[发明专利]一种光纤F‑P腔式声波传感器的解调方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于绝对光程差测量的光纤F-P腔式声波传感器的解调方法。

背景技术

采用光纤光学方法探测声波具有高灵敏度、抗强电磁干扰、可远距离遥测、传感头无源因而本质安全等特点，在特殊环境的空气声波探测、水下声波探测(水听器)以及光声光谱测量技术中的光声信号探测等领域有重要的应用前景。

采用光纤F-P腔构成的干涉仪测量声波是一种结构简单且普遍采用的光纤声波探测方法，传感器的核心结构是由光纤端面与一个对声波敏感的膜片构成的F-P腔，当膜片在声波作用下振动时，光纤F-P腔的光程差会受到调制，从而引起反射回光纤的干涉光信号的相位和强度发生变化。通过测量信号强度变化来解调声波信号的方法称为干涉-强度解调方法，而通过相位测量来解调声波信号的方法称为相位解调方法。

干涉-强度解调方法是基于F-P腔干涉信号随光程差按余弦规律变化的特点，通过信号强度与光程差之间的关系检测声波信号，这种方法要求静态工作点保持稳定，同时检测动态范围要限制在1/4个周期内，否则会出现信号衰退和非线性响应问题。文献1[Bing.Yu,Anbo.Wang,Grating-assisted demodulation of interferometric optical sensors,Appl.Opt.42(2003)6824–6829]和文献2[Bing Yu,Anbo Wang,Gary Pickrell,and Juncheng Xu,Tunable-optical-filter-based white-light interferometry for sensing,Opt.Lett.30,1452-1454 2005]提出了一种通过动态调整光源中心波长的方法，补偿由于温度等环境因素引起的静态工作点漂移，但这种方法由于光源的调谐范围有限，对工作点漂移的补偿效果并不理想。文献3[中国发明专利：CN201510158109.2，一种波长循环调谐补偿干涉型传感器工作点漂移的方法及系统]针对光源波长调谐范围窄的问题，提出了一种工作点循环跟踪调整的方法，在一定程度上扩展了工作点的漂移补偿范围，但存在抗干扰能力弱，相位的循环跳变影响信号检测的连续性的问题，并且强度解调方法存在的测量线性动态范围小的问题依然无法解决。

文献4[Dandridge A,Tveten A B,Giallorenzi T G.Homodyne demodulationschemeforfiberopticsensorsusingPhasegenerated carrier[J].IEEEJournalofQuantumElectronics.1982,18(10),1647-1653]首次提出了相位生成载波(PGC)的相位解调方法，PGC解调方法具有较大的测量动态范围，并可以消除静态工作点漂移带来的信号衰退现象。后来文献5[Mao X,Tian X,Zhou X,et al.Characteristics of a fiber-optical Fabry–Perot interferometric acoustic sensor based on an improved phase-generated carrier-demodulation mechanism[J].Optical Engineering,2015,54(4):046107]针对PGC方法存在的非线性失真和稳定性差的问题进行了改进，然而PGC解调方法仍存在声波检测的灵敏度低，信号处理方法复杂等问题，难以在弱声波信号检测中得到实际应用。因而，针对基于光纤F-P腔的声波传感器提出一种高灵敏度、大动态测量范围和高稳定性的解调方法及系统具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于光纤F-P腔式声波传感器的新的解调方法，旨在提高现有F-P腔类光纤声波传感器的灵敏度、线性响应动态范围、信噪比和稳定性。