为第一光谱数据S1(λ)的极大值，min(S1(λ))为第一光谱数据S1(λ)的极小值，max(S2(λ))为第二光谱数据S2(λ)的极大值，min(S2(λ))为第二光谱数据S2(λ)的极小值。
进一步地，步骤(3)中，波长域相位变化信号x(λ)的计算方法具体包括如下步骤：
(31)定义一组中间参数，各中间参数的计算公式如下：
(32)根据定义的中间参数，计算波长域相位变化信号x(λ)，计算公式如下：
进一步地，步骤(4)中，根据波长扫描的扫描速度v和所述波长域相位变化信号x(λ)，计算得到时间域相位变化信号y(t)的计算公式如下：
y(t)＝x(vt+λ0)；
其中，λ0为波长扫描的起始波长。
优选地，步骤(1)中，两路信号在通过波长扫描获取经声学编码的光谱数据时需要保证两路信道扫描同步；两路信道的同步扫描可采用发射端同步的方式，即采用波长扫描的单色光源，两信道通过光电探测器直接探测光强度，并利用数据采集***采集数据；两信道的同步扫描也可采用接收端同步的方式，即采用宽带光源，两信道接收端通过波长扫描获取光谱信息时利用触发方式进行同步控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，通过波长扫描的方式将声波信号编码到传感光谱上，并通过三角拟合得到光谱数据对应的静态光谱函数；由于光谱数据因受到环境扰动而经历相位变化时，经三角拟合得到的静态光谱数据会经历相同的相位变化，因此，本发明提供的相位解调方法解调得到的由声波导致的相位变化不是绝对相位值，可以消除外部环境扰动带来的影响。
附图说明
图1为本发明提供的相位解调方法的一种应用场景；
图2为通过波长扫描将声信号编码到传感器光谱的示意图；
图3为本发明实施例提供的相位解调方法中对两路信号进行波长扫描及三角拟合的示意图；
图4为本发明实施例提供的相位解调方法所得的解调结果；(a)为时间域相位变化信息；(b)为对应的频谱图。
具体实施方式
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。
图1所示为本发明提供的基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法的一种应用场景。宽谱光源发出的光进入3×3光纤耦合器后从3×3光纤耦合器的三个输出端口输出，3×3光纤耦合器的三个输出端口中的任意两个端口间具有120°相位差；传感臂和参考臂的长度控制在200μm内，以构成迈克尔逊干涉仪；传感臂连接光纤声传感器，反射面为3μm厚的铝膜；参考臂的反射面为切平的单模光纤端面；3×3光纤耦合器的第三输出端口末端为光纤斜端面，以避免其菲涅尔反射光对迈克尔逊干涉仪的干涉信号产生干扰；迈克尔逊干涉仪的两路反射光信号通过3×3光纤耦合器分别传输到两个光谱仪；当扬声器产生的声波信号作用于薄膜型光纤声传感器时，铝膜会在声压的驱动下发生振动，其振动频率与声频同步；铝膜的振动会对迈克尔逊干涉仪的光程差产生动态调制，从而改变反射光信号中的干涉相位差。
如图2所示，当采用波长扫描的方式采集传感器光谱数据时，不同波长处对应的光强数据在不同时刻被采集到；而由于动态声压对传感器的调制作用，传感器在不同的时刻具有不同的光谱函数；因此对传感器光谱进行波长扫描时，各波长处的数据对应不同时刻的光谱函数，即不同波长处采集得到的光强数据满足传感器在该时刻的光谱函数；因此对传感器进行波长扫描可以将声信号编码到波长域，即编码到传感器光谱上。
当100Hz正弦声波信号作用于光纤声传感器时，采用本发明提供的相位解调方法对声信号进行解调，包括如下步骤：
(1)通过两个光谱仪对光纤声传感器的两路光信号进行波长扫描以实现对传感光谱的声学编码，并获取经声学编码后的第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)；第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)之间存在120°相位差，可以消除相位解调过程中的相位模糊现象；
(2)对第一光谱数据S1(λ)进行三角拟合得到第一静态光谱函数S01(λ)，对第二光谱数据S2(λ)进行三角拟合得到第二静态光谱函数S02(λ)，如图3所示；第一静态光谱函数S01(λ)和第二静态光谱函数S02(λ)的表达式如下：
其中，β0为光谱数据的角速度，为光谱数据的初始相位，为第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)之间的相位差，A1为第一静态光谱函数S01(λ)的直流量，B1为第一静态光谱函数S01(λ)的对比度，A2为第二静态光谱函数S02(λ)的直流量，B2为第二静态光谱函数S02(λ)的对比度；直流量A1、对比度B1、直流量A2以及对比度B2计算公式如下：
其中，max(S1(λ))为第一光谱数据S1(λ)的极大值，min(S1(λ))为第一光谱数据S1(λ)的极小值，max(S2(λ))为第二光谱数据S2(λ)的极大值，min(S2(λ))为第二光谱数据S2(λ)的极小值。
(3)根据步骤(1)获取到的光谱数据以及步骤(2)获取到的静态光谱函数和拟合参数，解算各波长处由声波引入的波长域相位变化信号x(λ)；具体地，首先定义一组中间参数，各中间参数的计算公式如下：
然后根据定义的中间参数，计算波长域相位变化信号x(λ)，计算公式如下：
(4)根据波长扫描的扫描速度v，将波长域相位变化信号x(λ)转换为时间域相位变化信号y(t)，得到各时间点由声波引入的相位变化；时间域相位变化信号y(t)的计算公式如下：
y(t)＝x(vt+λ0)；
其中，λ0为波长扫描的起始波长。
最终解调所得的时间域相位变化信号(声压引入的相位变化)及其频谱图分别如图4(a)和图4(b)所示。
步骤(1)中，由两个光谱仪分别对两路光信号进行波长同步扫描；两信道的同步扫描采用宽带光源，两个光谱仪通过触发的方式对分别对两个信道进行波长扫描，即本实施例中，通过接收端同步的方式控制两信道的波长同步扫描。
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。
Claims (5)
1.一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对光纤声传感器的两路光信号进行波长扫描以实现对传感光谱的声学编码，并获取经声学编码后的第一光谱数据S1(λ)和第二光谱数据S2(λ)；
所述第一光谱数据S1(λ)和所述第二光谱数据S2(λ)之间存在固定的相位差，并且所述第一光谱数据S1(λ)和所述第二光谱数据S2(λ)之间的相位差不是π的整数倍；
(2)对第一光谱数据S1(λ)进行三角拟合得到第一静态光谱函数S01(λ)，对第二光谱数据S2(λ)进行三角拟合得到第二静态光谱函数S02(λ)；当光谱数据经历相位变化时，经三角拟合得到的对应的静态光谱函数会经历相同的相位变化；
(3)根据步骤(1)获取到的光谱数据以及步骤(2)获取到的静态光谱函数，解算各波长处由声波引入的相位变化，得到波长域相位变化信号x(λ)；
(4)根据波长扫描的扫描速度v，将波长域相位变化信号x(λ)转换为记录各时间点由声波引入的相位变化的时间域相位变化信号y(t)。
2.如权利要求1所述的基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，其特征在于，所述第一静态光谱函数S01(λ)和所述第二静态光谱函数S02(λ)的表达式如下：
其中，β0为光谱数据的空间角频率，为光谱数据的初始相位，为所述第一光谱数据S1(λ)和所述第二光谱数据S2(λ)之间的相位差，A1为所述第一静态光谱函数S01(λ)的直流量，B1为所述第一静态光谱函数S01(λ)的对比度，A2为所述第二静态光谱函数S02(λ)的直流量，B2为所述第二静态光谱函数S02(λ)的对比度；
所述直流量A1、所述对比度B1、所述直流量A2以及所述对比度B2的计算公式如下：
其中，max(S1(λ))为所述第一光谱数据S1(λ)的极大值，min(S1(λ))为所述第一光谱数据S1(λ)的极小值，max(S2(λ))为所述第二光谱数据S2(λ)的极大值，min(S2(λ))为所述第二光谱数据S2(λ)的极小值。
3.如权利要求2所述的基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，其特征在于，所述步骤(3)中，波长域相位变化信号x(λ)的计算方法包括如下步骤：
(31)定义一组中间参数，各中间参数的计算公式如下：
(32)根据定义的中间参数，计算波长域相位变化信号x(λ)，计算公式如下：
4.如权利要求1所述的基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据波长扫描的扫描速度v和所述波长域相位变化信号x(λ)，计算得到时间域相位变化信号y(t)的计算公式如下：
y(t)＝x(vt+λ0)；
其中，λ0为波长扫描的起始波长。
5.如权利要求1所述的基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，其特征在于，所述步骤(1)中波长扫描的扫描范围、扫描速度以及波长分辨率根据动态信号的频率确定，以实现对不同频段的声音信号的解调。
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