CN115508448A - 基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，通过使光纤共路干涉装置探测端面靠近待测样品表面并在小范围作低频周期运动，同时重复触发探测器多次采集高频超声信号，根据光电探测器所测的同步低频干涉信号判断光纤探测端面的工作状态，对高频超声信号进行极性判断，来修正光纤探测端面工作位置引起的信号反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理，显著提高信号的探测质量。本发明成本低，且灵敏度高，降低了干涉装置的稳定性要求的同时提高信号的信噪比，适用范围得以拓宽，并且单点探测的扫查方式具有高空间分辨率。

Description

基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法
技术领域
本发明涉及光声探测领域，特别是一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法。
背景技术
如今，光纤技术的广泛应用使得光纤传感技术也处于飞速发展中，光纤传感技术以光纤作为信号的传输媒介，待测的物理量在光纤中传输的过程中，以光纤中连续光为载体，使光纤中的光信号发生变化，可以通过对光信号调制得到待测信息。光纤干涉仪作为一种干涉型光纤传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、频带宽、环境适应性强等众多优点。此外基于它抗电磁干扰能力极强的特性，光纤干涉仪可以与光电探测器等光电转换器件很好的结合应用，其信号不会受到外界电磁干扰的影响。光纤传感技术的众多优势，使它在传感技术领域占据重要的地位，在航空航天、生物医学等方面得到了广泛的应用，极大地推进了传感技术的发展。但因为其较高的灵敏度，外界的其他扰动都会引起探测时信号的变化，对光纤干涉仪工作环境的稳定性要求十分严格。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，包括：
通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其作往复周期运动，通过PIN光电探测器确定光纤共路干涉装置的工作状态；
发送低频信号至驱动装置驱动光纤探测端面，改变其与样品间的距离，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面一定范围内作周期运动，形成一个尺度周期变化的空气微腔；
激光器发出激光经过光纤耦合器到达探测臂，部分光在光纤探测端面发生反射构成参考光，其余光透过光纤被待测样品表面反射回来形成信号光，信号光和参考光发生干涉产生干涉信号，由雪崩探测器和PIN光电探测器分别探测干涉信号的高频部分和低频部分，通过信号放大器和IV放大装置放大信号传输给示波器，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频超声信号，并根据同步的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，对高频超声信号进行极性判断，修正光纤探测端面工作位置引起的信号反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）本发明通过微调装置调整光纤斐索干涉装置探测端面的工作位置，提高探测灵敏度、探测信号的信噪比；（2）使用光电探测器和雪崩探测器双路探测，分别探测干涉信号的低频部分和高频部分以便于探测信号的筛选后处理；（3）基于共路干涉原理使其较其他干涉系统具有更强的稳定性；（4）单点探测结合多尺度空间扫查的方式，具有高空间分辨率和更灵活的适用性；（5）根据基于光纤探测端面的工作位置判断信号的后处理方法避免了对光纤干涉装置工作环境的严格要求，能在干扰环境下提高信号质量。
附图说明
图1是实现此方法的实验装置系统示意图。
图2是压电微位移控制台俯视图。
图3是具体实施方法的流程框图。
图4（a）、图4（b）分别是光纤探测端面的工作位置处于非线性区时雪崩探测器探测的lamb波信号和线性区时雪崩探测器探测的lamb波信号。
图5（a）、图5（b）分别是平均处理的lamb波信号和亚克力(PMMA)板的A0模态lamb波波速。
具体实施方式
本发明提供一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，基于图1所示的实验装置实现，装置包括空耦换能器1、功率放大器2、信号发生器3、激光器4、光纤耦合器5、驱动装置6、微调装置7、雪崩探测器8、信号放大器9、PIN光电探测器10、IV放大装置11、示波器12、计算机13、闭环控制14、双级位置控制系统15。
该方法通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其以Hz至kHz的较低频率作往复周期运动，通过PIN光电探测器确定光纤共路干涉装置的工作状态；发送低频信号至驱动装置驱动光纤探测端面，改变其与样品间的距离，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面0-0.7mm范围内作周期运动，形成一个尺度周期变化的空气微腔；激光器发出激光经过光纤耦合器到达探测臂，部分光在光纤探测端面发生反射构成参考光，其余光透过光纤被待测样品表面反射回来形成信号光，信号光和参考光发生干涉产生干涉信号，由雪崩探测器和PIN光电探测器分别探测干涉信号的高频部分和低频部分，通过信号放大器和IV放大装置放大信号传输给示波器，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频超声信号，并根据同步的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，对高频超声信号进行极性判断，根据其工作位置，光纤探测端面的工作位置会引起信号的反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理，显著提高信号的探测质量。
进一步的，所述微调装置采用压电陶瓷或微型减速电机。
在其中一个实施例中，所述微调装置如图2所示，包括光纤台16、置物台17、预紧铰链18、传送铰链19、压电陶瓷凹槽20、螺丝槽21和光纤槽22；其中光纤台16用于固定光纤，它与传送铰链19相连位于置物台17的前端；预紧铰链18属于置物台17的后半部分，包含螺丝槽21，利用螺丝固定压电陶瓷凹槽20中的压电陶瓷；通过压电陶瓷膨胀产生水平位移由传送铰链19带动光纤台16上的光纤移动。
进一步的，对于微米量级空间分辨率的高频声场探测，所述光纤探测端面采用1550nm单模光纤，连接所述光纤耦合器的第一输出端，通过光纤切割刀切割平整固定于微调装置，光纤纤芯直径小于10微米，可实现微米级的空间分辨率；对于低频声场为提高信噪比也可牺牲一定空间分辨率，使用多模光纤器件来提高探测信噪比；所述光纤耦合器还包括第二输出端和第三输出端分别连接PIN光电探测器和雪崩探测器实现双通道探测，基于光纤共路干涉，信号光和参考光都在同一光纤臂中传输，外界环境变化所产生的扰动对两束光的影响是相同的，不会产生额外的相位差，具有更好的抗干扰能力，同时得到光纤探测端面的工作位置和高频超声信号。
进一步的，可将所述控制光纤探测端面位置的微调装置加入到级联的位置控制系统上，结合干涉信号和光栅编码器的多级位移闭环控制，在声场扫查的同时自适应定位光纤探测端面的理想工作区间，并根据检测对象和检测需求，在不同精度下进行多尺度空间扫查，兼顾大尺度下的扫查速度和小尺度下的精度要求，在待测表面不同位置实现超声波单点探测与扫查，具有高空间分辨率；适用于金属表面的超声探测。
进一步的，所述PIN探测器带宽根据干涉信号情况可选为DC-100kHz或DC-1MHz，所测的低频段干涉信号为高频声信号的后处理提供参考和依据；雪崩探测器的探测带宽为100Hz至GHz，并且探测端面有效接收半径可低至5
Figure 45684DEST_PATH_IMAGE001
，适用于高频声场探测，可实现微米量级的高空间分辨率，如需要进一步提高空间分辨率，也可通过自聚焦或微透镜组等方法在待测表面形成更小的探测焦点。
待测声场可以为通过空耦换能器在板状材料激发的lamb波声场，也可通过传统的压电换能器或激光超声的方法激发表面波声场等。不同材料、模式和频段的超声场均可基于此方法实现高空间分辨探测，适用范围较广泛。
光电探测器在低频段具有较好响应，将干涉光信号转化为电信号可表示为：
Figure 221450DEST_PATH_IMAGE002
其中，A表示输入光信号中的直流量、B是与探测器灵敏度有关的系数，
Figure 38359DEST_PATH_IMAGE003
是信号光与参考光的初始相位差，
Figure 793825DEST_PATH_IMAGE004
是待测的超声信号引起的以小幅值快速变化的相位因子，代表了待测离面位移的运动情况，
Figure 917639DEST_PATH_IMAGE005
是环境等干扰引起的随机相位变化，这部分噪声信号幅度较大、频率处于相对低频段，由于机械惯性制约此项随时间呈现较慢的随机变化，这种外界环境干扰噪声会造成相位差
Figure 31351DEST_PATH_IMAGE005
对应的干涉信号中出现相对低频的随机漂移。
定义光纤探测端面的干涉工作位置为
Figure 99670DEST_PATH_IMAGE006
，当
Figure 189986DEST_PATH_IMAGE007
（n为整数）时，光纤探测端面的工作位置处于线性变化区间的中心位置，此时探测装置的灵敏度最高，当
Figure 138612DEST_PATH_IMAGE008
（n为整数）时，其工作位置处于非线性区，灵敏度下降。随机的噪声干扰会致使探测装置灵敏度进一步下降，严重时无法进行信号探测。实际探测时，环境的随机扰动无法避免，因此通过低频信号驱动微调装置改变光纤探测端面与样品之间的距离，使光纤探测端面的工作位置持续周期性变化，确保能探测到工作位置处于线性区时的超声信号。
进一步的，根据光纤探测端面的工作位置判断超声信号的相位，避免出现信号的反相位问题，结合工作位置与对探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理，保留工作位置位于线性区时的超声信号进行后处理，在不严格要求光纤共路探测装置稳定性的同时提高了信号的信噪比。
进一步的，所述方法与空耦换能器、激光超声结合可以实现非金属材料低相速度模式超声波的检测。
下面结合附图3，详细说明本发明基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，具体包括如下步骤：
第一步，调节空耦换能器的角度激发超声波；
空耦换能器作为一种压电换能器，其激励超声波的角度需要与声音在空气中传播的速度和目标模态超声波的相速度相匹配满足斯奈尔定律：
Figure 656181DEST_PATH_IMAGE009
（1）
式中，
Figure 946217DEST_PATH_IMAGE010
为空耦换能器入射角度，
Figure 76109DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 468125DEST_PATH_IMAGE012
分别是声音在空气中传播的速度和超声波在材料中传播的相速度。通过信号发生器发出中心频率为200 kHz、汉宁窗调制、脉冲数为5的正弦脉冲信号至功率放大器驱动空耦换能器在亚克力（PMMA）板内激发A0模态lamb波。
第二步，低频信号驱动微调装置使光纤探测端面的工作位置作周期变化；
通过二维位移台调节光纤探测端面与样品之间的距离使干涉效果到理想状态，在PIN光电探测器上观察干涉信号的峰峰值达1.3V，用信号发生器发出100Hz三角波的低频信号至驱动装置驱动微调装置改变光纤探测端面与样品之间的距离，使光纤探测端面的工作位置作低频周期变化。
第三步，光纤共路干涉装置探测超声波信号；
采用波长1550nm激光器发射激光束至探测臂并且发生反射和透射，在光纤探测端面处部分光被反射形成参考光，其余的光经待测物体表面反射并耦合进探测臂内构成信号光，参考光和信号光发生干涉，产生干涉信号，分别由PIN光电探测器和雪崩探测器探测干涉信号的低频部分和高频部分。根据干涉原理，参考光和信号光之间的干涉效应为：
Figure 94278DEST_PATH_IMAGE013
（2）
其中
Figure 809294DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 539614DEST_PATH_IMAGE015
分别为参考光和信号光，
Figure 492527DEST_PATH_IMAGE016
是参考光和信号光之间的相位差，静止时，光纤端面与待测样品表面的距离为
Figure 617478DEST_PATH_IMAGE017
,当样品内有超声波传播时，表面会产生振幅为
Figure 383571DEST_PATH_IMAGE018
的离面位移，相位差为：
Figure 822642DEST_PATH_IMAGE019
（3）
其中
Figure 895641DEST_PATH_IMAGE020
为激光的波长，假设被测物体在声表面的作用下做周期性正弦运动，振幅为
Figure 286433DEST_PATH_IMAGE021
，综上可得干涉的光强表达式为：
Figure 976040DEST_PATH_IMAGE022
（4）
可以看出，
Figure 579322DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 569144DEST_PATH_IMAGE024
分别为参考光和信号光的光强为常量，另一个组成部分是
Figure 271783DEST_PATH_IMAGE025
，基于光纤共路干涉，
Figure 183107DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 495140DEST_PATH_IMAGE024
处于光纤内同一介质传播，不存在相位差，实际引起变化的是光纤探测端面到被测物体表面之间的距离，通过对探测信号的分析处理可以得到物体的离面位移，即反应超声波的传播。
选用的PIN光电探测器带宽在DC-100kHz，通过它来探测光纤共路干涉装置的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，为高频信号的后处理提供理论参考和依据，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频lamb波信号。
如图4（a）、图4（b）所示，分别是光纤探测端面的工作位置处于非线性区时雪崩探测器探测的lamb波信号和线性区时雪崩探测器探测的lamb波信号。
第四步，移动探测点，多点探测与数据处理；
通过双极位置控制系统移动探测点进行扫查，步长0.2mm，扫描范围0mm-3.2mm，记录数据。
通过PIN光电探测器的探测信号观察光纤共路干涉探测装置的工作状态，根据光纤探测端面的工作位置对高频超声信号进行相位判断，处理工作位置引起的信号反相位问题，同时结合信号的量化的信噪比特征进行筛选和后处理，提取PIN光电探测器探测的信号中电压幅值位于600mV-1200mV区间时，即光纤探测端面的工作位置位于线性区时，雪崩探测器探测的超声信号，进行平均处理，得到平均处理的lamb波信号和亚克力(PMMA)板的A0模态lamb波波速，如图5（a）、图5（b）所示。

Claims (10)

1.一种基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，包括：
通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其作往复周期运动，通过PIN光电探测器确定光纤共路干涉装置的工作状态；
发送低频信号至驱动装置驱动光纤探测端面，改变其与样品间的距离，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面一定范围内作周期运动，形成一个尺度周期变化的空气微腔；
激光器发出激光经过光纤耦合器到达探测臂，部分光在光纤探测端面发生反射构成参考光，其余光透过光纤被待测样品表面反射回来形成信号光，信号光和参考光发生干涉产生干涉信号，由雪崩探测器和PIN光电探测器分别探测干涉信号的高频部分和低频部分，通过信号放大器和IV放大装置放大信号传输给示波器，在光纤探测端面作低频运动的同时重复触发探测器采集高频超声信号，并根据同步的低频干涉信号判断光纤探测端面的工作位置，对高频超声信号进行极性判断，修正光纤探测端面工作位置引起的信号反相位问题，同时结合光纤探测端面的工作位置与探测信号信噪比的量化特征对重复信号进行筛选和后处理。
2.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，所述微调装置采用压电陶瓷或微型减速电机。
3.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，通过微调装置控制光纤探测端面接近待测样品表面，使其以Hz至kHz的频率作往复周期运动。
4.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，光纤探测端面以与微调装置相匹配的频率在离待测表面0-0.7mm范围内作周期运动。
5.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，所述光纤探测端面采用1550nm单模光纤，连接光纤耦合器的第一输出端，通过光纤切割刀切割平整固定于微调装置；所述光纤耦合器的第二输出端和第三输出端分别连接PIN光电探测器和雪崩探测器，实现双通道探测，基于光纤共路干涉，信号光和参考光均在同一光纤臂中传输，同时得到光纤探测端面的工作位置和高频超声信号。
6.根据权利要求5所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，光纤纤芯直径小于10微米。
7.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，将控制光纤探测端面位置的微调装置加入到级联的位置控制系统上，结合干涉信号和光栅编码器的多级位移闭环控制，在声场扫查的同时自适应定位光纤探测端面的理想工作区间。
8.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，所述PIN光电探测器带宽为DC-100kHz或DC-1MHz，所述雪崩探测器的探测带宽为100Hz至GHz，探测端面有效接收半径为5
Figure 402477DEST_PATH_IMAGE002
。
9.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，其特征在于，待测声场为通过空耦换能器在板状材料激发的lamb波声场，或者是通过压电换能器或激光超声的方法激发表面波声场。
10.根据权利要求1所述的基于光纤共路干涉的高空间分辨超声场探测方法，将干涉光信号转化为电信号：
Figure 709831DEST_PATH_IMAGE004
其中，A表示输入光信号中的直流量，B是与探测器灵敏度有关的系数，
Figure 83043DEST_PATH_IMAGE006
是信号光与参考光的初始相位差，
Figure 196362DEST_PATH_IMAGE008
是待测的超声信号引起的以小幅值快速变化的相位因子，
Figure 682838DEST_PATH_IMAGE010
是环境干扰引起的随机相位变化；
定义光纤探测端面的干涉工作位置为
Figure 364355DEST_PATH_IMAGE012
，当
Figure 349497DEST_PATH_IMAGE014
时，光纤探测端面的工作位置处于线性变化区间的中心位置，当
Figure 486081DEST_PATH_IMAGE016
时，其工作位置处于非线性区。
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