陳文杰 江俊峰 劉琨 王雙 馬喆 張晚琛 劉鐵根

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津大學(xué)光纖傳感研究所,天津市光纖傳感工程中心,天津 300072)

1 引 言

與電磁和壓電傳聲器相比,光纖聲傳感技術(shù)具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、對潮濕高溫的惡劣環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、信號傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)[1?4].研究人員已提出多種光纖聲傳感方法,包括光纖光柵型[5,6]、光纖Fabry-Perot型[7]、馬赫-曾德爾干涉儀型或邁克耳孫干涉儀型[8]、相干光時(shí)域反射型(C-OTDR)[9,10]、相位敏感光時(shí)域反射型(phase-OTDR)等[11].其中,基于C-OTDR或phase-OTDR的分布式光纖聲傳感技術(shù)具有傳感規(guī)模優(yōu)勢.目前國內(nèi)外研究人員初步展示了分布式光纖聲傳感系統(tǒng)的聲探測能力,如Lu等[12]將傳感光纖繞環(huán)固定于金屬薄板上,基于C-OTDR分布式聲傳感系統(tǒng)探測到薄板附近的鉛筆芯斷裂發(fā)出的聲信號;Wu等[13]將光纖直線粘貼于金屬薄板上對空氣中的聲信號進(jìn)行探測,能探測到最弱聲壓級72 dB;Shang等[14]采用調(diào)制相位載波解調(diào)算法提高解調(diào)信號的動態(tài)范圍和靈敏度,將光纖繞環(huán)放置于水中進(jìn)行聲信號探測,探測最小聲壓為6 Pa,對應(yīng)聲壓級135 dB.聲傳播是介質(zhì)中壓強(qiáng)的傳播,光纖分布式聲傳感本質(zhì)上是探測光纖中聲導(dǎo)致的動態(tài)微應(yīng)變[15].由于聲信號是微小的壓強(qiáng),而光纖非常纖細(xì)且剛度大,聲壓直接在光纖上引起的應(yīng)變非常小,導(dǎo)致靈敏度低.因此不少光纖分布式聲傳感研究采用壓電陶瓷換能器(PZT)模擬聲傳感實(shí)驗(yàn),如Wang等[16]基于phase-OTDR并采用3×3耦合器解調(diào)信號相位,使用2個(gè)PZT模擬聲振動,展示多點(diǎn)聲信號探測;Iida等[17]在phase-OTDR系統(tǒng)中采用多頻系列脈沖研究以提高系統(tǒng)可探測信號頻率,但實(shí)驗(yàn)中也使用PZT模擬聲探測過程,未對實(shí)際聲音信號進(jìn)行探測.為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的聲傳感,本文提出了一種基于單端開口波紋薄筒的光纖分布式聲傳感增敏方法,利用波紋薄筒的筒壁變形,將聲壓轉(zhuǎn)化為光纖軸向應(yīng)變.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法具有良好增敏效果,最小聲探測信號聲壓級可至60.1 dB.

2 光纖分布式聲增敏傳感原理

2.1 基于C-OTDR的光纖分布式聲增敏傳感系統(tǒng)

基于C-OTDR的光纖分布式聲增敏傳感原理如圖1所示,窄線寬激光器輸出連續(xù)激光,經(jīng)過50:50偏振分束器后,一半作為本地參考光,表示為

其中f為激光頻率,EL0為本地參考光的電場振幅.另一半通過聲光調(diào)制器(AOM)、摻鉺光纖放大器(EDFA)被調(diào)制成移頻脈沖光,再經(jīng)過環(huán)形器,注入傳感光纖中.移頻脈沖光沿光纖傳輸,并在每處產(chǎn)生后向瑞利散射光,

其中,Es0(t)為返回瑞利散射光場振幅,隨著衰減不同,返回信號光強(qiáng)是隨時(shí)間變化的;Δf為經(jīng)過AOM產(chǎn)生移頻;φ(t)則為信號光與本地參考光相位差,表征沿光纖各處的應(yīng)變情況.在90°光混合器,信號光與本地參考光相干產(chǎn)生四路干涉信號,在X偏振方向和Y偏振方向各有2個(gè)正交信號,

其中AX(t),AY(t)表示t時(shí)刻接收到X,Y偏振方向信號強(qiáng)度振幅,經(jīng)過正交相位解調(diào),即可得到相位差φ(t).由于時(shí)間t是光脈沖在光纖中往返運(yùn)動的時(shí)間,對于位于光纖長度Z處的傳感光纖,攜帶其傳感相位信息的信號光返回的時(shí)間t為t=2nZ/c,其中n為光脈沖在光纖中的有效折射率,c為真空中光速.所以,在T時(shí)刻發(fā)出的脈沖測量得到的傳感光纖位置所對應(yīng)的相位差為ΦT(Z)=φ(t)=φ(2nZ/c),由于有重復(fù)的光脈沖周期性測量,得到傳感光纖對應(yīng)的一系列等時(shí)間間隔測量的該傳感位置的相位差ΦT(Z),Φ2T(Z),Φ3T(Z),···,ΦnT(Z). 通過跟蹤該位置的相位差變化,即可得到傳感光纖周圍的聲信號.

圖1 基于C-OTDR的光纖分布式聲增敏傳感原理圖Fig.1.Enhanced optical fiber distributed acoustic detection system based on C-OTDR.

2.2 單端固定開口波紋薄筒增敏模型

采用圖2所示的單端固定開口波紋薄筒,進(jìn)行光纖聲傳感局部增敏.光纖纏繞并粘貼于單端開口的單層波紋薄筒的波谷中,即傳感光纖的軸向應(yīng)變量等于所在波谷位置的環(huán)向應(yīng)變量ε.對于單層波紋薄筒,其整體軸向剛度K可表示為K=K0/N,其中N為有效波節(jié)數(shù),K0為單波節(jié)軸向剛度.

圖2 基于波紋薄筒的光纖聲傳感增敏原理圖Fig.2.Principle of fiber acoustic detection enhancement based on corrugated tube.

聲信號通過開口進(jìn)入波紋薄筒內(nèi)部,激發(fā)波紋薄筒軸向受迫振動,帶動纏繞于波紋薄筒波谷中的傳感光纖發(fā)生形變,從而增強(qiáng)幅值響應(yīng).推動波紋薄筒底部沿軸向振動的最大位移ΔX與聲信號的聲壓p和薄筒底面積S的乘積成正比,同時(shí)與整體軸向剛度K成反比,即有

軸向拉伸或壓縮產(chǎn)生的傳感光纖應(yīng)變ε大小為

其中Ri,ΔRi分別為波紋薄筒內(nèi)半徑及其變化量,l,Δl分別為波節(jié)間距及其變化量,且有,Δl= ΔX/N;σ為軸向位移產(chǎn)生的徑向薄膜應(yīng)力;d為波紋薄筒筒壁厚度;h為波紋薄筒波節(jié)高度.(5)式可進(jìn)一步簡化為

對于粘貼長度為L的光纖,軸向應(yīng)變導(dǎo)致相位變化為[19]

其中,λ為光波長,γ11,γ12為單模光纖彈光系數(shù)矩陣元素;μ為室溫下石英材料泊松比.其中,

為相位靈敏度.由(8)式可知,相位變化近似隨聲壓線性變化,波紋薄筒的增敏效果與波紋薄筒波節(jié)間距l(xiāng)成正比,與波紋筒的單波節(jié)軸向剛度K0成反比.當(dāng)選取波紋薄筒波節(jié)間距為10.4 mm,單波節(jié)軸向剛度為5.2 N/mm時(shí),聲壓至應(yīng)變的傳遞系數(shù)為159.2 nε/Pa,光源波長λ=1550.12 nm,且取γ11=0.121[19],γ12=0.27[19],μ=0.1817[20],粘貼光纖長度L為2 m,探測相位靈敏度Se為2.975 rad/Pa.普通單模光纖直接在聲壓p作用下,纖芯產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?yōu)閇19],相位變化為

其中,Ef為室溫下石英材料的楊氏模量,Ef=7.787×104N/mm2[20],則單模光纖聲壓至應(yīng)變的傳遞系數(shù)為0.0047 nε/Pa,傳遞系數(shù)低33872倍,長度2 m普通單模光纖的相位靈敏度Sef為2.073×10?4rad/Pa,相位靈敏度低14351倍.因此,本文采用的波紋薄筒將聲壓更有效地轉(zhuǎn)化為光纖應(yīng)變量,從而提高系統(tǒng)的聲傳感探測極限和相位靈敏度.

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

按圖1搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).窄線寬激光器發(fā)出中心波長1550.12 nm、線寬3 kHz、功率40 mW 的激光,信號光先后進(jìn)入AOM,EDFA被調(diào)制成為移頻Δf=40 MHz、脈寬w=50 ns,重復(fù)周期T=100μs的移頻脈沖光,脈沖光經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖,對光纖中的聲信號進(jìn)行探測,聲源頻率固定為300 Hz,同時(shí)將單點(diǎn)聲傳感器放置于待測位置進(jìn)行聲壓監(jiān)測.

首先,由于普通單模光纖的靈敏度低,未獲得有效信號,增加其傳感部分的長度,將長度4.7 m的單模光纖繞制成直徑6 cm的光纖環(huán)對聲信號進(jìn)行傳感.光纖環(huán)距離光纖起始位置35 m,將光纖環(huán)懸掛在聲源前5 cm處,單點(diǎn)聲傳感器放置于光纖環(huán)位置.當(dāng)光纖環(huán)所在位置聲壓級分別為87.3 dB和99.1 dB時(shí),可以從圖3(a)和圖3(e)時(shí)間距離相位圖以及圖3(b)和圖3(f)距離相位中分辨出聲信號在35—40 m之間存在聲信號;但是,對比圖3(c),圖3(d)和圖3(g),圖3(h)探測得到的強(qiáng)弱兩個(gè)聲信號的時(shí)域信號和頻譜圖,仍能分辨出99.1 dB聲信號在300 Hz頻率處的被測信號,而87.3 dB聲信號被測的頻譜中,300 Hz的信號被其他頻率噪聲所淹沒.因此,雖然能夠定位低于87.3 dB的聲信號,但是其聲信號的頻率等特征已經(jīng)無法探測.

我們將2 m長的光纖,螺旋形粘貼在直徑10 cm、波節(jié)間距10.4 mm、單波節(jié)軸向剛度為5.2 N/mm的單端開口波紋薄筒的波谷中,該段光纖距離光纖起始位置35 m,聲源方向正對薄筒開口端且距其10 cm遠(yuǎn).同時(shí),將單點(diǎn)傳感器放置于波紋薄筒開口位置,監(jiān)測聲信號強(qiáng)度.圖4為系統(tǒng)探測聲壓級79.2 dB信號的探測結(jié)果,可以看到35 m處存在清晰的300 Hz聲信號.

圖3 光纖環(huán)聲傳感探測結(jié)果 (a)—(d)99.1 d B時(shí)信號時(shí)間距離等高圖、距離相位圖、信號時(shí)域圖和信號頻譜圖;(e)—(h)87.3 dB時(shí)信號時(shí)間距離等高圖、距離相位圖、信號時(shí)域圖和信號頻譜圖Fig.3.The results of sound detecting with fiber ring:(a)–(d)Signal contour between time and length,length phase curve,signal time domain picture and signal spectrum with 99.1 dB sound pressure level;(e)–(h)signal contour between time and length,length-phase curve,signal time domain picture and signal spectrum with 87.3 dB sound pressure level.

圖4 聲壓級79.2 dB時(shí)的聲增敏傳感結(jié)果 (a)信號時(shí)間距離等高圖;(b)信號時(shí)域圖;(c)距離相位圖;(d)信號頻譜圖Fig.4.The sensing result with 79.2 dB sound pressure level:(a)Signal contour between time and length;(b)signal time domain picture;(c)signal length-phase curve;(d)signal spectrum.

圖5 聲增敏傳感系統(tǒng)探測聲信號時(shí)域圖和頻譜圖 (a)—(d)84.6 dB,76.3 dB,60.1 dB,54.3 dB時(shí)域圖;(e)—(h)84.6 dB,76.3 dB,60.1 dB,54.3 dB頻譜圖Fig.5.The time domain pictures and spectrum from acoustic detection enhancement:(a)–(d)Time domain picture with 84.6 dB,76.3 dB,60.1 dB,54.3 dB;(e)–(h)spectrum with 84.6 dB,76.3 dB,60.1 dB,54.3 dB.

表1 3種聲增敏傳感器主要參數(shù)Table 1.Main parameters of three kinds of acoustic sensors.

依次從 84.6 dB至 54.3 dB(對應(yīng)聲壓從339.6 mPa至 10.4 mPa)改變聲源強(qiáng)度,進(jìn)行聲信號探測,并通過傅里葉變換得到信號頻譜圖.圖5為不同聲壓下,35 m位置處探測得到聲信號時(shí)域波形及其頻譜.圖中聲壓級分別為84.6,76.3,60.1,54.3 dB,對應(yīng)聲壓為339.6,130.6,20.2和10.4 mPa.圖5顯示,在60.1至84.6 dB聲壓級范圍內(nèi)正弦信號波形清晰,幅值隨聲壓降低而減小,而在聲壓級為54.3 dB時(shí),被探測的聲信號已淹沒于噪聲中.

圖6所示為35 m位置處探測得到聲信號頻譜幅值隨聲壓變化的關(guān)系.從圖6可以看到,在聲壓20.2—339.6 mPa部分,信號幅值隨聲壓近似成線性關(guān)系;從圖6插圖中可以看到聲壓小于20.2 mPa時(shí),信號幅值幾乎不隨聲壓變化,表明系統(tǒng)最小探測聲壓級為60.1 dB.相比未經(jīng)增敏的光纖環(huán),最小探測聲壓級顯著提升.

我們進(jìn)一步對3個(gè)不同參數(shù)的聲增敏傳感裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn).由(8)式可知,聲傳感增敏效果與傳感光纖長度L、波紋薄筒的波節(jié)間距l(xiāng)和單波節(jié)軸向剛度K0有關(guān),故選取波節(jié)間距相近、單波節(jié)軸向剛度不同的波紋薄筒,設(shè)計(jì)制作了3種靈敏度不同的聲增敏傳感器,其主要參數(shù)列于表1.

圖6 探測聲信號頻譜幅值與聲信號聲壓的關(guān)系(插圖為局部放大圖)Fig.6.The relationship between signal’s spectrum amplitude and the sound pressure,the illustration is the zoomed in picture.

圖7 3種聲增敏傳感裝置對比實(shí)驗(yàn)原理圖、時(shí)間距離相位圖和靈敏度擬合結(jié)果 (a)實(shí)驗(yàn)原理圖;(b)信號時(shí)間距離等高圖;(c)靈敏度擬合結(jié)果Fig.7.The principle diagram experimental result and fitting result of the compared experiment among three devices:(a)The principle diagram;(b)contour between time and length;(c)the fitting result.

將3種聲增敏傳感裝置按圖7(a)所示依次連接入光路,1號傳感裝置距光纖起始端44 m,2號與1號傳感裝置、3號與2號傳感裝置間分別連接25 m和23 m光纖,傳感裝置固定在距聲源10 cm處,開口端正對聲源.同時(shí)將單點(diǎn)聲傳感器放置于波紋薄筒開口端監(jiān)測聲信號強(qiáng)度.改變聲源強(qiáng)度,3個(gè)聲增敏傳感裝置同時(shí)進(jìn)行探測.

圖7(b)所示為3種聲增敏傳感裝置的時(shí)間距離相位圖,圖中分別在45 m,70 m和93 m位置傳感到聲信號.圖7(c)為幅值聲壓測試結(jié)果,可看到幅值隨聲壓變化具有良好的線性度,線性擬合R2分別為0.9984,0.9990和0.9992;三種聲增敏傳感裝置的相位靈敏度測量值分別為1.80,1.22和0.68 rad/Pa,相比3號傳感器,1號和2號聲增敏傳感裝置的相位靈敏度分別增加2.712倍和1.758倍.三種聲增敏傳感裝置的相位靈敏度理論計(jì)算值為2.975,1.929和1.097 rad/Pa;相比3號傳感器,1號和2號聲增敏傳感裝置的理論相位靈敏度分別增加2.647倍和1.794倍.相位靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值存在差異,但趨勢一致,這可能由于實(shí)際中的部分參數(shù)偏離理論值,但是聲增敏傳感裝置間的比值關(guān)系基本一致.因此建立的模型可用于實(shí)現(xiàn)靈敏度的靈活設(shè)計(jì),指導(dǎo)聲增敏裝置的聲增敏傳感裝置幾何尺寸和不同材料選擇.

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于C-OTDR光纖分布式聲增敏傳感方法,采用單端固定開口的增敏薄筒轉(zhuǎn)化聲壓為光纖應(yīng)變.建立聲壓至光纖應(yīng)變傳遞模型用于分析單端固定開口的增敏薄筒的增敏機(jī)理,給出了相位靈敏度與聲增敏傳感裝置的波節(jié)間距、單波節(jié)軸向剛度等幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)的關(guān)系,理論分析表明增敏薄筒能有效提高聲傳感靈敏度.搭建聲增敏傳感系統(tǒng)進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明聲增敏傳感裝置最小探測聲信號達(dá)到60.1 dB,3種規(guī)格聲增敏傳感裝置靈敏度變化趨勢基本符合理論計(jì)算結(jié)果,并且靈敏度之間比值與計(jì)算值一致.該聲增敏傳感系統(tǒng)有效提高了聲傳感相位靈敏度,通過改變增敏參數(shù)可實(shí)現(xiàn)靈敏度的靈活設(shè)計(jì).研究結(jié)果為高靈敏度的光纖分布式聲傳感的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

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