CN113029217A - 基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统及光学麦克风 - Google Patents
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Abstract
本申请提供基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统及光学麦克风，本发明是基于法布里波罗标准具的直接耦合光学麦克风将声音信号转化为光信号进行传输，保密性好，不涉及任何机械可移动和可变形部件，其频率响应不局限于膜片的力学结构和材料特性，将声波振动转化为光信号，可以有效地免疫电磁波和复杂磁场的干扰，可以应用于核磁共振、工业无损检测等复杂环境的场合。此外，该发明的传感器探头部分不涉及传统的振膜，只通过腔内介质密度的改变来探测光强的变化，在水下亦可稳定工作，可作为水听器使用，在声呐探测和国防安全领域有着可观的应用潜力。本发明结构简单，制作方便，成本低廉，具有可观的商业化应用并易于实现光学麦克风批量化生产。
Description
技术领域
本申请涉及直接耦合型光纤声传感技术，可用于形成光学传感器，特别是涉及基于直接耦合型光纤声传感技术的高灵敏度高带宽光学麦克风。
背景技术
麦克风作为一种人们日常生活中最常见的声音信号采集工具，从麦克风发明至今，经过几十年的发展，随着传统电学麦克风的技术已经日趋完善和成熟，麦克风不再仅仅局限于过去的应用领域，已经开始承担诸如声学传感、语音识别、声呐探测、超声无损检测等多种新型应用，在民生、科研、医疗、工业、国防等领域都有了不可忽视的作用。
传统型麦克风是基于耦合材料的特性将声波振动转换到电学信号，这种麦克风存在着一定的局限性，如面临着易受干扰、易引入噪声保密性差等问题。此外，在一些复杂的环境下，如核磁共振仪的强磁场和水下等环境，传统电学麦克风无法使用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统及光学麦克风，用于解决传统麦克风无法应用于复杂环境中的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统，包括：激光发射单元、光信号传输单元、法布里珀罗干涉仪单元、光电探测单元、信号采集单元、数据处理单元；所述激光发射单元与信号传输单元相连；所述信号传输单元与法布里珀罗干涉仪单元和光电探测单元相连；所述光电探测单元又与信号采集单元相连；所述信号采集单元连接所述数据处理单元；其中，所述激光发射单元发射的激光经所述光信号传输单元输入所述法布里珀罗干涉仪单元；当声波经过法布里珀罗干涉仪单元的探测区域时与激光直接耦合，改变法布里珀罗腔内介质的密度，进而改变折射率改变反射光光强大小；被改变光强的反射光被反射至所述光电探测单元，由所述光电探测单元进行光电转换后通过所述信号采集单元传输至数据处理单元，供所述数据处理单元将其还原成相应的声音信号。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述法布里珀罗干涉仪单元包括准直器和全反镜；所述准直器内部的半透半反镜和准直器外部的全反镜构成法布里珀罗腔的两个镜面；所述准直器与全反镜之间的区域构成所述探测区域。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述激光发射单元包括可调谐激光器；所述可调谐激光器将其中心波长固定于正交工作点位置。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述可调谐激光器通过扫谱确定所述正交工作点位置；所述正交工作点位置为法布里珀罗腔透射光谱斜率的最大处。
于本申请的第一方面的一些实施例中，所述光信号传输单元包括光环形器。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第二方面提供一种光学麦克风，包括所述基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统。
如上所述，本申请的基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统及光学麦克风，具有以下有益效果：本发明是基于法布里波罗标准具的直接耦合光学麦克风将声音信号转化为光信号进行传输，保密性好，不涉及任何机械可移动和可变形部件，其频率响应不局限于膜片的力学结构和材料特性，有别于传统电学麦克风的工作方式，将声波振动转化为光信号，可以有效地免疫电磁波和复杂磁场的干扰，可以应用于核磁共振、工业无损检测等复杂环境的场合。此外，该发明的传感器探头部分不涉及传统的振膜，只通过腔内介质密度的改变来探测光强的变化，在水下亦可稳定工作，可作为水听器使用，在声呐探测和国防安全领域有着可观的应用潜力。本发明结构简单，制作方便，成本低廉，具有可观的商业化应用并易于实现光学麦克风批量化生产。
附图说明
图1显示为本申请一实施例中基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统的结构示意图。
图2显示为本申请一实施例中基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统的结构示意图。
图3显示为本申请一实施例中数据采集卡获得的法布里波罗标准具反射光谱的示意图。
图4显示为本申请一实施例中接受扬声器播放1kHz单频声音，采集数据进行傅里叶变换后的频谱图，信噪比达到50dB的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。空间相关的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，可在文中使用以便于说明图中所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固持”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
随着传感器对高灵敏度、抗干扰、大带宽的声信号探测等要求的提升，光学声传感技术迅速发展了起来，光学声传感器具有结构简单，功耗低，灵敏度高，声频响应范围宽，无电磁辐射等优点。直接耦合型光纤声传感技术是光学声传感技术中最新的研究方向，应用光学的方法将声音的振动信号直接转换为光信号进行传输，而且不需要经过振膜等运动部件的耦合，因此传感器的性能不局限于耦合材料的特性，频带响应宽、动态范围大，且不受电磁环境的影响，结构简单，可靠性高，能够很好的适应复杂环境，可用于环境噪声监测、管道气体泄露监测、超声机械探伤、光声成像等领域。
有鉴于此，本发明采用基于法布里波罗标准具的直接耦合型光纤声传感技术，实现以光信号作为载体的光学麦克风，由于并不涉及传统麦克风的机械振动部件，其频率响应并不局限于膜片的力学结构和材料特性，可以有效解决传统麦克风受振膜影响频率带宽，且会随时间推移振膜老化进而影响麦克风的性能的问题，还有传统麦克风易受干扰、保密性差，以及在高温高压、强腐蚀、强辐射等复杂环境下无法使用的问题，而且本发明产品具有结构简单、制作方便、成本低廉且易于批量化生产等优点。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本发明实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。
如图1所示，展示了本发明一实施例中基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统的结构示意图。本实施例的光纤声传感系统100包括激光发射单元101、光信号传输单元102、干涉仪探头单元103、光电探测单元104、信号采集单元105、数据处理单元106。
具体而言，所述激光发射单元101与光信号传输单元102相连；所述光信号传输单元102与干涉仪探头单元103相连；所述光信号传输单元102还与光电探测单元104相连；所述光电探测单元104与信号采集单元105相连；所述信号采集单元105又与数据处理单元106相连。所述干涉仪探头单元103至少包括法布里珀罗腔，法布里珀罗腔包括准直器和全反镜；准直器内部的半透半反镜和准直器外部的全反镜构成法布里珀罗腔的两个镜面；准直器与全反镜之间的区域为干涉仪探头单元103的探测区域。
所述激光发射单元101发射的激光由光纤经所述光信号传输单元102输入法布里珀罗腔的准直器，准直后的激光在腔内往返，多级反射光发生干涉，当声波经过干涉仪探头单元103的探测区域时与激光直接耦合，改变法布里珀罗腔内介质的密度，进而改变折射率改变反射光光强大小。被改变后的反射光由全反镜反射至准直器，并由光纤反射至光信号传输单元102，再由光信号传输单元102传输至光电探测单元104，光电探测单元104将反射光信号转换为电信号后传输至信号采集单元105，信号采集单元105再将采集到的电信号发送给数据处理单元106，供编码成音频文件并通过音频线驱动扬声器发声，从而还原声音信号。
在一些示例中，在法布里珀罗标准具的结构和参数确定的前提下，法布里珀罗腔的腔长决定了反射谱自由光谱范围(FSR)的大小，不同波长对应不同的反射光强，用可调谐激光器进行扫谱，就可以得到当前参数条件下法布里波罗腔的反射光谱。在本实施例中，将中心波长固定在法布里珀罗腔透射光谱斜率的最大处，即正交工作点位置，从而使麦克风的灵敏度达到最大。
在一些示例中，所述激光发射单元101可以是激光器，例如本实施例采用窄带可调谐激光器作为光源，即谱线宽度窄且频率可以连续调谐的激光器。
在一些示例中，所述光信号传输单元102可以是光环形器，光环形器是一种多端口的具有非互易特性的光器件，光信号由任一端口输入时，都能按图示的数字顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口，由于光环形器的非互易性使其可以完成正/反向传输的分离任务。
在一些示例中，所述干涉仪探头单元103采用法布里珀罗标准具作为传感器探头，形成法布里-珀罗干涉仪。法布里-珀罗干涉仪是主要由两块平板玻璃或石英板构成的一种干涉仪，两块板朝里的表面各镀有高反射率的部分透射膜并且相互平行，两板之间形成一平行平面空气层，光在这两个镀膜面之间空气层之间反复反射，形成多光束的等倾干涉圆环。在本实施例中，准直器内部的半透半反镜和准直器外部的全反镜构成法布里珀罗腔的两个镜面。
在一些示例中，所述光电探测单元104可以是光电探测器，用于将光信号转换为电信号，利用了光照射在某些物质时物质的电子吸收光子的能量而发生相应的电效应现象的原理，具体可选用光子探测器或者热探测器。
在一些示例中，所述信号采集单元105用于采集电信号，例如可以是用于捕获电信号后将其进行模数转换的采集卡。数据处理单元105可以是ARM(Advanced RISC Machines)控制器、FPGA(Field Programmable Gate Array)控制器、SoC(System on Chip)控制器、DSP(Digital Signal Processing)控制器、或者MCU(Micorcontroller Unit)控制器等，也可以是计算机，如台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、智能手环、智能手表、智能头盔、智能电视等设备。
典型地，该系统的光源是可调谐窄带激光器，该测量干涉仪是法布里-珀罗标准具，标准具由一个半透半反镜和全反射镜组成，可以是平面镜或曲面镜，半透半反镜的反射率和透射率决定了反射光谱的形状。准直器采用渐变折射率透镜，内部集成半透半反镜，全反射镜安装在准直器工作距离处，腔长决定了标准具的自由光谱范围(FSR)，腔长的微小变化都会导致工作点的偏移，可以通过精确调节腔长来控制工作点的位置。对于已安装好的系统，一般通过调整激光器波长使得系统工作在正交工作点的位置上；对于封装好的系统，可以采用确定波长的半导体激光器来减小系统体积，提高稳定性。
刚性的标准具内部充满导光的介质，一般为空气或水，将激光波长调谐到正交工作点的位置，腔内的激光受到声压的变化相位发生改变，干涉后的光强信号经由光环形器被光电探测器探测，光信号经过光电转换后被采集卡记录到计算机进行声信号的频谱分析或编码成声音文件，驱动扬声器播放。
如图2所示，展示了本发明一实施例中基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统的结构示意图。在本实施例中，采用窄带可调谐激光器201作为光源，通过单模光纤202与光环形器203相连，光环形器203与准直器204相连。准直器204内部的半透半反镜205与准直器204外部的微型全反镜206构成法布里珀罗腔的两个镜面。准直器204向微型全反镜206发射激光的区域为干涉仪探头单元的探测区域207。
正交工作点的激光由单模光纤202经由光环形器203输入准直器204，当扬声器208发出的声波经过探测区域207时，声波与激光直接耦合，引起腔内介质的密度变化进而导致折射率发生变化，从而引起反射光的强度的变化，实现了声波振动到光信号的转化。光信号被反射，经由准直器204和光环形器203传至光电探测器209。光电探测器209接收到光信号后进行光电转换，并将转换得到的电信号通过连接线210被采集卡211采集到计算机中，编译成音频文件，通过音频线212即可驱动扬声器213发声，还原声音信号。
应理解，光纤声传感技术是本系统的关键，即将声波振动转换为光波幅度、相位、频率以及波长等参数变化的一种技术。本发明所采用的基于法布里波罗标准具的直接耦合光纤声传感技术通过腔内介质折射率的变化，将声波振动转换到光波波长的变化中去，可实现声波信号的抗干扰和高保密性传输。
本实施例中系统的工作流程如下：首先经过扫谱确定正交工作点位置，光源波长设置在正交工作点位置发出激光进入传感器，激光在传感器干涉仪腔内受声波的调制发生相位改变，导致干涉仪输出光强的变化，光电探测器对反射输出的光强信号进行光电转换，被采集卡收集，可以在电脑上进行声信号的频谱分析，或者编码成声音文件输出到扬声器播放，实验室搭建图2所示测试系统在1kHz信号下的信噪比可以达到50dB，并在10khz范围内达到了40dB以上的信噪比，具体如图3所示的使用NI公司的数据采集卡PXIe-6358获得的法布里波罗标准具反射光谱，以及如图4所示的处于正交工作状态的系统，接受扬声器播放1kHz单频声音，采集数据进行傅里叶变换后的频谱图，信噪比达到50dB。在可能的应用场景中还可通过调节激光器光强和光电探测器的增益系数来动态的增大光学麦克风的灵敏度，实现不同使用场景的特异性需求。
本发明还提供一种光学麦克风，包括所述基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统，因其实施方式与上文中基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统的类似，因此不再赘述。
综上所述，本申请提供基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统及光学麦克风，本发明是基于法布里波罗标准具的直接耦合光学麦克风将声音信号转化为光信号进行传输，保密性好，不涉及任何机械可移动和可变形部件，其频率响应不局限于膜片的力学结构和材料特性，有别于传统电学麦克风的工作方式，将声波振动转化为光信号，可以有效地免疫电磁波和复杂磁场的干扰，可以应用于核磁共振、工业无损检测等复杂环境的场合。此外，该发明的传感器探头部分不涉及传统的振膜，只通过腔内介质密度的改变来探测光强的变化，在水下亦可稳定工作，可作为水听器使用，在声呐探测和国防安全领域有着可观的应用潜力。本发明结构简单，制作方便，成本低廉，具有可观的商业化应用并易于实现光学麦克风批量化生产。所以，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统，其特征在于，包括：
激光发射单元、光信号传输单元、法布里珀罗干涉仪单元、光电探测单元、信号采集单元、数据处理单元；所述激光发射单元与信号传输单元相连；所述信号传输单元与法布里珀罗干涉仪单元和光电探测单元相连；所述光电探测单元又与信号采集单元相连；所述信号采集单元连接所述数据处理单元；
其中，所述激光发射单元发射的激光经所述光信号传输单元输入所述法布里珀罗干涉仪单元；当声波经过法布里珀罗干涉仪单元的探测区域时与激光直接耦合，改变法布里珀罗腔内介质的密度，进而改变折射率改变反射光光强大小；被改变光强的反射光被反射至所述光电探测单元，由所述光电探测单元进行光电转换后通过所述信号采集单元传输至数据处理单元，供所述数据处理单元将其还原成相应的声音信号。
2.根据权利要求1所述的光纤声传感系统，其特征在于，所述法布里珀罗干涉仪单元包括准直器和全反镜；所述准直器内部的半透半反镜和准直器外部的全反镜构成法布里珀罗腔的两个镜面；所述准直器与全反镜之间的区域构成所述探测区域。
3.根据权利要求1所述的光纤声传感系统，其特征在于，所述激光发射单元包括可调谐激光器；所述可调谐激光器将其中心波长固定于正交工作点位置。
4.根据权利要求3所述的光纤声传感系统，其特征在于，所述可调谐激光器通过扫谱确定所述正交工作点位置；所述正交工作点位置为法布里珀罗腔透射光谱斜率的最大处。
5.根据权利要求1所述的光纤声传感系统，其特征在于，所述光信号传输单元包括光环形器。
6.根据权利要求1所述的光纤声传感系统，其特征在于，所述信号采集单元包括采集卡。
7.一种光学麦克风，其特征在于，包括权利要求1～6中任一项所述基于法布里波罗标准具的光纤声传感系统。
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