喬學(xué)光 邵志華 包維佳 榮強周

(西北大學(xué)物理學(xué)院,西安 710069)

1 引 言

超聲波是一種廣泛地應(yīng)用在海底探潛、成像和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域的重要的工具,特別是對于不透明介質(zhì),深層的穿透能力使其成為一種優(yōu)良無損檢測技術(shù)[1?10].迄今為止,超聲波主要感測方式的核心元件仍然為壓電換能器(piezoelectric transducer,PZT),將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳輸至解調(diào)單元,其探測機理如圖1(a)所示.PZT表現(xiàn)出如下特點:由于PZT是基于機械共振的方式感知超聲波,因此其響應(yīng)頻帶決定于自身的結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出極窄的帶寬;PZT的方向性決定于其接收端面的幾何結(jié)構(gòu),針對不同的聲波特點,如表面波、體波等,需要設(shè)計不同的探針結(jié)構(gòu);PZT適合于目標(biāo)結(jié)構(gòu)的單點探測,復(fù)用性較差,多點同時檢測將極大地增加系統(tǒng)的復(fù)雜性;環(huán)境電磁干擾一直是困擾PZT穩(wěn)定工作的難題,且超聲波信號遠(yuǎn)距離傳輸受制于傳輸電纜的性能和長度,不利于實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測.盡管人們已嘗試?yán)闷渌婎惙绞教娲鶳ZT,試圖解決超聲波探測出現(xiàn)的問題,但效果不明顯,目前超聲波探測仍然以PZT技術(shù)為主.

圖1 (a)PZT;(b)光纖超聲傳感器傳感機理Fig.1.Sensing mechanisms:(a)PZT;(b) fiber-optics ultrasonic sensor.

1966年,Kao和Hockham等報道了光纖的光通訊特性,并研究了光在光纖中傳輸?shù)恼{(diào)制方法,這為光纖傳感器的出現(xiàn)拉開了序幕.光纖傳感器是基于纖維光學(xué)、光電子學(xué)、智能材料及微結(jié)構(gòu)加工融合的新型傳感檢測技術(shù),與傳統(tǒng)常規(guī)傳感檢測技術(shù)相比,具有檢測精度高、本質(zhì)安全、不受環(huán)境電磁場干擾;傳感器動態(tài)范圍大,適用于寬頻帶微弱信號檢測;傳感系統(tǒng)復(fù)用性高,可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,提高信息檢測效率;傳感器件耐高溫、耐腐蝕,適合于特殊惡劣環(huán)境長期使用.因此,研究新型光纖傳感器在諸多領(lǐng)域具有十分重要的科學(xué)技術(shù)意義和應(yīng)用價值.光纖超聲傳感器作為光纖傳感器的一種,其傳感機理主要是通過高速檢測光纖內(nèi)傳輸光的強度、波長、相位、偏振態(tài)等參數(shù)感知超聲波的相關(guān)信息(幅頻特性、發(fā)射源位置等,如圖1(b)所示),與傳統(tǒng)的常規(guī)壓電型超聲換能器相比較[11?20],光纖超聲傳感器充分發(fā)揮了光纖傳感器的優(yōu)勢,特別是在寬頻帶響應(yīng)及信號長距離傳輸保真等方面尤為突出.目前,就光纖超聲傳感器本身而言,如何提高傳感器的靈敏度(高信噪比(signal to noise ratio,SNR)輸出)、擴大傳感器的頻率響應(yīng)范圍(單一傳感單元寬頻帶超聲波信息獲取)、微型化傳感器結(jié)構(gòu)和提高傳感器可靠性一直是光纖超聲傳感器研究的主要方向.此外,由于超聲波頻率大于20 kHz,常規(guī)的低頻傳感解調(diào)技術(shù)無法滿足探測需求,針對不同的超聲波頻段,可采用相位解調(diào)[21?25]、邊帶濾波解調(diào)[26?30]、光頻率解調(diào)[31?34]等方式獲取超聲波信號.為了進一步提高信號的SNR,解調(diào)單元通常會配合光電轉(zhuǎn)換、電信號放大、濾波處理等技術(shù)[35?42].相較于PZT,光纖超聲傳感器已表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢,表1對比總結(jié)了兩種器件的性能.

表1 PZT與光纖超聲傳感器性能對比Table 1.Comparison between PZT and fiber-optic ultrasonic sensor.

綜上所述,開展光纖超聲傳感器的研究具有重要的科學(xué)研究意義、廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,是當(dāng)前國際上聲波傳感器的研究熱點.從目前已有的研究來看,光纖超聲傳感器在30年的發(fā)展中,國際上相關(guān)報道很多,且部分已作為水聽器成功應(yīng)用于水下探潛[43?47].隨著許多物理機理和科學(xué)技術(shù)問題的逐漸突破,再加上光纖結(jié)構(gòu)的多樣化,以及日新月異的激光微加工方法和新型智能材料的出現(xiàn),為光纖超聲傳感器的研制提供了創(chuàng)新空間,也拓展了光纖超聲傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域,如結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和地震物理模型成像等.本文主要綜述了幾種光纖超聲傳感器及其應(yīng)用研究進展.

2 光纖超聲傳感器類型

2.1 強度調(diào)制型光纖超聲傳感器

1977年,Nelson等[48]首次報道了光纖傳感器用于動態(tài)應(yīng)變探測,在此工作中,光纖彎曲放置于U形裝置內(nèi)(如圖2(a)所示),并將一端固定,彎曲中間點附近黏貼于薄膜上,薄膜將環(huán)境聲波震動傳遞至光纖,引起光纖彎曲改變,進而調(diào)制光纖中的光強度,通過解調(diào)單元獲得強度變化的幅頻特性,實現(xiàn)頻率為1163 Hz的聲波探測.此傳感器感知聲波的靈敏度和頻率決定于光纖的初始彎曲和薄膜的特性,因此通過后期改進,該傳感器的性能可以得到進一步提升.但是,低的靈敏度及初始彎曲損耗也是該傳感器的主要不足.1979年,Sheem和Cole[49]提出了一種改進方案,利用經(jīng)腐蝕處理的雙光纖纏繞制作出耦合器,由于光纖腐蝕至纖芯,兩個光纖中傳輸光場出現(xiàn)強共振耦合區(qū),兩束光的相互耦合率決定于光纖重疊區(qū)的環(huán)境折射率和光纖間隔,基于此特性,可靈敏探測聲波引起的環(huán)境折射率變化及光纖間隔變化,進而通過解調(diào)光強耦合率探測聲波信號.在實驗測試中,該傳感器可感測2 kHz的聲波信號.此后也有類似報道進一步證實了該傳感機理的可行性[50,51],不同的是利用多模光纖替代單模光纖,增強光場共振重疊,提高了聲波感測靈敏度.此外,光纖拉錐的方式也能有效地幫助光纖纖芯中傳輸?shù)墓怦詈铣霭鼘覽52,53],如圖2(b)所示,由于光纖錐區(qū)保持原有的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),因此可有效地降低損耗.兩個光纖貼附后同時拉錐,光纖中的光相互耦合,形成光纖耦合器,通過控制拉錐條件,可以調(diào)節(jié)光耦合率.同時光纖錐區(qū)對環(huán)境振動和折射率極為靈敏,類似于上述的耦合器,該光纖器件也可用于聲波/超聲波(10 kHz—1 MHz)探測,相關(guān)研究已在文獻[54]中報道.

圖2 (a)光纖彎曲損耗型超聲傳感結(jié)構(gòu);(b)光纖耦合損耗型超聲傳感結(jié)構(gòu);(c)光纖耦合損耗型超聲傳感器時域響應(yīng);引自文獻[48—54]Fig.2.(a)Ultrasonic sensor structure based on optical fiber bending loss;(b)ultrasonic sensor based on optical fiber coupling loss;(c)time-domain responses of ultrasonic sensor based on optical fiber coupling loss;from Ref.[48–54].

上述方法主要通過光耦合率感測聲波/超聲波的幅頻特性,盡管能夠?qū)崿F(xiàn)聲波的靈敏探測,但制作相對復(fù)雜,需要考慮光纖纏繞工藝、腐蝕程度、錐區(qū)幾何結(jié)構(gòu)等因素.光反射損耗型光纖傳感器件可以有效簡化光纖耦合器,且結(jié)構(gòu)更為緊湊.此類方法可分為兩種方式:傳輸型[55?58]和反射型[59,60],如圖3(a)—(c).對于傳輸型光纖聲波傳感器,需要將兩根光纖端面正對,或打磨成一定角度的斜面后相對時,會形成一個光耦合區(qū),光的耦合率決定于兩個斜面之間的間隔和位置,因此一個端面固定,另一端面感知聲波產(chǎn)生的機械運動,最終通過光反射損耗導(dǎo)致的強度變化感測聲波(圖3(a)).反射型光纖聲波傳感器通過將光入射至待測物表面,然后收集反射光信號強度(圖3(c)),此種傳感器較高地依賴于物體表面的反射率,以及物體表面受聲波調(diào)制的程度.從結(jié)構(gòu)上看,后者更為緊湊,可作為聲波探針使用,但光損耗過大,影響了信號的 SNR.在傳輸損耗型光纖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,Spillman等[55,57]將體光纖光柵插入兩個光纖端面之間(圖3(b)),并作為主動原件,固定在薄膜(機械響應(yīng)聲波的變化)上,隨薄膜移動,在不同位置,光纖光柵可表現(xiàn)出不同的衍射效率,進而改變光的傳輸.此方案,光纖作為傳光介質(zhì)固定,可有效提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

圖3 (a)光纖傳輸反射損耗型超聲傳感結(jié)構(gòu);(b)光纖光柵傳輸損耗型超聲傳感結(jié)構(gòu);(c)光纖反射損耗型超聲傳感器;引自文獻[55—61]Fig.3.(a)Ultrasonic sensor structure based on optical fiber transmission-re flection loss;(b)ultrasonic sensor based on optical fiber grating transmission loss;(c)sensor based on optical fiber re flection loss;from Ref.[55–61].

此外,通過改變光的偏振態(tài)也可實現(xiàn)光強度的調(diào)制.基于此機理,人們利用聲波/超聲波的特性(聲波是一種機械波,能夠引起傳輸介質(zhì)形變),并將其加載至具有雙折射特性的傳光結(jié)構(gòu)上,引起其雙折射改變[62?64].偏振光通過時,材料的彈光效應(yīng)將有效地調(diào)制光強度.在探測單元,利用偏振態(tài)濾波器將光的兩種偏振態(tài)濾出后,分別探測光強度.由于兩種偏振態(tài)的正交性,其光強調(diào)制方向相反,可將兩種光強變化疊加,提高聲波探測的靈敏度和SNR.盡管此種方式實現(xiàn)了頻率(100 Hz—2 kHz)的聲波探測,但由于該方案中光調(diào)制僅決定于選取材料的彈光效應(yīng),因此可通過優(yōu)化材料選取,進一步提高傳感器的靈敏度和頻率測量范圍,有助于解決高頻聲波探測靈敏度低的難題.上述方案主要是利用偏振態(tài)模式之間的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)強度調(diào)制,此外,光纖中模式的耦合和干涉也可作為一種調(diào)制光強度的方式,并應(yīng)用于聲波測量.例如,由于光通過多模光纖時,在光纖內(nèi)部產(chǎn)生多種模式激發(fā),它們之間將產(chǎn)生相互耦合和干涉,即模態(tài)干涉,在輸出端可觀測干涉散斑圖隨聲波的變化[65].光纖受到環(huán)境振動或聲波影響,參與干涉的多階模式的相位和強度將會擾動,最終影響干涉效果.針對此方案,在解調(diào)單元可以通過兩種方式實現(xiàn)強度解調(diào):1)通過解調(diào)干涉相位的變化感測聲波的幅頻特性,該方案將在下文中詳細(xì)闡述;2)由于輸出光的總強度始終保持不變,無法通過探測總強度變化獲得聲波信息,但可將某一模式的光強度濾出,其余光強度將會隨聲波調(diào)制發(fā)生變化,進而可通過光強變化感測聲波.此種方案中,光纖模式對于光纖微應(yīng)變極為靈敏,因此在探測聲波時具有較高的靈敏度.

圖4 (a)光纖偏振態(tài)損耗型超聲傳感結(jié)構(gòu)[66];(b)光纖多模干涉損耗型超聲傳感結(jié)構(gòu)[67]Fig.4.Ultrasonic sensor structure:(a)Optical fiber polarization loss[66];(b) fiber multi-mode interference loss[67].

上述基于光纖強度調(diào)制型的聲波/超聲波傳感器主要是此領(lǐng)域前期的一些研究工作,雖然在探測聲波方面已表現(xiàn)出較高的靈敏度及寬頻帶的響應(yīng),但方案自身存在的不足也限制了其在后期的應(yīng)用:1)光強探測的SNR容易受到光源波動、傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,導(dǎo)致聲波感測穩(wěn)定性較差;2)傳感系統(tǒng)自身的光強度損耗較大,依賴于光纖之間的光耦合、待測物光傳輸和光反射、傳感結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等,最終導(dǎo)致系統(tǒng)感測聲波SNR較小;3)此類方案僅適應(yīng)于單點聲波感測,傳感單元復(fù)用困難,無法實現(xiàn)聲波/超聲波多點同時探測.為了滿足聲波高靈敏、超寬頻段的感測,在光纖傳感技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,出現(xiàn)了下述兩種類型的光纖超聲波傳感器技術(shù).

2.2 干涉型光纖超聲傳感器

光纖干涉結(jié)構(gòu)主要基于兩束或多束光波之間的干涉,并且光波之間的相位差易受光纖應(yīng)變的影響,因此可用于感測聲波/超聲波的幅頻特性.至今,光纖干涉型聲波傳感器已發(fā)展了30余年,人們已研制了多種光纖干涉型聲波傳感器[68?74].按照干涉機理可分為Mach-Zehnder干涉(Mach-Zehnder interference,MZI),Fabry-Perot干涉(Fabry-Perot interference,FPI),Michelson干涉(Michelson interference,MI),Sagnac干涉.下文中,重點討論近些年基于上述幾種干涉機理的光纖超聲傳感器,探測頻率大于20 kHz.

MZI是一種透射型干涉結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)的MZI由兩個3 dB光纖耦合器連接構(gòu)成[75,76],兩個耦合器分別用于光的耦合和復(fù)耦合,耦合器之間的兩根光纖作為干涉臂.基于MZI的光纖傳感器也是最早用于超聲波探測的干涉型傳感器[77],利用傳感臂與參考臂之間的拍頻信號感測水中超聲波信號,并實現(xiàn)了 40—400 kHz的寬頻帶超聲波探測.隨后,Jarzynsk等將傳感光纖纏繞成線圈,利用線圈感測超聲波(100 Hz—50 kHz).在該方案中,可以通過改變線圈數(shù)改變感測光纖長度.由于超聲波作用于線圈,可引入表面壓力和線圈的形變兩種效果疊加,提高干涉相位調(diào)制度,最終改善傳感器的靈敏度.此文獻也通過理論結(jié)合實驗表明此類干涉計的靈敏度與聲波頻率相關(guān),且具有明顯的方向相關(guān)性.基于MZI干涉機理,研究者又分別提出了多種方案用于進一步提高傳感器的靈敏度,例如,利用多模光纖代替單模光纖作為傳感臂[78,79]、傳感光纖埋伏在混合結(jié)構(gòu)里[80]、改變光纖涂覆層[81,82].但此類傳感器存在以下亟待解決的問題:由于MZI傳感單元體積較大,對于高頻超聲波響應(yīng)靈敏度低,適合于低頻超聲波感測;系統(tǒng)的參考臂和傳感臂長度較長,對光纖固定要求高,須避免低頻振動的影響;復(fù)用性差也是該系統(tǒng)的不足之一,需要進一步優(yōu)化傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計.

光纖MI作為另一種不同于光纖 FPI的反射型干涉結(jié)構(gòu),是基于相同波長的具有相位差的兩束光的干涉.傳統(tǒng)的光纖MI是由3 dB耦合器構(gòu)成[83,84].與光纖MZI類似,一根光纖作為參考臂,一根光纖作為傳感臂用于響應(yīng)聲波作用.在已有的報道中,光纖MI干涉計已作為一種傳感器實現(xiàn)了動態(tài)應(yīng)變(振動,500 Hz)的探測[85].1989年,Liu等將光纖MI干涉計埋伏在復(fù)合材料中,實現(xiàn)了連續(xù)的超聲波激勵探測,并表現(xiàn)出寬頻帶響應(yīng)特性,頻段主要為0.1—1 MHz.近期,本課題組盡可能地縮短光纖MI兩臂的長度,微型化傳感器結(jié)構(gòu),提高了傳感器的穩(wěn)定性,并在兩臂端面鍍上金膜,提高了傳感器的反射率[86].由于此工作主要利用光纖超聲傳感器實現(xiàn)地震物理模型成像,需要傳感器具有較高的靈敏度和機械強度,因此將傳感光纖進行腐蝕處理,減小其直徑至＜20μm,并將其裝置在有機管端面,構(gòu)成傳感探針.該傳感器最終實現(xiàn)了超聲波(100—300 kHz)的高靈敏感測.光纖MI干涉計和光纖 MZI干涉計在結(jié)構(gòu)上具有相似之處,1998年,Wen等[87]設(shè)計并對比分析了幾種光纖 MI和光纖 MZI超聲傳感器結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化傳感探針,可實現(xiàn)MHz的高頻超聲波探測,這種高頻的光纖超聲波探針有望用于生物醫(yī)療成像.

圖5 (a)光纖MZI干涉型超聲傳感系統(tǒng);(b)光纖MI干涉型超聲傳感系統(tǒng);(c)光纖超聲傳感器結(jié)構(gòu);(d)光纖干涉計超聲波響應(yīng)頻率;引自文獻[87]Fig.5.(a)Ultrasonic sensing system based on MZI;(b)ultrasonic sensing system based on MI;(c)optical fiber ultrasonic sensor structure;(d)ultrasonic frequency response of fiber interferometer;from Ref.[87].

光纖FPI作為另一種典型的干涉結(jié)構(gòu),由于其穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊和制作簡單等優(yōu)點也引起了研究者的高度關(guān)注[88?90].光纖 FPI主要分為兩類:本征型光纖FPI(intrinsic Fabry Perot interferometer,IFPI)和非本征型光纖 FPI(extrinsic Fabry Perot interferometer,EFPI),如圖6所示.該類型的光纖傳感結(jié)構(gòu)通過干涉相位感測超聲波[91,92].光纖FPI制作的關(guān)鍵是構(gòu)造兩個反射面,反射面可以由光纖自身折射率變化、光纖端面反射、光纖內(nèi)部嵌入高反射鏡面、光纖端面和其他薄膜反射等方式構(gòu)成.

圖6 光纖FPI干涉儀 (a)EFPI;(b)IFPIFig.6.Optical fiber FPI:(a)EFPI;(b)IFPI.

該類干涉結(jié)構(gòu)用于感測超聲波時,其響應(yīng)靈敏度和頻帶決定于自身結(jié)構(gòu)和材料.例如,Alcoz等[93]在連續(xù)單模光纖內(nèi)引入 TiO2反射面,構(gòu)成光纖FPI,超聲波作用于傳感器時,將產(chǎn)生拉伸應(yīng)變,改變干涉腔長,進而調(diào)制干涉相位,通過解調(diào)光相位變化可獲取超聲波幅頻特性(0.1—5 MHz).但由于光纖自身楊氏模量較大,超聲波作用時,光纖動態(tài)伸縮應(yīng)變幅度小,將嚴(yán)重限制其感測靈敏度.因此,通過有機材料代替光纖作為干涉腔體,可以有效提高傳感器的靈敏度.2009年,Morris等[94]利用聚對二甲苯-C有機材料制作出光纖FPI水聽器,并實現(xiàn)了寬頻帶超聲波的高靈敏測量(10—40 kHz).在該技術(shù)方案中,光譜邊帶濾波技術(shù)用于解調(diào)超聲波信號,為了消除環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,采用了伺服單元實時補償溫度的影響,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為了進一步提高光纖FPI的靈敏度,并簡化結(jié)構(gòu),人們結(jié)合光纖與薄膜材料構(gòu)成干涉計[95?98].由于薄膜厚度可小至納米尺度,因此與光纖直徑相當(dāng)?shù)谋∧な苈晧鹤饔脴O易發(fā)生形變,進而改變腔體長度,調(diào)制干涉相位.在傳感器制作過程中,可以根據(jù)探測需求(頻段、靈敏度)等選擇不同的薄膜材料,如有機薄膜、銀膜、金膜、石墨烯薄膜等[79,88,95?99].

圖7 (a)薄膜厚度對光纖FPI傳感器超聲波響應(yīng)的影響;(b)超聲波響應(yīng)頻帶;引自文獻[99]Fig.7. (a)Ultrasonic response of optical fiber FPI sensor under different film thickness;(b)ultrasonic response frequency band of optical fiber FPI;from Ref.[99].

Sagnac干涉結(jié)構(gòu)是基于光波偏振態(tài)之間的干涉.傳統(tǒng)的Sagnac干涉結(jié)構(gòu)由3 dB耦合器尾纖連接的環(huán)形光纖光路構(gòu)成,為了提高反方向傳輸?shù)膬墒獾南辔徊?通常在環(huán)形光路上加入一段保偏光纖(polarization-maintaining fiber,PMF)或高雙折射(Hi-Bi)光纖(如圖8所示)[100?104].由于PMF中光的偏振態(tài)容易受到光纖應(yīng)變的影響,進而改變干涉相位,因此基于PMF的Sagnac干涉結(jié)構(gòu)經(jīng)過環(huán)繞集成后作為陀螺儀和檢波器用于導(dǎo)航和地震勘探[105,106].針對聲波探測,Udd也已報道了系列光纖Sagnac干涉計,利用傳感光纖線圈中光相位和偏振態(tài)調(diào)制獲得聲波信號,傳感機理如圖8(b)所示.探測的聲波頻率依賴于線圈的尺寸,例如,直徑1 cm的線圈可實現(xiàn)小于200 kHz的聲波探測.在聲波探測過程,該系統(tǒng)中需要引入偏振態(tài)相關(guān)器件提高光信號的穩(wěn)定性,但同時也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度.

圖8 (a)光纖Sagnac干涉型超聲傳感器結(jié)構(gòu);(b)PMF超聲傳感機理Fig.8.(a)Ultrasonic sensor structure based on optical fiber Sagnac interference;(b)ultrasonic sensing mechanism of PMF.

除了上述幾種典型的光纖干涉型超聲傳感器之外,人們基于光纖模態(tài)干涉方式提出了其他類型的光纖干涉型超聲傳感器[107?111],該類傳感器利用多模干涉強度感測超聲波引起的光纖形變,并通常將傳感光纖貼附在薄膜表面,提高感測靈敏度.例如,2016年,Sun等[111]報道了一種基于單模-多模-單模光纖結(jié)構(gòu)的非接觸式超聲波傳感器.通過實驗測試和優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu),可在空氣中實現(xiàn)距離為 7 m、頻率為 25 kHz的超聲波感測,并且在6 mm的測量范圍內(nèi),傳感器的精度可達到0.1 mm.

此部分主要綜述了系列光纖干涉型超聲傳感器,相比于光纖強度調(diào)制型光纖超聲傳感器,此類傳感器的結(jié)構(gòu)更加緊湊,特別是光纖FPI干涉型傳感器,探測頻帶更寬,解調(diào)方式更加豐富.但不可避免的問題是此類傳感器同時對其他物理量具有較高的靈敏度(如:溫度、低頻應(yīng)變等參量),超聲波探測過程中將會產(chǎn)生嚴(yán)重的低頻干擾,因此需要在解調(diào)系統(tǒng)中配合信號放大、濾波、去噪等技術(shù),提高SNR.此外,復(fù)用性也是此類方案亟待解決的難點問題.時分復(fù)用技術(shù)可用于聲波探測位置判斷[87,112?114],但同時點與點之間需要較長的光纖產(chǎn)生時間延遲,極大地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,多個干涉型傳感器的級聯(lián)及超長的傳輸光纖將引起較大的光損耗和信號的不穩(wěn)定.

2.3 光纖光柵超聲傳感器

1978年,加拿大通信研究中心的Hill等[115]發(fā)現(xiàn)了光纖的光敏性,并利用可見的氬離子激光照射一種摻鍺的石英光纖,刻寫出了第一根光纖Bragg光柵( fiber Bragg grating,FBG).FBG超聲傳感器是基于共振波長的變化感測超聲波[116?120].1996年,Webb等[121]首次報道了基于 FBG的超聲傳感器,并實現(xiàn)了頻率為950 kHz的超聲波探測.次年,該課題組進一步優(yōu)化了解調(diào)技術(shù),利用非平衡干涉區(qū)分技術(shù),實現(xiàn)了10 MHz的超聲波探測,并且在實驗中探討了FBG的長度對超聲波探測的影響.在后續(xù)的報道中,人們進一步從理論和實驗方面確定了FBG長度和超聲波探測靈敏度之間的關(guān)系(圖9所示):當(dāng)λs/L＜1時(λs為超聲波波長,L為 FBG長度),超聲波作用于FBG的應(yīng)力場呈正弦分布,對柵區(qū)的拉伸和壓縮作用互相抵消,超聲波的作用可以忽略;當(dāng)λs/L=1時,超聲波波長與 FBG長度相同,導(dǎo)致 FBG長度改變,引起FBG反射譜形狀和波長均發(fā)生變化;當(dāng)λs/L?1時,作用在FBG上的超聲波為常量,因此FBG反射譜波長發(fā)生漂移而形狀保持不變.因此,超聲波檢測時,光纖光柵長度選擇要盡可能小于超聲波波長.

Takahashi等[122?125]基于波分復(fù)用技術(shù)利用雙FBG同時探測超聲波(20 kHz),實驗結(jié)果表明兩個FBG具有很好的獨立性,且配合相位解調(diào)技術(shù),可以確定超聲波作用點位置.隨后該課題組成功地利用FBG在水中實現(xiàn)了超聲波的多點探測[126?132],且空間分辨率可達到1 mm(空間分辨率決定于FBG長度,此工作中FBG長度為24 mm).該工作很好地證實了FBG超聲傳感器的復(fù)用性.此外,由于FBG的線形結(jié)構(gòu),對超聲縱波響應(yīng)具有明顯的方向性,沿光纖方向的靈敏度遠(yuǎn)大于其他方向,如圖10(a)所示[10],因此通過結(jié)合三個FBG,并以一定角度擺放,可以感測2D超聲波,分析不同F(xiàn)BG的超聲波響應(yīng)信號,可以判斷超聲波源位置[133].FBG超聲傳感器應(yīng)用于無損檢測、漏液檢測等方面時,超聲波與材料的耦合,以及超聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部轉(zhuǎn)換等都將影響傳感器的性能,因此隨著FBG超聲傳感器的應(yīng)用發(fā)展,出現(xiàn)了大量有關(guān)超聲波-封裝材料-光纖相互作用的文獻報道[134?139].

圖9 (a)光纖光柵長度與超聲波響應(yīng)靈敏度;(b)超聲波檢測方向相關(guān)性Fig.9. (a)Ultrasonic sensitivities of different long fiber gratings;(b)direction-dependence of ultrasonic detection.

為了簡化解調(diào)系統(tǒng),近期多數(shù)光纖超聲傳感器利用光譜邊帶濾波或波長匹配濾波技術(shù)將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號[140?144],但是環(huán)境溫度變化和低頻振動將引起較大的光譜漂移,進而影響超聲波感測的SNR.為了解決此問題,目前已報到的文獻主要集中在FBG波長自動控制探測系統(tǒng)[145?148].近期,Liu等[149]利用波長匹配濾波的方式實現(xiàn)了溫度不相關(guān)的超聲波探測,選擇長度不同(5 mm和20 mm)的兩個共振波長匹配的FBG,由于在高頻探測時,長FBG對超聲波不靈敏,短FBG具有高靈敏性,同時兩個FBG對溫度響應(yīng)相同,因此可有效消除溫度的影響.但此技術(shù)方案對FBG的制作要求較高,需要考慮FBG的共振波長匹配.

圖10 (a)對于270 kHz超聲波集成傳感器的不同角度和極性響應(yīng)[10];(b)實驗測定鋁板上孔的位置[133]Fig.10.(a)Varying angle and polar response of the integrating sensors for an ultrasonic frequency of 270 kHz[10];(b)experimental determination of the holes locations in an aluminum plate[133].

上述基于光譜邊帶濾波的超聲波傳感技術(shù)的靈敏度依賴于光譜邊帶的斜率,由于相移光纖光柵(phase-shifted fiber Bragg grating,PS-FBG)的共振光譜中可以出現(xiàn)極窄的相移峰,3 dB光譜帶寬可以壓窄至 8 pm[150?153],如圖11(a)所示,因此可以替代FBG作為一種高靈敏超聲波傳感元件.2011年,Rosenthal等[154]報道了基于PS-FBG的光纖超聲傳感器,窄線寬激光波長固定在相移峰的光譜線性邊帶上,實現(xiàn)了頻率為10 MHz超聲波的高靈敏測量.2012年,Wu和Okabe[155]將窄線寬激光固定在相移峰線性邊帶上,PS-FBG傳感器的反射和傳輸?shù)墓夤β试谄胶夤怆姍z測器(balanced photoelectric detector,BPD)的兩個端口輸出,采集超聲波作用后的兩個信號并做相減處理,最后輸入解調(diào)單元.此方案中,BPD主要功能是抑制激光強度噪聲,消除直流分量并進一步放大檢測信號中的交流分量,該系統(tǒng)的靈敏度可達到 9 nε/Hz1/2.類似于傳統(tǒng)波長匹配濾波方式,可將兩個波長相近的PS-FBG級聯(lián),一個作為參考光纖光柵,一個作為傳感光纖光柵,也可實現(xiàn)超聲波的高靈敏測量,但是這對光纖光柵本身要求比較高,需要嚴(yán)格控制光纖光柵寫制技術(shù),獲得相移峰可匹配的PS-FBG對.2014年,Guo等[156]開展了基于PS-FBG的光纖超聲傳感器研究,并利用2D掃描裝置移動傳感探頭,對多層有機玻璃板模型、弧形有機玻璃板模型進行了層析成像,與傳統(tǒng)的PZT成像效果相比較,光纖超聲波成像結(jié)果表現(xiàn)出了更高的空間分辨率.

圖11 (a)PS-FBG反射譜[156];(b)無誘導(dǎo)超聲波時歸一化強度隨時間變化(觀察時間為30 min),紅線為無波長跟蹤PS-FBG,藍線為波長跟蹤[6]Fig.11.(a)Re flected spectrum of the PS-FBG[156];(b)normalized intensity changing over time in observation for 30 minutes without ultrasound induced,red curve is PS-FBG without wavelength tracking,blue curve is with wavelength tracking[6].

上述超聲波探測均為光纖無源傳感方式,光信號由白光光源、激光光源等提供.不同于上述技術(shù),在高摻雜增益光纖上寫制光纖光柵可構(gòu)成分布式反饋光纖激光器(distributed feedback fiber laser,DFB)作為傳感元件[157],獲得窄線寬、高功率的激光輸出.2004年,Wierzba和Karioja[158]利用在高摻鉺光纖上寫制的FBG構(gòu)成DFB,此激光器中FBG作為傳感元件,另一根FBG作為參考元件,共同構(gòu)成水下聲壓傳感系統(tǒng).由于DFB的激勵方式有效壓窄了FBG反射波長帶寬,提高了整個傳感檢測的光譜分辨率,進而提高了SNR.此外,在高摻雜增益光纖上寫制兩個波長匹配的FBG,可構(gòu)成分布光纖光柵反射式(distributed Bragg reflector,DBR)激光器,優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu),可獲得穩(wěn)定的單一偏振態(tài)拍頻分量,高頻聲壓(MHz)能夠在聲波方向上引起光纖折射率改變,調(diào)制光纖自身的雙折射,因此,DBR激光器對高頻超聲波具有靈敏性[159].2012年,Guan等[160]綜述了基于DBR激光器在傳感方面的應(yīng)用,并闡述了DBR激光器在高頻超聲波(10—100 MHz)探測的優(yōu)越性,如圖12所示.

此部分主要綜述了幾種基于FBG的光纖超聲傳感器,同其他類型的光纖超聲傳感器相比較,FBG超聲傳感器具有突出的優(yōu)點:其波長是絕對參量,編碼方式可靠,測量結(jié)果不受光源功率波動或傳輸鏈路損耗起伏等因素影響,抗干擾能力強;此外,FBG反射波長帶寬窄,易于復(fù)用,可在一根光纖上級聯(lián)多個光纖光柵構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)多點準(zhǔn)分布式超聲波測量,如圖13(b)所示.相比于光纖干涉型超聲傳感器復(fù)用系統(tǒng),例如光纖MZI干涉計(如圖13(a)所示),FBG的復(fù)用系統(tǒng)明顯簡化,且復(fù)用性提高.總之,FBG超聲傳感器在制作工藝、系統(tǒng)穩(wěn)定性、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢,具有重要的研究價值和應(yīng)用潛力.

圖12 (a)外差傳感器拍頻信號測量實驗裝置;(b)一階邊帶大小隨超聲波壓力(10 MHz)的變化;引自文獻[160]Fig.12.(a)Experimental setup for beat signal measurement for the heterodyning sensors;(b)magnitude of the first-order sideband versus ultrasound pressure level at 10 MHz;from Ref.[160].

圖13 (a)MZI干涉型光纖超聲傳感器復(fù)用方案;(b)FBG超聲傳感器復(fù)用方案;引自文獻[17]Fig.13. Multiplexing scheme of ultrasonic sensor based on:(a)MZI;(b)FBG;from Ref.[17].

表2 光纖超聲傳感器性能對比Table 2.Comparison among fiber-optic ultrasonic sensors.

上文中綜述了多種類型的光纖超聲傳感器,不同的傳感器之間表現(xiàn)出較大的性能差異,如在結(jié)構(gòu)、靈敏度、頻率范圍、復(fù)用性等方面.為了更為直觀地比較不同類型光纖傳感器感測超聲波的特性,表2從多個方面總結(jié)了上文中幾種類型的光纖超聲傳感器性能指標(biāo).

3 光纖超聲傳感器的應(yīng)用

光纖超聲波檢測技術(shù)是目前國際上智能結(jié)構(gòu)與健康監(jiān)測研究領(lǐng)域中的熱點問題之一,提供了一種評價固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法.下面主要介紹光纖超聲傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、生物醫(yī)療成像、地震物理模型成像三個應(yīng)用方面的研究進展.

3.1 光纖超聲波無損檢測技術(shù)

無損檢測技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的有效手段,以保證材料質(zhì)量和實現(xiàn)質(zhì)量控制.超聲波探傷是目前應(yīng)用十分廣泛的無損檢測技術(shù),通過研究超聲波在被檢工件中的傳播情況來檢測材料的結(jié)構(gòu)和性能,廣泛應(yīng)用于鐵路、冶金、造船、機械制造等工業(yè).Kageyama等[182,183,162]將彎曲纏繞光纖的多普勒效應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射損傷檢測中,利用彎曲光纖的多普勒效應(yīng)分析了鋼筋混凝土內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和傳播.測試中將25個傳感器陣列分布于軌道梁的上下表面,成功檢測到了10—200 kHz的聲發(fā)射信號,檢測靈敏度與傳統(tǒng)PZT相當(dāng),但光纖傳感器表現(xiàn)出更寬的頻帶響應(yīng).Lee等[184,185]開展了基于FBG的超聲波傳感檢測研究,并通過優(yōu)化光纖傳感結(jié)構(gòu)及掃描技術(shù)對組合材料的結(jié)構(gòu)損傷進行了成像.同時,該課題組利用該技術(shù)通過檢測頻率為250 kHz的超聲波經(jīng)液體后強度的變化,模擬實現(xiàn)了液體泄漏檢測.此外,Takeda和日立電纜有限公司研究了一種小直徑FBG用于碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)和膠合結(jié)構(gòu)件的超聲波損傷檢測,如圖14所示.發(fā)射源產(chǎn)生的蘭姆波沿樣品傳播,FBG傳感器黏附于樣品表面,通過解調(diào)FBG波長漂移來重建材料損傷狀況.當(dāng)蘭姆波在CFRP脫層損傷區(qū)傳播時,FBG檢測到蘭姆波表現(xiàn)出最大振幅減弱,同時有新的波形生成,可以從新波形模式的振幅比和到達時間估算出脫層長度.2007年,Tsuda等[185]首次使用FBG超聲傳感器對金屬材料疲勞裂紋的檢測.該方案中,主要對18Cr-8Ni不銹鋼的疲勞裂紋進行檢測,相對于樣品的完整區(qū)域,疲勞裂紋處的超聲波響應(yīng)明顯表現(xiàn)出時間延時.測試表明,FBG超聲傳感器檢測損傷的分辨率及位置信息要優(yōu)于PZT.同年,Betz對光纖超聲傳感器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方向性及損傷定位進行了研究,提出了基于FBG的結(jié)構(gòu)損傷檢測和定位系統(tǒng).該方案中,利用鉆孔的鋁質(zhì)材料作為損傷模型,利用FBG構(gòu)成玫瑰花結(jié)形結(jié)構(gòu),由于FBG具有很好的定向性,可以得到反射聲波的方向信息,同時綜合另外兩個FBG的超聲波響應(yīng),可以定位損傷區(qū)域.2008年,Oliveira在材料樣品中分別嵌入FBG和FPI,實現(xiàn)了材料完整性的實時監(jiān)測.Oliveira利用單模光纖端面菲涅耳反射構(gòu)成的高靈敏FPI進行聲發(fā)射測量,FBG傳感器進行材料低頻應(yīng)變的檢測,可探測樣品的各個損傷區(qū).

圖14 (a)基于壓電傳感器(虛線)與基于 FBG傳感器的超聲波無損檢測實驗裝置原理圖;(b)損傷樣品實物圖;引自文獻[185]Fig.14.(a)Principle diagram of the ultrasonic nondestructive testing experiment devices based on piezoelectric sensor(dash line)and FBG sensor;(b)physical figure of the damage sample;from Ref.[185].

3.2 光纖超聲波醫(yī)療成像技術(shù)

超聲波可以很好地穿透生物組織,并攜帶組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息反射回外部,分析超聲波信號可以獲得生物組織內(nèi)部圖像.傳統(tǒng) PZT已成功應(yīng)用在了臨床醫(yī)療上(B超),可獲得生物體外表面的結(jié)構(gòu)信息.但由于PZT體積較大無法實現(xiàn)小空間(生物體內(nèi)部)的高空間分辨率成像,因此光纖超聲傳感器可代替 PZT實現(xiàn)內(nèi)植式超聲波成像[186,187].要實現(xiàn)生物組織的高分辨率成像,需要高頻超聲波作為載體(MHz),其波長將小于1 mm,這就要求光纖傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸在超聲波長量級[188].2009年,Lamela等[4]報道了光纖干涉型超聲傳感器(100 kHz—5 MHz)用于仿生物組織成像,如圖15所示.光纖超聲傳感器掃描仿生物組織(乳腺組織)的表面,結(jié)合濾波徑向投影算法重建其二維圖像,并與光聲成像系統(tǒng)的成像結(jié)果進行對比,兩套系統(tǒng)在成像分辨率、尺寸、形狀、位置上均保持一致.2014年,Li等使用納米加工技術(shù)將半徑為30μm的聚合物微環(huán)置于厚為 250μm的顯微鏡蓋玻片上,設(shè)計了一種基于微諧振環(huán)的高靈敏微型光纖超聲傳感器,用于光聲顯微成像.通過對碳黑薄膜材料的成像,獲得了高縱向分辨率(5.3μm)的聲光顯微容積圖像,并量化了像素的大小,其成像飽和限度高出PZT兩倍.微諧振環(huán)光纖超聲傳感器和光聲顯微成像系統(tǒng)完全兼容,可與高數(shù)值孔徑的物鏡結(jié)合使用,可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷等領(lǐng)域.

為了進一步實現(xiàn)小空間范圍內(nèi)生物組織的全光纖超聲波成像,配合部分材料的熱致聲發(fā)射特性,制作出光纖超聲波發(fā)射裝置[189,190],由于此超聲波源頻率決定于材料,通?？蓪崿F(xiàn)MHz級的超聲波發(fā)射,滿足生物成像對高頻聲波的需求.例如,2002年,Fomitchov等[191]設(shè)計了多種光纖發(fā)射源,在光纖端面制作微型的密封室,其端面是鍍有石墨烯薄層的玻璃窗口,光源激光脈沖能量耦合進入光纖傳播,傳輸至光纖端面,并以輕微的損耗通過玻璃窗口傳輸至石墨烯薄層,石墨烯因快速的熱膨脹而產(chǎn)生超聲波.將密封室的玻璃窗口設(shè)計成不同的形式,可以得到多種發(fā)射模式的光纖超聲波發(fā)射源,如角度發(fā)射、聚焦發(fā)射等.此類型的超聲波發(fā)射器具有寬超聲波頻帶,超聲波發(fā)射方向易控制,穩(wěn)定性好,不受溫度等環(huán)節(jié)擾動的影響等特點.2013年,Tian等[192]提出了基于傾斜光纖光柵(tilted fiber Bragg grating,TFBG)低階包層模(ghost mode)的分布式高效光纖超聲波產(chǎn)生方式.TFBG的ghost mode將特定波長的激光耦合出光纖,配合石墨/環(huán)氧樹脂吸收材料代替光纖包層,由于此材料具有較大的熱膨脹系數(shù),將 ghost mode能量轉(zhuǎn)化為聲波形式,可高效地產(chǎn)生超聲波.此外TFBG的ghost mode表現(xiàn)出特定波長的窄帶寬,因此多個TFBG可以級聯(lián),構(gòu)成多點超聲波發(fā)射裝置.上述光纖超聲波源可以極大地縮小傳統(tǒng)壓電型超聲換能器的體積,便于嵌入微小空間內(nèi)(如生物體組織內(nèi)),但目前該類聲源主要靠高功率激光器驅(qū)動,系統(tǒng)復(fù)雜,成本較高,需要進一步改進優(yōu)化.

圖15 (a)樣品固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖;(b)樣品固定裝置實物圖;(c)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖;(d)壓電換能器成像圖;(e)光纖傳感器成像圖;引自文獻[4]Fig.15.(a)Structure schematic of the sample holder device;(b)photograph of the sample holder device;(c)structure diagram of the internal sample;(d)piezoelectric transducer imaging;(d)optical fiber sensor imaging;from Ref.[4].

3.3 地震物理模型超聲波成像

地震物理模型是按儲藏地質(zhì)結(jié)構(gòu)等比例縮小的模擬結(jié)構(gòu),作為一種工具可用于地震波傳輸及理論預(yù)測,模擬結(jié)果具有真實性,不受計算方法、假設(shè)條件的限制,在近乎理想的巖石模型條件下測量聲波的反應(yīng).相較于地震現(xiàn)場,在實驗室搭建地震模型成本低,且具有很好的重復(fù)性、穩(wěn)定性及可控性.超聲波傳感器是獲取地震物理模型內(nèi)部信息的核心器件[193],目前仍以傳統(tǒng)PZT為主.由于光纖超聲傳感器具有上述獨特的優(yōu)勢,可代替PZT實現(xiàn)高空間分辨率的地震物理模型成像.近兩年,Guo等[6]報道了PS-FBG超聲傳感器掃描成像的相關(guān)研究.成像模型為4層界面的有機玻璃板和橢圓柱有機玻璃模型.相比于PZT地震物理模型成像系統(tǒng),PS-FBG光纖超聲傳感器呈現(xiàn)出高靈敏度及高成像分辨率.在200 kHz的超聲波探測頻率下,傳感器的響應(yīng)靈敏度(SNR)為45 dB.但在實際的地震物理模型成像過程中,光纖超聲傳感器仍然需要在高靈敏度、結(jié)構(gòu)微型化、復(fù)用性等方面進行改進.

本課題組一直針對地震勘探領(lǐng)域,研究系列光纖地震檢波器和光纖超聲傳感器[85,194?197].下面主要總結(jié)本課題組近幾年在此應(yīng)用領(lǐng)域的研究進展.光纖超聲傳感器主要包括 PS-FBG,fiber Bragg grating Fabry-Perot(FBG-FP)干涉儀,FBG,空氣微泡型IFPI干涉儀,基于金箔的光纖EFPI干涉儀,并配合優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)和材料,提高傳感器的機械強度和輸出SNR,微型化傳感器尺寸,以滿足地震物理模型超聲波掃描成像的需求.圖16(a)—(g)所示為兩種光纖探針型光纖超聲傳感器,其中圖16(a)—(d)展示了基于兩種FBG元件的光纖超聲傳感器結(jié)構(gòu):傳統(tǒng)FBG和新型 FBG-FP,光譜圖分別如圖16(c)和圖16(d)所示;為了提高FBG的超聲波感測靈敏度,且實現(xiàn)穩(wěn)定的水聽式探測,這里采用鋁錐-聲波耦合式封裝方法,如圖16(a)和圖16(b)所示.圖16(e)—(g)所示為一種空氣微泡型IFPI光纖超聲傳感器,利用薄壁空氣腔對聲壓的高靈敏響應(yīng),其光譜優(yōu)化過程如圖16(g)所示,由于該光纖IFPI結(jié)構(gòu)尺寸微小,可感測MHz級超聲波,因此主要用于高頻超聲波探測.

圖16 (a)—(d)FBG和FBG-FP超聲傳感器及光譜;(e)—(g)IFPI光纖超聲傳感器及光譜Fig.16.Structure scheme diagram and sensor spectrum:(a)–(d)The FBG and FBG-FP ultrasonic sensor;(e)–(g)optical fiber ultrasonic sensor based on IFPI.

在超聲波探測過程中,為了簡化系統(tǒng),我們主要采用光譜邊帶濾波技術(shù)解調(diào)超聲波調(diào)制后的光信號.由于地震物理模型為實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)的等比例縮小,所需超聲波頻率為100 kHz—10 MHz,并且為了減小損耗和環(huán)境溫度的影響,將地震物理模型放置于水中.針對這些地震物理模型的成像要求,我們設(shè)計并制作了六種光纖超聲傳感器,并實現(xiàn)了寬頻帶超聲波感測.此外,為了清晰地區(qū)分地震物理模型表面及內(nèi)部間隙的位置和形狀,超聲波源采用脈沖型聲波,后續(xù)成像處理主要采用時間渡越算法(time-of- fl ight,TOF).圖17(a)—(c)所示為光纖光譜邊帶濾波檢測機理,及 FBG和FPI光譜隨超聲波作用發(fā)生的漂移.圖17(d)和圖17(e)所示為光纖傳感器對 300 kHz和 1 MHz脈沖超聲波的響應(yīng)信號及其隨探測距離的變化.

圖17 (a)光譜邊帶濾波機理和理論模擬;(b)FBG光譜隨聲波漂移;(c)FPI干涉光譜隨聲波漂移;(d)不同距離脈沖聲波(300 kHz);(e)不同距離脈沖聲波(1 MHz)Fig.17.(a)Sideband filtering mechanism and theoretical simulation;(b)wavelength shift of the FBG versus acoustic wave;(c)wavelength shift of the interference spectrum versus acoustic wave;(d)time-domain spectra of ultrasonic response(300 kHz)versus increasing distances between PZT and sensor;(e)time-domain spectra of ultrasonic response(1 MHz)versus increasing distances.

不同的傳感器結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的SNR、響應(yīng)帶寬、動態(tài)范圍等傳感特性,在地震物理模型掃描成像過程中,可根據(jù)成像環(huán)境、模型大小、空間分辨率等選擇合適的傳感器結(jié)構(gòu).為了綜合對比這幾種光纖超聲傳感器的性能,我們采用相同的超聲波驅(qū)動電壓(300 V)、超聲波源驅(qū)動頻率(300 kHz),配合光譜邊帶濾波解調(diào)技術(shù),測試了上述六種光纖超聲傳感器,并總結(jié)了多項性能指標(biāo),列于表3.

下面介紹選擇基于FBG超聲傳感器的地震物理模型超聲波掃描成像的實例.待測地震物理模型包括兩種:半徑為5 cm的半圓柱體,置于寬50 cm、厚 5 cm的有機玻璃板上,模擬壟狀地質(zhì)結(jié)構(gòu),如圖18(a)所示;兩塊方形有機玻璃板錯位放置,模擬斷面地質(zhì)結(jié)構(gòu),如圖18(b)所示.兩個地震物理模型在測試時均放置于水中,超聲波掃描成像過程為:傳感器探頭和PZT固定在水面上方的電動位移臺上,其端面均浸于水面,與水下模型相距5 cm.FBG超聲傳感器和PZT間隔6 cm,二者以每步1 mm的速率沿著導(dǎo)軌滑動,對模型進行點對點橫向掃描,實時記錄探測的回波信號.根據(jù)超聲波在有機玻璃板和水中傳輸速度不同,利用TOF重建地震物理模型的圖像,分別如圖19(a)和圖19(b)所示.圖像中可清晰地分辨模型的曲面和斷面信息,與圖18所建實物模型相符合.

表3 六種光纖超聲傳感器比較(300 V,300 kHz方波脈沖,水中測試)Table 3.Comparisons among the six types of fiberoptic ultrasonic sensors.

圖19 超聲波成像 (a)壟狀地質(zhì)模擬結(jié)構(gòu)成像;(b)斷面地質(zhì)模擬結(jié)構(gòu)成像Fig.19.Images of two physical models:(a)Ridge-like bulk;(b)misplaced rectangular bulk.

4 光纖超聲傳感器展望

在近20年,多個研究組已經(jīng)開展了光纖超聲傳感器的相關(guān)研究,通過多種光纖傳感結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了寬頻帶超聲波探測,并應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、生物醫(yī)療成像等方面.但針對地震物理模型超聲波成像,相關(guān)光纖超聲傳感器件的報道較少.因此,針對這個新的研究方向,經(jīng)過幾年的探索和研究,實現(xiàn)了對寬頻帶超聲波信號的高靈敏度、高SNR探測及多種地震物理模型的超聲波成像.下一步的工作將繼續(xù)針對地震物理模型光纖超聲波檢測的難點,優(yōu)化光纖超聲傳感器的性能,發(fā)展光纖超聲傳感器的復(fù)用技術(shù),實現(xiàn)傳感器的微型化及系統(tǒng)的儀器化,最終形成一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高靈敏度、系統(tǒng)穩(wěn)定、可組網(wǎng)的光纖超聲波檢測儀器.關(guān)于光纖超聲傳感器及其在成像領(lǐng)域的應(yīng)用研究發(fā)展趨勢總結(jié)如下.

1)傳感器性能優(yōu)化

優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)及封裝,吸收殘余超聲波,抑制噪聲,提高超聲波探測 SNR.此外,隨著光纖材料及結(jié)構(gòu)日新月異,新的超聲波傳感機理和方式可進一步優(yōu)化光纖傳感器的超聲波探測靈敏度,進而提高超聲波成像的分辨率.

2)傳感器微型化

在保證光纖超聲傳感器靈敏度的基礎(chǔ)上,進一步縮小傳感器的體積,可有效提高超聲波成像的空間分辨率.這就要求:優(yōu)化光纖光柵寫制工藝,獲得直徑更小、長度更短的高反射率、窄帶寬光纖光柵;FPI腔內(nèi)置于光纖內(nèi)部(可通過光纖微加工技術(shù)實現(xiàn)),縮小FPI的體積,但同時需要考慮傳感器的響應(yīng)靈敏度.

3)傳感器復(fù)用技術(shù)

采用時分復(fù)用技術(shù),級聯(lián)多個光纖超聲傳感器,均衡分配傳感陣列功率,解決各通道傳感器間的串?dāng)_、低頻擾動等對采集信號的干擾問題,提高超聲波采集效率.

4)系統(tǒng)儀器化

光纖超聲傳感器均要求傳感系統(tǒng)具有高集成度和儀器化前景,滿足不同實驗環(huán)境數(shù)據(jù)采集的需求.在后期工作中需進一步提高整個系統(tǒng)的集成度(激光光源、超聲波驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集等單元),配合自適應(yīng)系統(tǒng),提高各部分的關(guān)聯(lián)性和整體的穩(wěn)定性.

5 結(jié) 論

本文主要綜述了幾種光纖超聲傳感器的傳感機理、實現(xiàn)方法、發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了光纖超聲傳感器的幾個重要應(yīng)用領(lǐng)域及面臨的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn),重點討論了光纖超聲傳感器作為一種新技術(shù)應(yīng)用于地震物理模型成像.總之,盡管經(jīng)過近幾十年的努力,光纖超聲傳感器研究方面已取得了可喜的成果,但仍需繼續(xù)深入相關(guān)研究,解決靈敏度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)微型化、復(fù)用性等方面存在的諸多問題.

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