[发明专利]一种完备光纤矢量传声器探头

说明书

本发明公开了一种完备光纤矢量传声器探头，其特征在于包括：一个直接测量声信号标量声压P的光纤标量传声器，一个直接测量声信号矢量质点振速U的“8”指向性正交的二维光纤矢量传声器和一个直接测量声信号矢量质点振速U的一维光纤矢量传声器。所述光纤标量传声器的结构体四周外表呈长方体，相邻的两个垂直面上分别承载所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器，且每个面上都具有与相应所述二维光纤矢量传声器或所述一维光纤矢量传声器外结构尺寸相同的凹槽，使其分别严格粘贴镶嵌在两个凹槽中，以及两个凹槽的方位和位置要保证所述二维光纤矢量传声器和所述一维光纤矢量传声器构成的三维“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系。

技术领域

本发明公开了一种完备光纤矢量传声器探头，特别涉及采用全光纤结构，用于同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列，尤其具有三维正交“8”字指向性的综合声学性能特点，而且结构简单、体积小、重量轻、成本低、易实现。

背景技术

随着光纤传感技术的快速发展，其应用范围越来越广泛。与传统的各类电传声器相比，光纤传声器具有独特的光纤性优点，如抗电磁干扰、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列、传输距离远、抗恶劣环境等。光纤传声器可以利用各种光学原理和合理结构，实现声波对光的调制，通过对光信号的解调来获得相应的声信号。

声信号的表征分别有标量物理量声压和矢量物理量质点振速。声压是一个标量物理量，其表现为无指向性的全向指向性，而质点振速作为一个矢量物理量，其具有方向性。一方面，对标量声压P的测量，传统声压传感器如驻极体电容传声器，不具备光纤传声器的优势特点，环境适应性差特是抗电磁干扰能力差，且灵敏度较低。而基于各种原理的光纤传声器中，基于相位调制的光纤法布里-珀罗传声器的结构更为简单易实现，且各项声学性能指标非常优良。另一方面，对矢量质点振速U的测量，一种是基于相位匹配的两只声压传声器的声压梯度计算得到，如声强计，所以作为一种间接获得质点振速的方法，表现出了技术局限性，尤其是相位匹配要求高和工作频带窄；另一种是基于硅微结构的质点振速传感器也是一种直接测量空气声质点振速的传声器，可参考本人之前的发明专利：一种测量空气声质点振速的传感器及其制造方法，而采用硅微工艺结构，一种热源丝-敏感丝一体的结构形式，由热阻效应产生的电阻差，通过解调该电阻差来得到相应的质点振速，故该传声器的主要缺陷是灵敏度较低且电阻式导致本底噪声高，通过电路信号放大处理后，虽然可一定程度增大灵敏度，但是同时本底噪声也随之提高，故信噪比不高；而且因热源丝-敏感丝的极大长宽比，其成型难度大且硅微工艺流程复杂；另外，其成本较高，如铂金材料费和各种工艺设备加工费等。因此，能够直接测量声信号质点振速的光纤矢量传声器更受青睐。

目前，在民用机械车辆工业噪声测量领域尤其军用声探测预警装备目标声源定位领域，对完备矢量传声器的需要日益增加。完备矢量传声器能够同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，其中三维正交分量的“8”字指向性严格符合笛卡尔三维直角坐标系，特别是四路目标信息和三维正交“8”字指向性的特点，给矢量声信号处理技术提供了更多选择性和可能性，可有效的减小所形成波束的宽度、提高空间信噪比、获取信号处理方面的增益。另外，利用矢量阵信号处理技术如矢量阵波束形成和矢量阵子空间谱估计，可有效提高DOA估计精度和多目标分辨能力。以上这些优势特点可解决传统常规方法所不能解决的问题，将大幅提升尤其是我国军用声探测装备的声学综合性能。

发明内容

（一）要解决的技术问题

为了克服现有传声器技术的不足，特别针对上述技术的不足，本发明公开了一种完备光纤矢量传声器探头，它是一种全光纤结构，用于同步共点测量声压P和质点振速U的三维分量Ux、Uy、Uz组成的完备声信号，具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、信噪比高、易于组成阵列，尤其具有三维正交“8”字指向性的综合声学性能特点，而且结构简单、体积小、重量轻、成本低、易实现。

（二）技术方案