CN117606604A - 一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***及方法。该传感***包括计算机、信号处理电路、可调谐半导体激光器、光纤分束器、传感通道光纤合束器、参考通道光纤合束器、双芯光缆、光纤声波传感探头、传感通道光电探测器和参考通道光电探测器。光纤声波传感探头具有传感F‑P腔和参考F‑P腔，利用光谱解调法对两个F‑P腔的长度进行同时解调并进行差分处理，消除了光源扫描产生的相位抖动的影响，大大提高了光纤声波探测的灵敏度。相比于传统的单F‑P腔传感方案，本发明的传感***只需要增加2个低成本的光纤合束器和1个光电探测器，在***成本无明显增加的情况下，通过差分算法即可实现声波探测灵敏度的显著提升。
Description
技术领域
本发明属于光纤声波传感技术领域，涉及一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***及方法。
背景技术
光纤声波传感器在光声气体检测、水声探测和语音通信中具有重要的应用。基于光纤法布里-珀罗(F-P)干涉仪的声波传感器具有体积小、灵敏度高的特点。
F-P腔反射的两束光的干涉效应通常用于解调腔长，主要使用白光或可调谐激光器作为检测光。当白光入射到F-P腔时，反射的干涉光被光谱仪检测到。使用干涉谱信号的相位与F-P腔长之间的关系来计算绝对腔长。文献Chen K,Yu Z,Yu Q,et al.Fastdemodulated white-light interferometry-based fiber-optic Fabry–Perotcantilever microphone.Optics Letters,2018,43(14):3417-3420采用了微型近红外光谱仪模块对F-P干涉光谱进行高速探测，利用计算机对F-P腔长进行实时解调得到声波信号，解调速度达到5kHz。然而，由于光谱分辨率较低，导致动态范围较小，最大可测量腔长约为2mm。此外，解调***采用的高速光谱模块成本较高。当可调谐半导体激光器作为检测光源，利用低成本的光电探测器即可以获得F-P干涉谱，避免了使用昂贵的光谱仪。常用的可调谐半导体激光器有垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、分布反馈(DFB)激光器和分布式布拉格反射(DBR)激光器。作为检测光源，这些微激光器具有***结构简单、成本低的显著优点。Liu Q,Jing Z,Liu Y,et al.Quadrature phase-stabilized three-wavelengthinterrogation of a fiber-optic Fabry–Perot acoustic sensor.Optics Letters,2019,44(22):5402-5405利用强度解调法，将VCSEL激光波长设置在F-P干涉仪的多个相位正交工作点，利用F-P腔的相对变化以对声波信号进行解调，这种强度解调方法的解调精度受到光源功率和光路损耗变化的影响。为了实现F-P腔长的高速测量并提高解调精度，需要对可调谐半导体激光器进行波长扫描，并实时计算干涉谱的相位。但是，可调谐半导体激光器的波长扫描重复性较差，导致F-P解调的分辨率较低进而影响了光纤F-P声波探测的灵敏度。因此，设计一种基于扫描激光光源的高灵敏度和高精度光纤F-P声波传感解调***具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***及方法，旨在解决可调谐半导体激光器的波长扫描重复性较差导致F-P腔长解调的分辨率较低的问题，为低成本的可调谐半导体激光器在光纤声波传感解调中的应用拓展更大的空间。
本发明的原理如下：可调谐半导体激光器发射的窄线宽探测光入射到如图2所示结构的双光纤F-P声波传感器，该传感器主要由两根单模光纤、悬臂梁、传感F-P腔、参考F-P腔和壳体构成。两根单模光纤的端面是平端面，反射率约为4％。两根光纤分别对准到悬臂梁的顶部和根部，形成两个低细度的光纤F-P腔(传感F-P腔和参考F-P腔)，两个F-P腔的静态长度几乎相等。当声波作用到悬臂梁时，传感F-P腔的长度随着声波发生周期性变化，而参考F-P腔的长度几乎不变。
可调谐半导体激光器发生的激光入射到光纤F-P干涉传感器后，光纤端面和悬臂梁反射的两束光之间会发生干涉。F-P干涉谱可以表示为：
其中，k是波数，I0(k)是DBR激光器在不同波数下的光功率，γ是F-P干涉谱的对比度，l是F-P腔的长度。根据式(1)，干涉谱的相位随F-P腔长度发生变化。因此，可以利用光谱解调法计算出F-P腔长。然而，可调谐半导体激光器在反复扫描过程中的波长扫描重复性较差，导致解调***采集的干涉谱产生显著的相位抖动。结果，利用光谱解调法解调出的F-P腔长随之发生抖动，影响了光纤F-P传感***的声波探测灵敏度。对传感F-P腔和参考F-P腔的两个干涉光谱进行同时解调，并对实时解调的两个腔长进行差分处理。由于两个F-P腔采用了同一个可调谐半导体激光器作为探测光源，当传感F-P腔和参考F-P腔的长度相等时，两个F-P腔的干涉光谱具有相同的相位抖动。因此，利用差分处理方法可以消除光源扫描产生的相位抖动的影响，大幅度提高声波信号的探测灵敏度。
本发明的技术方案：
一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***，包括计算机1、信号处理电路2、可调谐半导体激光器3、光纤分束器4、传感通道光纤合束器5、参考通道光纤合束器6、双芯光缆7、光纤声波传感探头8、传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10；计算机1与信号处理电路2相连，计算机1向信号处理电路2发送指令，设置扫描电流参数；信号处理电路2与可调谐半导体激光器3相连，信号处理电路2产生电流扫描信号控制可调谐半导体激光器3的输出波长；可调谐半导体激光器3与光纤分束器4相连，光纤分束器4分别与传感通道光纤合束器5、参考通道光纤合束器6相连，可调谐半导体激光器3的输出激光经光纤分束器4分成两束后分别入射到传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6；传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6均依次与双芯光缆7、光纤声波传感探头8相连，传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6的输出端与双芯光缆7相连，将两束激光同时传输到光纤声波传感探头8；从光纤声波传感探头8中的传感F-P腔和参考F-P腔反射的两束干涉光经双芯光缆7入射到传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6；传感通道光纤合束器5、参考通道光纤合束器6分别与传感通道光电探测器9、参考通道光电探测器10相连，用于探测传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光信号；传感通道光电探测器9、参考通道光电探测器10均与信号处理电路2相连，信号处理电路2对传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10的输出信号进行同步采集，并将两个F-P腔长值的差值连续传输给计算机1进行处理和显示。
所述的光纤声波传感探头8包含传感光纤陶瓷插针11、参考光纤陶瓷插针12、悬臂梁13和传感器外壳14；传感光纤陶瓷插针11与悬臂梁13的顶部形成1个低细度的传感F-P腔，声波使悬臂梁13振动引起传感F-P腔长的变化；参考光纤陶瓷插针12与悬臂梁13的根部形成1个低细度的参考F-P腔，其长度几乎不随声波变化；传感F-P腔和参考F-P腔的静态长度几乎相等，长度范围为0.1-10mm。
所述的信号处理电路2利用高速数字信号处理器对探测传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光谱信号进行高速采集和同步相位解调，得到实时的F-P腔长值。
所述的可调谐半导体激光器3的可调谐范围不小于1nm，线宽低于1GHz。
所述的光纤分束器4的分光比为50:50。
一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感方法，利用光谱解调法对传感F-P腔和参考F-P腔的长度进行同时解调，并对解调出的两个腔长进行差分处理，消除了光源扫描产生的相位抖动的影响，大大提高了光纤声波探测的灵敏度；具体步骤如下：
首先，计算机1向信号处理电路2发送控制指令，设置激光扫描电流参数；信号处理电路2产生电流扫描信号控制可调谐半导体激光器3的输出波长，对激光波长进行周期性扫描；可调谐半导体激光器3的输出激光经光纤分束器4分成两束后分别入射到传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6，再经双芯光缆7将两束激光同时传输到光纤声波传感探头8；
然后，从光纤声波传感探头8中的传感F-P腔和参考F-P腔反射的两束干涉光经双芯光缆7分别入射到传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6后，同时被传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10接收；信号处理电路2对传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10的输出信号进行同步采集；
最后，信号处理电路2对每个波长扫描周期内采集的传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光谱信号进行去包络和归一化等预处理，再利用相位解调法对处理后的两个干涉光谱信号进行计算；信号处理电路2对同时解调出来的两个F-P腔长进行差分处理，消除光源扫描产生的相位抖动的影响；信号处理电路2将腔长差分值传输给计算机1进行高通滤波处理得到声波信号。
所述的相位解调法利用干涉光谱信号相位与F-P腔长的关系，先对干涉光谱进行傅里叶变换，根据幅度谱得到估计的频率值，再利用估计的频率值和相位谱快速计算出精确地F-P腔的绝对长度。
本发明的有益效果：在传统光纤声波传感器的基础上增加一根光纤形成参考F-P腔，将双通道相位解调算法用于这种双光纤声波传感器，利用差分算法即可消除可调谐半导体激光器的波长重复扫描产生的干涉谱相位抖动的影响。相比于传统的单F-P腔传感方案，本方案只需要增加2个低成本的光纤合束器和1个光电探测器，在***成本无明显增加的情况下，通过差分算法即可实现声波探测灵敏度的显著提升。由于传感F-P腔和参考F-P腔随环境温度同步变化，可以有效避免环境温度的影响。该方案具有高灵敏度、大动态范围、低成本等优点，且声波探测精度不受光路损耗变化的影响。本发明为低成本光纤声波传感***的性能提升提供了一种极具竞争力的技术方案。
附图说明
图1是本发明***的结构示意图。
图2是光纤声波传感探头的结构示意图。
图3是对可调谐激光光源进行波长扫描得到的传感F-P腔的干涉谱。
图4是传感F-P腔和参考F-P腔的解调值。
图5是基于差分测量得到的声波信号的本底噪声。
图6是本发明方案测量的100Hz声波信号。
图中：1计算机；2信号处理电路；3可调谐半导体激光器；4光纤分束器；5传感通道光纤合束器；6参考通道光纤合束器；7双芯光缆；8光纤声波传感探头；9传感通道光电探测器；10参考通道光电探测器；11传感光纤陶瓷插针；12参考光纤陶瓷插针；13悬臂梁；14传感器外壳。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。
一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***，主要包括计算机1、信号处理电路2、可调谐半导体激光器3、光纤分束器4、传感通道光纤合束器5、参考通道光纤合束器6、双芯光缆7、光纤声波传感探头8、传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10；计算机1向信号处理电路2发送指令，设置可调谐半导体激光器3的扫描电流参数；信号处理电路2产生电流扫描信号控制可调谐半导体激光器3的输出波长；可调谐半导体激光器3的输出激光经光纤分束器4分成两束后分别入射到传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6，两束激光经双芯光缆7同时传输到光纤声波传感探头8，分别照射到悬臂梁的顶部和根部；从光纤声波传感探头8中的传感F-P腔和参考F-P腔反射的两束干涉光经双芯光缆7入射到传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6；传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10分别于传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6相连，用于探测传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光信号；信号处理电路2对传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10的输出信号进行同步采集，并对每个波长扫描周期内采集的传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光谱信号进行去包络和归一化等预处理，再利用相位解调法对处理后的两个干涉光谱信号进行计算；信号处理电路2对同时解调出来的两个F-P腔长进行差分处理，并将腔长差分值传输给计算机1进行高通滤波处理得到声波信号。
其中，可调谐半导体激光器3是DBR激光器，其波长调谐范围为1545.8-1552.5nm，激光输出功率约10mW，波长循环扫描频率为2kHz。信号处理电路2利用FPGA对探测传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光谱信号进行高速采集，并对这两个F-P腔进行同步的相位解调和差分计算。所述的光纤分束器4的分光比为50:50。所述的传感通道光纤合束器5和参考通道光纤合束器6的耦合比都是50:50。传感通道光电探测器9和参考通道光电探测器10采用铟镓砷光电二极管，探测带宽为10MHz。
所述的光纤声波传感探头8包含传感光纤陶瓷插针11、参考光纤陶瓷插针12、悬臂梁13和传感器外壳14；悬臂梁的长度为2mm，宽度为1mm，厚度为10μm；传感光纤陶瓷插针11与悬臂梁13的顶部形成传感F-P腔，参考光纤陶瓷插针12与悬臂梁13的根部形成参考F-P腔；传感F-P腔和参考F-P腔的静态长度为1000.3μm。
图3是对可调谐激光光源进行波长扫描得到的传感F-P腔的干涉谱。干涉谱中的包络是由于DBR激光器的输出功率随波长变化造成的。
图4是传感F-P腔和参考F-P腔的解调值。对F-P腔的干涉谱进行去包络和归一化等预处理后，再利用傅里叶变换和频率估计算法进行相位解调，同步得到传感F-P腔和参考F-P腔的长度值。解调的传感F-P腔长和参考F-P腔长具有相近的波动规律，这是由于DBR激光器在波长重复扫描中存在重复性差的问题，导致F-P干涉谱产生相位抖动。由于这两个F-P腔采用了同一个DBR激光器作为探测光源，两个F-P腔的干涉光谱具有相同的相位抖动，因此解调出来的腔长值也会产生相近的波动规律。解调出的传感F-P腔长和参考F-P腔长的标准差约0.8nm。
图5是基于差分测量得到的声波信号的本底噪声。对解调出的传感F-P腔长和参考F-P腔长进行差分计算和低通滤波处理，得到了声波信号的本底噪声，标准差约0.18nm，相比于图4中的单F-P腔解调结果有了显著的降低，因此本技术方案可以大幅度提高声波信号的探测灵敏度。
图6是本发明方案测量的100Hz声波信号。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感***，其特征在于，该高灵敏度光纤声波传感***包括计算机(1)、信号处理电路(2)、可调谐半导体激光器(3)、光纤分束器(4)、传感通道光纤合束器(5)、参考通道光纤合束器(6)、双芯光缆(7)、光纤声波传感探头(8)、传感通道光电探测器(9)和参考通道光电探测器(10)；计算机(1)与信号处理电路(2)相连，计算机(1)向信号处理电路(2)发送指令，设置扫描电流参数；信号处理电路(2)与可调谐半导体激光器(3)相连，信号处理电路(2)产生电流扫描信号控制可调谐半导体激光器(3)的输出波长；可调谐半导体激光器(3)与光纤分束器(4)相连，光纤分束器(4)分别与传感通道光纤合束器(5)、参考通道光纤合束器(6)相连，可调谐半导体激光器(3)的输出激光经光纤分束器(4)分成两束后分别入射到传感通道光纤合束器(5)和参考通道光纤合束器(6)；传感通道光纤合束器(5)和参考通道光纤合束器(6)均依次与双芯光缆(7)、光纤声波传感探头(8)相连，传感通道光纤合束器(5)和参考通道光纤合束器(6)的输出端与双芯光缆(7)相连，将两束激光同时传输到光纤声波传感探头(8)；从光纤声波传感探头(8)中的传感F-P腔和参考F-P腔反射的两束干涉光经双芯光缆(7)入射到传感通道光纤合束器(5)和参考通道光纤合束器(6)；传感通道光纤合束器(5)、参考通道光纤合束器(6)分别与传感通道光电探测器(9)、参考通道光电探测器(10)相连，用于探测传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光信号；传感通道光电探测器(9)、参考通道光电探测器(10)均与信号处理电路(2)相连，信号处理电路(2)对传感通道光电探测器(9)和参考通道光电探测器(10)的输出信号进行同步采集，并将两个F-P腔长值的差值连续传输给计算机(1)进行处理和显示。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤声波传感***，其特征在于，所述的光纤声波传感探头(8)包含传感光纤陶瓷插针(11)、参考光纤陶瓷插针(12)、悬臂梁(13)和传感器外壳(14)；传感光纤陶瓷插针(11)与悬臂梁(13)的顶部形成1个低细度的传感F-P腔，声波使悬臂梁(13)振动引起传感F-P腔长的变化；参考光纤陶瓷插针(12)与悬臂梁(13)的根部形成1个低细度的参考F-P腔，其长度几乎不随声波变化；传感F-P腔和参考F-P腔的静态长度几乎相等，长度范围为0.1-10mm。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤声波传感***，其特征在于，所述的信号处理电路(2)利用高速数字信号处理器对探测传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光谱信号进行高速采集和同步相位解调，得到实时的F-P腔长值。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤声波传感***，其特征在于，所述的可调谐半导体激光器(3)的可调谐范围不小于1nm，线宽低于1GHz。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤声波传感***，其特征在于，所述的光纤分束器(4)的分光比为50:50。
6.一种基于扫描激光的高灵敏度光纤声波传感方法，其特征在于，利用光谱解调法对传感F-P腔和参考F-P腔的长度进行同时解调，并对解调出的两个腔长进行差分处理，消除了光源扫描产生的相位抖动的影响，大大提高了光纤声波探测的灵敏度；具体步骤如下：
首先，计算机(1)向信号处理电路(2)发送控制指令，设置激光扫描电流参数；信号处理电路(2)产生电流扫描信号控制可调谐半导体激光器(3)的输出波长，对激光波长进行周期性扫描；可调谐半导体激光器(3)的输出激光经光纤分束器(4)分成两束后分别入射到传感通道光纤合束器(5)和参考通道光纤合束器(6)，再经双芯光缆(7)将两束激光同时传输到光纤声波传感探头(8)；
然后，从光纤声波传感探头(8)中的传感F-P腔和参考F-P腔反射的两束干涉光经双芯光缆(7)分别入射到传感通道光纤合束器(5)和参考通道光纤合束器(6)后，同时被传感通道光电探测器(9)和参考通道光电探测器(10)接收；信号处理电路(2)对传感通道光电探测器(9)和参考通道光电探测器(10)的输出信号进行同步采集；
最后，信号处理电路(2)对每个波长扫描周期内采集的传感F-P腔和参考F-P腔的干涉光谱信号进行去包络和归一化等预处理，再利用相位解调法对处理后的两个干涉光谱信号进行计算；信号处理电路(2)对同时解调出来的两个F-P腔长进行差分处理，消除光源扫描产生的相位抖动的影响；信号处理电路(2)将腔长差分值传输给计算机(1)进行高通滤波处理得到声波信号。
7.根据权利要求6所述的高灵敏度光纤声波传感方法，其特征在于，所述的相位解调法利用干涉光谱信号相位与F-P腔长的关系，先对干涉光谱进行傅里叶变换，根据幅度谱得到估计的频率值，再利用估计的频率值和相位谱快速计算出精确地F-P腔的绝对长度。
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