[发明专利]声波测量系统、悬臂梁式光纤声波传感器解调系统及方法

权利要求书

1.悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，包括光纤环形器(2)、信号传输光纤(3)、光电检测器(5)和处理器(6)，所述光电检测器(5)的输入端连接光纤环形器(2)，光电检测器(5)的输出端连接处理器(6)，其特征在于：

所述解调系统还包括光纤声波传感头(4)，所述光纤声波传感头(4)为悬臂梁式光纤声波传感器，包括自聚焦透镜(7)和悬臂梁膜片(9)；所述光纤环形器(2)接收测量光信号，并将接收的测量光信号通过信号传输光纤(3)传输到光纤声波传感头(4)，进入光纤声波传感头(4)的测量光信号通过自聚焦透镜(7)的准直和扩束后与悬臂梁膜片(9)产生反射光，反射光再反向通过自聚焦透镜(7)后耦合到信号传输光纤(3)发生衍射而产生衍射光；

衍射光经光纤环形器(2)进入光电检测器(5)中；所述光电检测器(5)将探测到的衍射光的光信号转化为衍射光的光强值的电信号并传输给处理器(6)；

所述处理器(6)用于接收到来自光电检测器(5)的光强值的电信号计算声波信号的振幅；

悬臂梁膜片(9)会在外界的声音信号条件下振动，测量光信号输入光纤声波传感头(4)后经过悬臂梁膜片(9)反射后会产生衍射现象而产生衍射光，处理器(6)对光电检测器(5)转化该衍射光的光强值的电信号经过声波信号振幅与光强值的关系就计算出声波信号的振幅；

所述光纤声波传感头(4)包括自聚焦透镜(7)、外壳(8)和悬臂梁膜片(9)，测量光从左至右射入光纤声波传感头(4)，自聚焦透镜(7)位于外壳内左侧，悬臂梁膜片(9)位于外壳内右侧；悬臂梁膜片(9)垂直于光线传输方向；

所述处理器(6)包括接收光强值的接收单元；所述处理器(6)包括根据光强值解调出声波信号振幅的解调单元；所述自聚焦透镜(7)为楔形自聚焦透镜(7)；

光信号在通过光纤声波传感头(4)中的楔形自聚焦透镜(7)后，其出射光信号上下边界具有固定相位差，通过调整楔形的角度控制固定相位差的大小：固定相位差调整在Q点，当悬臂梁膜片(9)所受不同声压作用而振动时，不同的振动幅度引起反射光信号上下边界不同的光程差，不同的光程差则会引起不同的相位差，夫琅禾费衍射不同的相位差对应不同的衍射光强，当悬臂梁膜片(9)的振动范围不大时，衍射光强将在近似线性区域变化，从而将声压信号线性转化光强的波动，实现声波信号的传感。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，其特征在于：所述光纤声波传感头(4)采用悬臂梁结构光纤F-P声波传感头。

3.声波测量系统，其特征在于：包括光源(1)和权利要求1—2任一所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调系统，所述光源(1)连接光纤环形器(2)，用于发出测量光信号。

4.悬臂梁式光纤声波传感器解调方法，其特征在于：采用权利要求1-2中任一所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调系统进行解调；该系统在光源(1)条件下，所述方法包括以下步骤：

S1、光源(1)发出测量光；

S2、测量光经过光纤环形器(2)进入信号传输光纤(3)；

S3、测量光经过信号传输光纤(3)进入自聚焦透镜(7)，经过自聚焦透镜(7)的准直和扩束后的光照射在悬臂梁膜片(9)上，此时光的振幅为

S4、悬臂梁膜片(9)由于受到声压的作用发生振动而倾斜，该状态下，光照射在悬臂梁膜片(9)上，被悬臂梁膜片(9)不同位置反射回来的光由于光程不同在通过自聚焦透镜(7)后耦合到光纤内相干后产生夫琅禾费衍射而产生衍射光；

S5.衍射光通过信号传输光纤到达光电检测器(5)，光电检测器(5)将衍射光的光信号转化为衍射光的光强值I的电信号；

S6.电信号传入处理器(6)，进而根据衍射光的光强值I和声波信号振幅的关系求解得到声压的振幅。

5.根据权利要求4所述的悬臂梁式光纤声波传感器解调方法，其特征在于：

S6具体为：

通过处理器(6)的获得光电检测器(5)输出的衍射光的光强值I；通过处理器(6)根据光强值I解调出相位ψ，其中相位ψ为反射光线之间的相位差值；通过处理器(6)根据可以求出光程差D，λ为光的波长；通过处理器(6)根据光程差D与声压的正比例关系获得声压的振幅。