CN107144338B - 一种基于upd低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，主要由光纤声学传感器、抗干扰屏蔽装置、光信号探测及采集处理子系统三部分组成，光信号探测及采集处理子系统包含UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机，采用UPD低噪声光电探测器把光纤声学传感器的光信号转化为电信号，通过低噪声模数转换器转换该电信号，最后信号采集处理机将光干涉信号的数字化信号进行数字相位生成载波解调处理，从而实现对光电声学传感器的光相位等效噪声压谱级进行精确校准。

Description

一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声 压谱级校准系统

技术领域

本发明属于计量测试领域，具体属于光纤传感器参数计量领域，主要是一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统。

背景技术

由于光纤声学传感器所具有的独特优越性，它在监测领域的应用越来越广，其中，应用在水声领域的光纤传感器称为光纤水声传感器及其阵列。光纤声学传感器是一种新型的传感器，相对于传统的压电声学传感器，光纤声学传感器具有探测灵敏度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声学传感器的一个重要发展方向。所以，多国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤声学感器的研究和试验，已经开展工程应用。

光源输出的激光经过耦合器后分为两束，分别进入干涉仪的两臂。一条臂绕在金属骨架上作为参考臂，由于金属骨架材料的杨氏模量很大，因此参考臂不受外界声压场的作用，可用来消除声压以外的其他量对光干涉相位的影响。另一条臂绕在刚性体外面的弹性增敏层上作为传感臂，当光纤探头处于外界声压场时，由增敏层变形导致缠绕光纤的长度变化，在光纤光弹效应的共同作用下导致传感臂中传输光的相位发生变化。两束光经光纤端面反射后，回到耦合器处进行干涉，对干涉信号进行检测和处理，就可获得相位差，从而得到声场信息。

动态范围即最大可测信号与最小可测信号之间的范围，是传感器的重要参数，其严重制约着传感器的适用性，关系到光纤传感器实用化的主要性能指标。传统压电水声接收器的动态范围一般为60dB，稍好的可达80dB～90dB，而光纤传感器的动态范围可以达到100dB以上。如何提高动态范围已成为光纤传感器研发的一个重要课题。但其前提是准确测量和校准干涉型光纤声学传感器的动态范围。等效噪声压谱级的数值就是最小可测声信号，也即动态范围的下限。因此，等效噪声压谱级的准确测量也是获知传感器动态范围必不可少的。

没有外界声源的情况下，光纤声学传感器输出的干涉信号在某频段内电噪声的电压级L_U减去该频段内的有效自由场灵敏度级M_eff，再将它归一化到1Hz，就可得到光纤水声传感器的等效噪声压谱级L_ps。其计算公式如式1所示。

L_ps＝L_U-M_eff-10lgΔf 1

式中，Δf是光纤水声传感器的测量带宽；等效噪声压谱级L_ps的基准值为1μPa。

准确获得等效噪声压谱级L_ps的首要前提是已知等效噪声压电压级L_U和光纤水声传感器的有效自由场灵敏度级M_eff。光纤水声传感器的有效自由场灵敏度级M_eff可以通过多种方法获得，而等效噪声压的电压级L_U的获取有特殊的要求。光纤传感传感器的自由场灵敏度级M_eff采用与已知灵敏度的标准水听器进行比较的方式校准得到。

为了推动光纤声学传感器的实用化进程，迫切需要解决其等效噪声压谱级的精确校准问题。目前，我国还没有建立专门的光纤声学传感器的等效噪声压谱级测量方法，国内仅在GB/T4128-1995《标准水听器》附录中，推荐采用真空罩的方法来测量水听器的等效噪声压谱级。但是对于具体的测量系统构成和关键技术细节却没有更多的描述。因此，需要建立专用的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，解决其校准和性能评估问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，用于对新型声学传感器——相位干涉型光纤传感器的等效噪声压谱级进行校准和测量。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，主要由光纤声学传感器、抗干扰屏蔽装置、光信号探测及采集处理子系统三部分组成，光信号探测及采集处理子系统包含UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机，采用UPD低噪声光电探测器把光纤声学传感器的光信号转化为电信号，通过低噪声模数转换器转换该电信号，最后信号采集处理机将光干涉信号的数字化信号进行数字相位生成载波解调处理，从而实现对光电声学传感器的光相位等效噪声压谱级进行精确校准。

所述的光纤声学传感器主要由光源、干涉型光纤声学探头、调制器组成，其中干涉型光纤声学探头有参考臂和感应臂之分，其输出是两臂的干涉光信号，且能够经过测量得到光纤探头的相移灵敏度值，可以在等效噪声压谱级校准前或者后进行该测量，测量时，光纤声学传感器始终处于工作状态。

所述的光纤声学传感器中的调制器实现光纤的调制功能，可以是内调试或者外调制。

所述的抗干扰屏蔽装置具备隔振、隔声和隔电磁屏蔽的相关功能，保证能提供低于零级海况噪声等级的声场环境，且装置内的声场环境必须要经过测量满足该要求后使用。

所述的光信号探测及采集处理子系统的等效噪声功率不大于1.0×10^-15W/√Hz，暗电流不大于0.1nA。

所述的光信号探测及采集处理子系统采用低噪声模数转换器，其1kHz处等效输入噪声压谱级不大于5nV/√Hz。

所述的光纤声学传感器、UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机的参数必须经过精确标定，且可溯源至上级计量技术机构。

本发明的有益效果为：本发明是基于UPD低噪声光电探测器而建立，用于干涉型光纤声学传感器的等效噪声压谱级校准。本发明能够对光电声学传感器的光相位等效噪声压谱级进行精确校准。

附图说明

图1为本发明的构成示意图。

标记1为光纤声学传感器，标记2为抗干扰屏蔽装置。标记3为光信号探测及采集处理子系统，标记4为干涉型光纤声学探头。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

如图1所示，这种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，是基于UPD低噪声光电探测器而建立，用于干涉型光纤声学传感器的等效噪声压谱级校准。校准系统主要由光纤声学传感器1、抗干扰屏蔽装置2、光信号探测及采集处理子系统3三部分组成，核心部分是光信号探测及采集处理子系统3，包含UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机，采用UPD低噪声光电探测器把光纤声学传感器1的光信号转化为电信号，通过低噪声模数转换器转换该电信号，最后信号采集处理机将光干涉信号的数字化信号进行数字相位生成载波解调处理，从而实现对光电声学传感器的光相位等效噪声压谱级进行精确校准。

所述的光纤声学传感器1自身是一个独立的传感系统，主要由光源、干涉型光纤声学探头4、调制器组成，其中光纤探头和调制器是无源器件，光源是有源器件，光纤声学传感器的输出光路会受到这些器件的综合影响，其本底噪声也与每一部分息息相关。因此光纤声学传感器是一个独立的被测对象。所述的光纤声学传感器1中的调制器实现光纤的调制功能，可以是内调试或者外调制。干涉型光纤声学探头4有参考臂和感应臂之分，其输出是两臂的干涉光信号，且能够经过测量得到光纤探头的相移灵敏度值，可以在等效噪声压谱级校准前或者后进行该测量，测量时，光纤声学传感器1始终处于工作状态。

抗干扰屏蔽装置2是校准系统的重要组成部分。光纤声学传感器作为传感系统的感知核心，对外界的声学振动有着极其敏感的特性。为了排除环境对校准结果造成干扰，等效噪声压谱级的测量必须在无外界噪声干扰的环境中进行。但这些来自各种途径的干扰大都无法完全排除，因此需要采取一定的措施进行隔离，以减小它们对测量的影响。系统中的抗干扰屏蔽装置具备隔振、隔声、隔电磁屏蔽等功能，用以隔绝外界的振动、声辐射、电磁辐射等干扰，且具有恒温、真空度高等特点。保证了光纤传感传感器所处环境的稳定。保证能提供低于零级海况噪声等级的声场环境，且装置内的声场环境必须要经过测量满足该要求后使用。

系统中的光信号探测及采集处理子系统包含UPD低噪声光电探测器、模数转换器和信号采集处理机。利用UPD低噪声光电探测器把光纤声学传感器的光信号转化为电信号，其特点是等效噪声功率和暗电流都极低，而且具备强大的功能和宽泛的频带。再用高精度低噪声的模数转换器该电信号，最后利用信号采集处理机采集数字信号后进行处理。信号采集处理机主要涉及具备数字信号处理能力的机器，例如PC机、嵌入式系统等，功能是将光干涉信号的数字化信号进行数字相位生成载波解调处理。

实施例：在发明的具体实施中，采用外调制方式的干涉型光纤声学传感器，包含低噪声高稳定光源、外调制器、光纤探头、高稳定度信号源和线性功率放大器等器件设备。低噪声高稳定光源经过外调制器的调制后经过光纤探头。低噪声高稳定光源的作用是为光纤传感传感器的干涉效应提供光强和频率成分都稳定的窄线宽激光，光强稳定度达0.01mW/小时，频率稳定性大0.1nm。外调制器采用高稳定度信号源和线性功率放大器作为驱动源，能实现大范围的调制度。高稳定载波信号源的作用是产生失真度极小的正弦信号，频率稳定度达1ppm，线性功率放大器的作用是对正弦信号产生高保真放大，在小于100kH频段内的稳定性由于1dB，这样得到的载波信号频率成分单一、稳定，为干涉光信号解调结果的稳定性打下了良好基础。光纤声学传感器的灵敏度在小于10kHz的频段范围内具有良好的平坦型，灵敏度值为140dBref 1μPa。采用的抗干扰装置能提供低于20dBref 1μPa的环境，远低于零级海况噪声压。采用的UPD低噪声光电探测器具备非常优良的性能，其等效噪声功率不大于1.0×10^-15W/√Hz，暗电流不大于0.1nA。信号采集处理机采用NI的PXI采集系统，其低噪声模数转换器件在1kHz处等效输入噪声压谱级不大于5nV/√Hz。最终，测得干涉型光纤声学传感器的1kHz处等效输入噪声压谱级为35dB。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，其特征在于：由光纤声学传感器(1)、抗干扰屏蔽装置(2)、光信号探测及采集处理子系统(3)三部分组成，光信号探测及采集处理子系统(3)包含UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机，采用UPD低噪声光电探测器把光纤声学传感器(1)的光信号转化为电信号，通过低噪声模数转换器转换该电信号，最后信号采集处理机将光干涉信号的数字化信号进行数字相位生成载波解调处理，从而实现对光纤声学传感器的光相位等效噪声压谱级进行精确校准；所述的光纤声学传感器(1)主要由光源、干涉型光纤声学探头(4)、外载波调制器组成，高稳定度信号源、线性功率放大器和外载波调制器三者串接在一起，光源用于为光纤声学传感器(1)的干涉效应提供光强和频率成分都稳定的窄线宽激光，高稳定度信号源用于产生失真度极小的正弦信号，光源经过外载波调制器的调制后经过干涉型光纤声学探头(4)；其中干涉型光纤声学探头(4)有参考臂和感应臂之分，其输出是两臂的干涉光信号，且能够经过测量得到干涉型光纤声学探头的相移灵敏度值，在等效噪声压谱级校准前或者后进行该测量，测量时，光纤声学传感器(1)始终处于工作状态。

2.根据权利要求1所述的基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，其特征在于：所述的抗干扰屏蔽装置(2)具备隔振、隔声和隔电磁屏蔽的相关功能，保证能提供低于零级海况噪声等级的声场环境，且装置内的声场环境必须要经过测量满足该要求后使用。

3.根据权利要求1所述的基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，其特征在于：所述的光信号探测及采集处理子系统(3)的等效噪声功率不大于1.0×10^-15W/√Hz，暗电流不大于0.1nA。

4.根据权利要求1或3所述的基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，其特征在于：所述的光信号探测及采集处理子系统(3)采用低噪声模数转换器，其1kHz处等效输入噪声压谱级不大于5nV/√Hz。

5.根据权利要求1所述的基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，其特征在于：所述的光纤声学传感器(1)、UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机的参数必须经过精确标定，且可溯源至上级计量技术机构。

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