CN109506764B - 一种光纤mems麦克风阵列声波探测板及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明光纤声波传感器领域，具体提供一种光纤MEMS麦克风阵列声波探测板及系统，用以填补光纤MEMS麦克风组阵进行声学探测及声源定位的空白；本发明将MEMS膜片应用在光纤声波传感器上，不但提高了光纤麦克风声波传感器的灵敏度，而且制备组装更加简便，具有体积小、不含金属、灵敏度高等优点，能够更好的应用在监听定位等需要隐蔽性强的场所，也能更好应用于远距离空间声源定位，机械装置的非接触式故障音频检测，以及远程声音信号拾取等领域；同时，将单点光纤MEMS麦克风声波传感器进行组阵，不仅能够对声音信号进行探测，还能够对声音信号进行定位。

Description

一种光纤MEMS麦克风阵列声波探测板及系统
技术领域
本发明光纤声波传感器领域，涉及新型声学阵列探测系统，具体提供一种光纤MEMS麦克风阵列声波探测板及系统。
技术背景
随着智能化工业的加速，也促进了传感器行业的发展，其中，光纤传感器由于其体积小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、抗辐射、易弯曲等众多优点，逐渐大量应用在军事国防、工程检测和恶劣环境探测中。光纤声波传感器作为光纤传感器的衍生产品，更是具有光纤传感器的所有优点，并且由于其灵敏度高，可以对声波信号进行快速采集，以及探头体积小容易隐藏，使其更多的应用在监听和水下光纤声呐探测中。
目前类似的声学探测主要有以下几种：1、声源定位应用较多的是电子麦克风组阵，多采用平面圆阵进行远场声源定位，算法方面多采用互相关时延算法，这种方式结构复杂，定位精度不足，应用场景有限，更无法应用到需要隐蔽防探测，以及特殊防电磁的场景；2、以单点麦克风为主的光纤麦克风声波传感器，可以对声音进行探测但却无法进行准确定位，且构成光纤麦克风声波传感器的声压敏感膜片大都以聚合物、金属膜等材料为主，制作工艺要求高，一致性差，长期稳定性不好，不适合用于大规模组阵。
发明内容
本发明的目次在于针对上述技术问题，提供一种光纤MEMS麦克风阵列声学探测板及系统；本发明首先将MEMS膜片应用在光纤声波传感器上，有效提高光纤麦克风声波传感器的灵敏度，简化制备组装工艺，并且能够应用于需要隐蔽防探测及特殊防电磁的场景；同时，设计光纤MEMS麦克风声波传感器阵列基板，将单点光纤MEMS麦克风声波传感器进行组阵，不仅实现对声音信号进行探测，还能够对声音信号进行定位。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种光纤MEMS麦克风阵列声学探测板，由若干个呈阵列分布的光纤MEMS麦克风声波传感器构成；其特征在于，所述光纤MEMS麦克风声波传感器包括基板1、MEMS膜片2、毛细玻璃管3、光纤4，其中，所述基板1上表面中心位置开设有第一级凹槽5，第一级凹槽底部中心位置开设有第二级凹槽6、且第二级凹槽尺寸小于第一级凹槽，第二级凹槽底部中心位置开设有贯穿基板的光纤孔7；所述毛细玻璃管3固定于光纤孔7中，所述MEMS膜片2固定于第一级凹槽5底部，且毛细玻璃管与MEMS膜片于MEMS膜片中心位置固定连接；所述光纤4一端为裸光纤、另一端作为激光输入端，所述裸光纤插入毛细玻璃管3并对腔，使裸光纤端面与MEMS膜片形成法珀腔10(F-P腔)；所述毛细玻璃管3上开设有一对减压孔8，使法珀腔11与第二级凹槽6之间空气流通；所述基板1下表面开设有通气孔9，使第二级凹槽6与外界之间空气流通；所述MEMS膜片上表面具有周期性褶皱波纹11；所述若干个光纤MEMS麦克风声波传感器共用基板。
一种包含上述光纤MEMS麦克风阵列声学探测板的探测系统，包括ASE光源、耦合器、光纤MEMS麦克风阵列声学探测板、N个环形器、N个光电探测器及FPGA，其特征在于，光纤MEMS麦克风阵列声学探测板包括N个光纤MEMS麦克风声波传感器，每个光纤MEMS麦克风声波传感器环形器通过光钎4连接一个环形器，环形器对应连接一个光电探测器；由ASE光源发出的激光通过耦合器分成N路波长、功率均相同的激光，每一路激光经过环形器后进入光纤MEMS麦克风声波传感器，由传感器反射的激光再次进入环形器，环形器出射激光进入光电探测器，光电探测器将检测的光学信号传入FPGA中，由FPGA进行数据处理，实现声源检测及定位。
进一步的，所述法珀腔为微米级法珀腔。
从工作原理上讲，本发明中，所述裸光纤即为光纤4一端去除包层后裸露的纤芯；所述光纤MEMS麦克风阵列声学探测板中每个光纤MEMS麦克风声波传感器结构尺寸完全相同；光纤MEMS麦克风声波传感器的工作过程为：激光经光纤进入传感器后，由F-P腔反射激光会与入射激光产生干涉，形成干涉光，当有外界声音信号传入时，会引起MEMS膜片振动，从而改变F-P腔长度，从而使干涉光的相位改变，通过解调干涉光的相位从而进行声源检测及定位。
本发明中，由于光纤MEMS麦克风阵列声学探测系统，每个点阵都会传输回来数据，并且声波到达每个点阵的时间不同、距离不同，因此采集到的强度也不同，根据阵列互相关时延算法能够计算出具体声源位置。
综上，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种光纤MEMS麦克风阵列声学探测板及系统，填补了光纤MEMS麦克风组阵进行声学探测及声源定位的空白；相比传统的光纤麦克风，本发明将MEMS膜片应用在光纤声波传感器上，不但提高了光纤麦克风声波传感器的灵敏度，而且制备组装更加简便；相比传统的电子麦克风阵列，本发明将单点光纤MEMS麦克风声波传感器进行组阵，通过基板上两级凹槽形成的台阶高度精确控制MEMS膜片与光纤端面的距离，从而精确控制光纤MEMS声波传感器腔长，使得组阵阵元的一致性更好；经过光电探测器采集，及解调后可以获取高质量声音信号。此外，本发明还具有体积小、不含金属、灵敏度高等优点，能够更好的应用在监听定位等需要隐蔽性强的场所，也能更好应用于远距离空间声源定位，机械装置的非接触式故障音频检测，以及远程声音信号拾取等领域。
同时，本发明光纤MEMS麦克风阵列声学探测系统不仅能够对声音信号进行探测，还能够对声音信号进行定位，是在单点式光纤声波传感器基础上的一大步创新，并且由于单点光纤声波传感器体积小，组阵后依然延续了体积小、重量轻、探测精度高的优点，并且相比传统的电子声学阵列，大大降低了成本。
附图说明
图1为光纤MEMS麦克风阵列声学探测系统整体形貌示意图；
图2为光纤MEMS麦克风阵列声学探测系统单点形貌示意图；
图3为阵列板单点孔3D形貌图；
图4为阵列板单点孔纵切图；
图5为MEMS膜片形貌俯视图；
图6为MEMS膜片形貌3D示意图；
图7为连接毛细玻璃管的MEMS膜片示意图；
图8为连接毛细玻璃管的MEMS膜片与阵列孔组合图；
图9为连接毛细玻璃管的MEMS膜片与阵列孔组合后的纵切图；
图10为光纤与图9器件组合示意图；
图11为图10组合后的纵切图；
图12为光纤MEMS麦克风阵列声学探测系统连接示意图；
其中，1为基板，2为MEMS膜片，3为毛细玻璃管，4为光纤、5为第一级凹槽，6为第二级凹槽，7为光钎孔，8为减压孔，9为通气孔，10为F-P腔，11为MEMS膜片褶皱波纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种光纤MEMS麦克风阵列声学探测板，其结构如图1所示，由呈4*8阵列分布的光纤MEMS麦克风声波传感器构成；光纤MEMS麦克风声波传感器的结构如图2所示：包括基板1、MEMS膜片2、毛细玻璃管3、光纤4；
基板1上表面中心位置开设有第一级凹槽5，第一级凹槽底部中心位置开设有第二级凹槽6，第二级凹槽底部中心位置开设有贯穿基板的光纤孔7；所述基板1下表面开设有通气孔9，使第二级凹槽6与外界之间空气流通；如图3、图4所示；
MEMS膜片上表面具有周期性褶皱波纹11，如图5、图6所示，每个MEMS膜片(2)均包含3-5个褶皱波纹；
使用胶水将带有减压孔8的毛细玻璃管3粘在MEMS膜片2中央位置，确保MEMS膜片中间的褶皱波纹不被覆盖，以免影响MEMS膜片的灵敏度，如图7所示；将做好的连接了毛细玻璃管的MEMS膜片插入光纤孔7处，确保贴合完整，如图8所示；此时MEMS膜片位于基板第一级凹槽底部，与第二级凹槽底部形成空间间隙，贴合后结构图如图9所示；
光纤4一端为裸光纤、另一端作为激光输入端，将切割好的裸光纤插入毛细玻璃管3并对腔，如图10所示；对腔时要关注光谱仪，确保光谱周期与解调设置系数相匹配，对好腔后，裸光纤端面和MEMS膜片底面会形成一个微米级的F-P腔10，如图11所示，使用紫外胶将裸光纤与毛细玻璃管内壁进行固化。
本实施例中，具体参数为：
基板1：整体长298mm、宽231mm、高5mm，其中包含4*8个阵列孔，阵列孔之间的距离为30mm，阵列孔与阵列板边缘距离为30mm；阵列孔高5mm，其中，上方形孔(第一级凹槽)长3.5mm、宽3.5mm、高1.2mm，中方形孔(第二级凹槽)长2.5mm、宽2.5mm、高0.8mm，下圆柱形孔(光纤孔)位于方形孔正中央直径1.8mm、高3.8mm，通气孔位于边缘且与中方形孔相连，直径为0.5mm、高3.8mm；MEMS膜片长3.5mm、宽3.5mm、高0.5mm，包含5个褶皱波纹；玻璃毛细管外径1.8mm、内径0.127mm、长10mm，上端开对称减压孔直径0.5mm。
实施例2
本实施例提供一种包含实施例1中光纤MEMS麦克风阵列声学探测板的探测系统，如图12所示；包括ASE光源、耦合器、光纤MEMS麦克风阵列声学探测板、32个环形器、32个光电探测器及FPGA，其特征在于，光纤MEMS麦克风阵列声学探测板包括32个光纤MEMS麦克风声波传感器，每个光纤MEMS麦克风声波传感器环形器通过光钎连接一个环形器，环形器对应连接一个光电探测器；ASE光源发射的激光首先经过1*4耦合器分成4束等比例激光，每束激光再经过1*4耦合器，此时共分出16束等比例激光，每束激光再经过1*2耦合器，此时共分出32束等比例激光；每束激光由环形器1端口进入环形器，由2端口出环形器，32束激光出环形器后分别进入32个MEMS光纤麦克风声波传感器，在每个阵列点处，裸光纤端面和MEMS膜片端面会形成F-P腔，入射光与经过F-P腔反射光会产生干涉，干涉光沿原路返回并由环形器2端进入环形器，由环形器3端出环形器，出射光被32通道的光电探测器阵列进行光电转换，然后经过32通道AD采集送入FPGA中，采用FPGA对阵列光学信号进行解调，并结合声源定位算法实现声源信息处理。当外界有目标声音信号出现时，会引起MEMS膜片振动，从而改变F-P腔的腔长，进而改变干涉光的相位，由于声源相对各个MEMS麦克风声波传感器的入射角和空间角均有不同，解调后会得到32组不同的光信号数据，通过FPGA中固化的空间滤波和互相关时延算法可以对采集的数据进行声源检测和定位。
本发明光纤MEMS麦克风阵列声学探测系统采用全光结构，体积小，隐蔽性强，更方便的应用于特殊场景的声源检测和定位。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种光纤MEMS麦克风阵列声学探测板，由若干个呈阵列分布的光纤MEMS麦克风声波传感器构成；其特征在于，所述光纤MEMS麦克风声波传感器包括基板（1）、MEMS膜片（2）、毛细玻璃管（3）、光纤（4），其中，所述基板（1）上表面中心位置开设有第一级凹槽（5），第一级凹槽底部中心位置开设有第二级凹槽（6）、且第二级凹槽尺寸小于第一级凹槽，第二级凹槽底部中心位置开设有贯穿基板的光纤孔（7）；所述毛细玻璃管（3）固定于光纤孔（7）中，所述MEMS膜片（2）固定于第一级凹槽（5）底部，且毛细玻璃管与MEMS膜片于MEMS膜片中心位置固定连接；所述光纤（4）一端为裸光纤、另一端作为激光输入端，所述裸光纤插入毛细玻璃管（3）并对腔，使裸光纤端面与MEMS膜片形成法珀腔（10）；所述毛细玻璃管（3）上开设有一对减压孔（8），使法珀腔（10）与第二级凹槽（6）之间空气流通；所述基板（1）下表面开设有通气孔（9），使第二级凹槽（6）与外界之间空气流通；所述MEMS膜片上表面具有周期性褶皱波纹（11）；所述若干个光纤MEMS麦克风声波传感器共用基板。
2.按权利要求1所述光纤MEMS麦克风阵列声学探测板，其特征在于，所述法珀腔为微米级法珀腔。
3.一种包含权利要求1所述光纤MEMS麦克风阵列声学探测板的探测系统，包括ASE光源、耦合器、权利要求1所述光纤MEMS麦克风阵列声学探测板、N个环形器、N个光电探测器及FPGA，其特征在于，权利要求1所述光纤MEMS麦克风阵列声学探测板包括N个光纤MEMS麦克风声波传感器，每个光纤MEMS麦克风声波传感器通过光纤 （4）连接一个环形器，环形器对应连接一个光电探测器；由ASE光源发出的激光通过耦合器分成N路波长、功率均相同的激光，每一路激光经过环形器后进入光纤MEMS麦克风声波传感器，由传感器反射的激光再次进入环形器，环形器出射激光进入光电探测器，光电探测器将检测的光学信号传入FPGA中，由FPGA进行数据处理，实现声源检测及定位。
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