朱劍鋒

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林541004)

與傳統(tǒng)的電傳感器相比，光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、防爆等特點。光纖聲傳感器主要應(yīng)用于傳統(tǒng)電聲傳感器無法使用的環(huán)境，如應(yīng)用于醫(yī)用CT機(jī)、磁子共振室等強(qiáng)電磁干擾環(huán)境、長距離野外傳輸管線的安全監(jiān)測等。它能在強(qiáng)腐蝕的化學(xué)或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境下完成傳統(tǒng)電聲傳感器所不可能完成的任務(wù)［1－2］。

文中設(shè)計了一種基于3×3耦合器的干涉式光纖聲傳感器。使用3×3均分耦合器構(gòu)建Sagnac干涉儀來獲得2路具有恒定相位差的等幅干涉輸出信號。當(dāng)調(diào)制相位變化不大時，由于2路信號的交流項的幅度相同且相位相反，在對其做簡單數(shù)學(xué)運(yùn)算后即可減少在光路和電路中引入的擾動噪聲，提高穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

雙光路平衡探測指在光路中利用器件使得兩個探測器獲得的光電流強(qiáng)度相同，其目的是為了提高系統(tǒng)的信噪比和抗干擾性。Sagnac型雙光路平衡探測光纖聲傳感器系統(tǒng)如圖1所示。從3×3耦合器輸出的沿順時針(2－4－7－8－6)、逆時針(2－6－8－7－4)兩光束返回到耦合器時產(chǎn)生干涉，最后干涉光束經(jīng)耦合器分別輸出到兩個完全相同的光電探測器中。

根據(jù)光纖耦合器的差頻特性和線性對稱耦合理論［3－4］，3×3耦合器直通臂與耦合臂的相位差是2π/3，則端口1和2處輸出的光功率為

其中，P0為光源發(fā)出的光耦合到光纖的光功率;Δφ(t)為外界聲壓導(dǎo)致的相位變化。在光路中引入2π/3相位偏置，以提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將兩束干涉光接入兩個相同的探測器和I－V轉(zhuǎn)化器，那么A、B兩路電壓信號表達(dá)式為

式中，η為光電轉(zhuǎn)化運(yùn)算系數(shù)，其大小與光電探測器響應(yīng)度以及I－V轉(zhuǎn)換器互阻放大有關(guān)。

當(dāng)光纖受到外加聲場作用時，光纖的長度、芯徑和折射率會發(fā)生變化，將導(dǎo)致光波相位的變化。光纖在外加聲壓作用下，根據(jù)光纖的光彈效應(yīng)理論，光波相位變化［5］可以寫成

式中，n為光纖的平均折射率;k為光纖材料固有性質(zhì)參數(shù);ξ為光纖應(yīng)變系數(shù);L為延遲光纖的長度;p(t)為作用于感應(yīng)光纖上的聲壓大小。

當(dāng)相位調(diào)制變化φ(t)較小(＜0.1)時，有cos［φ(t)±θ］≈?sinθ·φ(t)+cosθ，則有

從式(4)可知，兩路信號的直流項相同，交流信號幅度相等且相位相反。在一般情況下，纖芯折射率n、光纖材料的固有性質(zhì)參數(shù)k和應(yīng)變系數(shù)ξ均為穩(wěn)定的常數(shù)。在一定的范圍內(nèi)，要提高系統(tǒng)的靈敏度，可以通過增大耦合功率P0，延長光纖延遲線的長度L以及改善感應(yīng)光纖的拾音特性來實現(xiàn)。

將A、B兩路平衡信號作差分處理，得

從式(5)可以看出，雙光路平衡檢測結(jié)構(gòu)可以把直流項完全消除，而且使得有效信號幅度加倍。外部聲壓信號p(t)與輸出的電壓信號VC(t)呈線性關(guān)系，實現(xiàn)了語音信號的還原。

在光路中引入雙光路平衡探測結(jié)構(gòu)使得兩路探減少光源引入的噪聲，又間接消除光路和電路中產(chǎn)生的共模干擾信號。系統(tǒng)輸出信號無需解調(diào)，使電路得到了簡化，從而減少了電路噪聲。

2 實驗與結(jié)果

實驗測試裝置如圖2所示。實驗裝置包括光源(SLD)，中心波長1 550 nm、頻譜寬32 nm、功率1 mW，所用光纖全部是單模光纖，延遲線為帶900μm保護(hù)套的1 km(纏繞在直徑為20 cm的塑料工字環(huán)上)單模光纖，感應(yīng)光纖為3 m的裸光纖;3×3光纖耦合器(分光比均分);兩路PIN管和I－V轉(zhuǎn)換器參數(shù)相同。測試環(huán)境選在消音室，將感應(yīng)光纖和麥克風(fēng)對稱分布在揚(yáng)聲器對稱軸前方兩側(cè)，感應(yīng)光纖和麥克風(fēng)相距10 cm，與揚(yáng)聲器之間相距1 m，使其滿足遠(yuǎn)場條件要求。

圖2 系統(tǒng)測試裝置圖

在單頻聲源的激勵下，示波器選用交流耦方式觀察到A、B兩點交流信號波形，觀察到的波形如圖3所示。從測試結(jié)果看出，交流信號的幅度相同且相位相反，與式(4)所述相符。

圖3 兩路互補(bǔ)信號波形

將示波器的CH1和CH2接口分別連接到標(biāo)準(zhǔn)駐極體麥克風(fēng)和光纖聲傳感器(圖1 C點)信號輸出端。在單頻聲源的激勵下，觀察兩種傳聲器的實時響應(yīng)圖，如圖4所示，對應(yīng)的聲源頻率為300 Hz、3.4 kHz。如圖4所示，光纖聲傳感器與麥克風(fēng)的波形基本吻合，頻率和波形失真度都較低。

圖4 兩種傳聲器在不同激勵下的實時響應(yīng)

揚(yáng)聲器產(chǎn)生復(fù)合頻率的聲場時，光纖聲傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳聲器在復(fù)合頻率下的響應(yīng)波形如圖5所示。兩者波形變化趨勢基本一致，接到揚(yáng)聲器后都能聽到清晰的聲音。從實驗結(jié)果可以看出，該光纖聲傳感器基本達(dá)到了傳聲功能，語音清晰、失真度小。

圖5 兩種傳聲器對語音信號的響應(yīng)

3 結(jié)束語

文中從理論上分析了該光纖聲傳感器的工作原理及特點，通過測試表明，其性能穩(wěn)定，語音清晰，傳聲效果良好，從而驗證了該傳聲器的可行性。由于光路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對語音信號的解調(diào)，結(jié)構(gòu)簡單，拾音部分為普通光纖，外形可變，方便安裝，適用于強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。

［1］ 張成梅.白光干涉型光纖麥克風(fēng)系統(tǒng)的研究［D］.安徽:安徽大學(xué)，2010.

［2］ 王玉田，鄭龍江，張穎，等.光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［3］ 賈波，錢松榮，華中一.光纖耦合器的差頻特性及其應(yīng)用［J］.中國激光，2002，29(7):605－608.

［4］SANZ I，MURIEL M A.New behavior in nonideal couplers［J］.Applied Optics，1992，31(22):4332－4334.

［5］ 趙新秋，鄭繩楦，韓佩富.光纖薩格納克干涉儀在應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用［J］.激光與紅外，2004，34(2):147－148.