CN101945320A - 基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置是一种成本低廉，光源驱动电路简单，稳定性高的麦克风阵列，其中，红光LED(1)、隔离器(2)、1X2耦合器(3)顺序串联连接，1X2耦合器(3)的第一输出端接2X1耦合器(4)的第一输入端，1X2耦合器(3)的第二输出端通过第一光电转换电路(7)接信号处理及解复用模块(10)；拾音探头阵列(6)、光开关驱动模块(9)通过光开关(5)与2X1耦合器(4)的第二输入端相接，2X1耦合器(4)的输出端通过第二光电转换电路(8)接信号处理及解复用模块(10)，信号处理及解复用模块(10)的输出分两部分，其中一路输出同步信号接光开关驱动模块(9)，另一路输出音频信号。

Description

基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置 
技术领域
本发明涉及一种基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置，属于光纤传感及传感网络技术领域。 
技术背景
传统的电类麦克风，易受电磁干扰，且传感部件有电流、电压的存在，这些严重限制它们的应用范围，例如工作时会产生强电磁场的大型机电设备场所(电厂)，存放易燃、易爆气体的仓库，以及医院里的核磁共振测试间等等。光纤麦克风因具有抗电磁干扰，体积小，重量轻，易于构成传感网络实现多点测量，正成为现在的研究热点。光纤麦克风按照工作原理可以分为三类：强度调制型、光纤光栅型和干涉型。强度型麦克风是基于光纤中传输光强被声波调制的原理，该型光纤麦克风研究开发较早，主要调制形式有光纤微弯式、光纤绞合式、受抑全内反射式及光栅式等。这种光纤麦克风结构简单，解调方法相对容易，但其存在着精度低，受外界干扰大等较严重的缺点。光纤光栅型麦克风原理：利用声波应变造成光纤布拉格光栅(FBG)反射谱漂移，将波长信号解调，提取声波信号。这种光纤麦克风低频响应差，通常用于超声探测，而且稳定性较差。 
通常采用波分复用技术构成的光纤麦克风阵列需使用多个光源和多个光接收电路，成本较高，结构复杂。因此，如何降低成本，简化结构，实现单光收发的光纤麦克风阵列，成为关键问题。 
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于空分复用的干涉型光纤麦克风分布式阵列装置，采用红光LED作为光纤麦克风的光源，成本低廉，光源驱动电路简单，稳定性高。 
技术方案：本发明的基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置，其特征在于该阵列装置包括红光LED、隔离器、1X2耦合器、2X1耦合器、光开关、拾音探头阵列、第一光电转换电路、第二光电转换电路、光开关驱动模块、信号处理及解复用模块；其中，红光LED、隔离器、1X2耦合器顺序串联连接，1X2耦合器的第 一输出端接2X1耦合器的第一输入端，1X2耦合器的第二输出端通过第一光电转换电路接信号处理及解复用模块；拾音探头阵列、光开关驱动模块通过光开关与2X1耦合器的第二输入端相接，2X1耦合器的输出端通过第二光电转换电路接信号处理及解复用模块，信号处理及解复用模块的输出分两部分，其中一路输出同步信号接光开关驱动模块，另一路输出音频信号。 
所述的拾音探头阵列由一组干涉型光纤麦克风的拾音探头组成，该拾音探头包括光纤、环形陶瓷夹具、振动反射膜、金属透音网罩及金属外壳；其中，环形陶瓷夹具的内壁与光纤的包层相固定连接，环形陶瓷夹具的外壁固定在金属外壳内侧，振动反射膜外壁、金属透音网罩外壁也固定在金属外壳内侧；光纤与振动反射膜相接触的端面成凹形与振动反射膜的接触面积相吻合，扩大光与振动反射膜的接触面积。 
所述的信号处理及解复用模块包括同步信号发生器、差分模块、多路信号解复用模块；差分模块的输入端为差分输入端口，与第一光电转换电路、第二光电转换电路的输出端连接，同步信号发生器的输出分两路，一路接多路信号解复用模块，另一路同步信号输出接光开关驱动模块，多路信号解复用模块的输出为音频信号输出。 
有益效果： 
1)采用红光LED作为光纤麦克风的光源，成本低廉，光源驱动电路简单，稳定性高。 
2)采用迈克尔逊干涉仪原理制作拾音探头，并优化了探头个组成部分的参数，灵敏度高，实用性强。 
3)采用差分的方式去除光源抖动对光纤麦克风的影响，减小了系统噪声，提高了系统的稳定性。 
4)利用光开关，基于采样原理，实现多传感探头空分复用，构成分布式光纤麦克风阵列，与波分复用相比，不需要采用价格昂贵的可调谐激光器或多个不同波长的激光器，而且只需一路光电探测器即可，成本低廉，系统结构简单。 
附图说明
图1为本发明提出的基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置； 
图2为本发明提出的干涉型拾音探头结构； 
图3为本发明提出的信号处理及解复用模块内部结构； 
具体实施方式
该阵列装置包括红光LED1、隔离器2、1X2耦合器3、2X1耦合器4、光开关5、拾音探头阵列6、第一光电转换电路7、第二光电转换电路8、光开关驱动模块9、信号处理及解复用模块10；其中，红光LED1、隔离器2、1X2耦合器3顺序串联连接，1X2耦合器3的第一输出端接2X1耦合器4的第一输入端，1X2耦合器3的第二输出端通过第一光电转换电路7接信号处理及解复用模块10；拾音探头阵列6、光开关驱动模块9通过光开关5与2X1耦合器4的第二输入端相接，2X1耦合器4的输出端通过第二光电转换电路8接信号处理及解复用模块10，信号处理及解复用模块10的输出分两部分，其中一路输出同步信号接光开关驱动模块9，另一路输出音频信号。 
本发明提出的干涉型拾音探头结构如图2所示，拾音探头阵列6，拾音探头阵列由N个干涉型拾音探头(s1，s2，...，sN)组成，N为大于或等于2的自然数，每个探头由端面为凹形且镀有反射膜的光纤11、环形陶瓷夹具12、振动反射膜13、金属透音网罩14及金属外壳15组成；光开关驱动模块9，驱动1XN光开关5工作；信号处理及解调模块10，由同步信号发生器16，差分模块17，多路信号解复用模块18组成，同步信号发生器16产生同步信号，通过光开关驱动模块9控制光开光的通断，利用采样原理实现多路探头的复用，差分模块17去除光源抖动的影响，多路信号解复用模块18，将每一路信号分离开，并还原和输出每一路的声音信号。 
基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列的特征在于：1)、使用红光LED作为光源，降低了成本；2)、利用光开关，构成单一光收发模块的分布式传感阵列；3)、使用了干涉型高灵敏度的拾音探头阵列。 
拾音探头的特征在于一系列的增敏措施：1)、将光纤11端面磨成凹形，扩大光与振动反射膜13的接触面积；2)、在光纤11端面镀上一定反射率的反射膜，使干涉仪的可见度达到最大；3)、在探头使用金属透音网罩14，与振动反射膜13形成空腔，提高振动反射膜的灵敏度。振动反射膜13与光纤11接触的圆弧面半径R1大于光纤11的直径；振动反射膜13的直径R2等于金属外壳15的内径，振动反射膜13的厚度为d。 
信号处理及解调模块的特征在于：1)、利用光电转换电路7的输出，消除光源抖动对系统的影响；2)、通过控制光开关的快速通断，基于采样原理，实现多路空分复用，并且不丢失各路声音信号的任何信息。 
本发明提出的信号处理及解复用模块内部结构如图3所示，所述的信号处理及解复用模块10包括同步信号发生器16、差分模块17、多路信号解复用模块18；差分模块17的输入端为差分输入端口，与第一光电转换电路7、第二光电转换电路8的输出端连接，同步信号发生器16的输出分两路，一路接多路信号解复用模块18，另一路同步信号输出接光开关驱动模块9，多路信号解复用模块18的输出为音频信号输出。 
具体工作过程如下：红光LED1连续发出的光波，经过隔离器2后，被1X2耦合器3分成两路，一路被送到光电转换电路7被转换成光源参考信号，一路经过1X2耦合器4，到达1XN光开关5；信号处理及解复用模块10输出同步信号，通过光开关驱动模块9控制1XN光开关，依次块速循环接通拾音探头阵列6中的各个探头，实现基于采样原理的空分复用。在拾音探头中，一部分光波被光纤11端面反射，一部分穿过光纤11端面和振动反射膜13之间的气隙，经由振动反射膜13反射回来，两部分光在光纤11端面处出发生干涉，当外界声波通过金属透音网罩14激起振动反射膜13振动时，经由振动反射膜反射回来的光波相位发生变化，两部分光干涉后的强度发生变化，实现了声波信号对光波信号的相位调制。干涉后的光波原路返回，再次经过1X2耦合器4，被分成两路，一路经过1X2耦合器3在隔离器2中损耗掉，另一路被送到光电转换电路8中，转换成电信号。光电转换电路7和光电转换电路8的输出是信号处理与解复用模块10的输入。信号处理与解复用模块10中的差分模块17利用光源参考信号，通过差分来消除光电转换电路8输出信号中的光源噪声成分，多路信号解复用模块，完成各路信号的分离、还原和输出各路声音信号。 
通过上述实施方式，使用开关频率为1MHz光开关，实现了10路拾音探头的同时同步复用，其中每一路采样率为96KHz。 

Claims (2)

1.一种基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置，其特征在于该阵列包括红光LED(1)、隔离器(2)、1X2耦合器(3)、2X1耦合器(4)、光开关(5)、拾音探头阵列(6)、第一光电转换电路(7)、第二光电转换电路(8)、光开关驱动模块(9)、信号处理及解复用模块(10)；其中，红光LED(1)、隔离器(2)、1X2耦合器(3)顺序串联连接，1X2耦合器(3)的第一输出端接2X1耦合器(4)的第一输入端，1X2耦合器(3)的第二输出端通过第一光电转换电路(7)接信号处理及解复用模块(10)；拾音探头阵列(6)、光开关驱动模块(9)通过光开关(5)与2X1耦合器(4)的第二输入端相接，2X1耦合器(4)的输出端通过第二光电转换电路(8)接信号处理及解复用模块(10)，信号处理及解复用模块(10)的输出分两部分，其中一路输出同步信号接光开关驱动模块(9)，另一路输出音频信号。
2.根据权利要求1所述的基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置，其特征在于所述的信号处理及解复用模块(10)包括同步信号发生器(16)、差分模块(17)、多路信号解复用模块(18)；差分模块(17)的输入端为差分输入端口，与第一光电转换电路(7)、第二光电转换电路(8)的输出端连接，同步信号发生器(16)的输出分两路，一路接多路信号解复用模块(18)，另一路同步信号输出接光开关驱动模块(9)，多路信号解复用模块(18)的输出为音频信号输出。
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