熊 杰， 周 洋

(1. 中國鐵路總公司 科技和信息化部， 北京 100844； 2. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044)

光纖傳感作為一門新型的傳感技術(shù)，與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，具有抗電磁干擾、靈敏度高、傳感距離遠(yuǎn)、可分布式布設(shè)等優(yōu)點，光纖傳感系統(tǒng)在振動監(jiān)測、位移監(jiān)測、溫度監(jiān)測等諸多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1-3]。

按照信號調(diào)制量的不同，光纖傳感器可以分為3類：強(qiáng)度型、相位型和波長型，其中相位型傳感器具有傳感靈敏度高的特點，非常適合對微小振動信號的檢測[4-5]。Sagnac干涉系統(tǒng)[6-7]具有互易式結(jié)構(gòu)，采用裸光纖制作干涉?zhèn)鞲袉卧暡ǖ恼駝訉⒏淖儌鞲袉卧墓庀辔恍畔?，光電轉(zhuǎn)換后利用音頻處理系統(tǒng)可還原聲音信號。

1 Sagnac干涉型聲音傳感原理

光纖Sagnac干涉原理見圖1[8-9]。由光源發(fā)出的光，經(jīng)過耦合器后，被分為兩路相干光。傳感光纖的兩端分別接在耦合器右端的兩個輸出端口，從而構(gòu)成一個光纖環(huán)路，稱為Sagnac干涉環(huán)。兩路相干光注入光纖環(huán)路的兩端，分別沿著環(huán)路的順時針方向和逆時針方向傳輸，并再次通過光耦合器到達(dá)光電探測器。順時針與逆時針兩束光在耦合器相遇后將產(chǎn)生干涉，干涉強(qiáng)度由兩束光的相位差決定[10]。當(dāng)光纖受到外部信號微擾時，干涉強(qiáng)度發(fā)生變化，通過檢測干涉強(qiáng)度的變化即可實現(xiàn)對外部信號的傳感[11-12]。

圖1 Sagnac光纖干涉原理圖

光波通過長度為l的光纖，相位延遲為

Φ=β×l

( 1 )

式中:β為光波在光纖中的傳播常數(shù)，β=nk0，其中n為纖芯折射率，k0為光在真空中的波數(shù)，k0=2π/λ0，λ0為光在真空中的波長。

將式( 1 )微分可得

ΔΦ=Δ(βl)=βl(Δl/l)+

l(?β/?n)Δn+l(?β/?a)Δa

( 2 )

式( 2 )中第一項表示傳感光纖長度變化引起的相位差(應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng))；第二項為傳感光纖折射率變化引起的相位差(彈光效應(yīng)或熱光效應(yīng))；第三項為傳感光纖芯徑變化引起的相位差(泊松效應(yīng))，由于其值相對較小，一般可忽略不計，式( 2 )可轉(zhuǎn)化為

ΔΦ=βl(Δ/l)+l(?β/?n)Δn=

βl(Δl/l)+lΔβ=ΔΦl+ΔΦn

( 3 )

式中:ΔΦl為由傳感光纖長度變化引起的相位差；ΔΦn為傳感光纖折射率變化引起的相位差。

在光纖干涉環(huán)上施加均勻振動信號P，調(diào)制光信號相位。分析可得

ΔΦ=ΔΦl+ΔΦn=-βP(1-2μ)l/E+

0.5lk0n3(P/E)(1-2μ)(p11+2p12)=

βlP(1-2μ)[n2(p11+2p12)/2-1]/E

( 4 )

式中:P為振動強(qiáng)度;l為傳感光纖長度且恒定不變;μ為光纖的泊松常數(shù);p11、p12為彈光張量分量;E為光纖的彈性模量。

式( 4 )表明，在傳感光纖均勻受力的情況下，相位變化量正比于外界信號，振動信號P可以直接且動態(tài)地對傳感光纖中的光相位ΔΦ進(jìn)行調(diào)制[13-14]。在光纖Sagnac干涉原理圖1中，兩列光在耦合器處干涉時，干涉光振幅分布是這兩列光波復(fù)數(shù)振幅的合成，即

E(z)=E1(z)+E2(z)

( 5 )

式中:E1(z)、E2(z)和E(z)分別為經(jīng)過耦合器后的兩束光及干涉后的復(fù)數(shù)振幅。與之相對應(yīng)的干涉光強(qiáng)度A為

A=E(z)·E*(z)=

[E1(z)+E2(z)][E1(z)+E2(z)]*=

( 6 )

式中:A1、A2分別為順時針、逆時針光的強(qiáng)度；ΔΦd為兩束光的相位差。

當(dāng)兩相干光束的光強(qiáng)相等時，即A1=A2=A0時，式( 6 )變?yōu)?/p>

A=2A0(1+cos(ΔΦd))=4A0cos2(ΔΦd/2)

( 7 )

通過式( 7 )，建立起了輸出光強(qiáng)A與雙光束相位差ΔΦd之間的對應(yīng)關(guān)系。聯(lián)立式( 4 )便可得到外界聲音信號與傳感系統(tǒng)輸出光強(qiáng)的關(guān)系。

2 Sagnac干涉型聲音傳感器系統(tǒng)

聲音傳感器是基于Sagnac光纖干涉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。在外界穩(wěn)定條件下，光探測器檢測的光干涉強(qiáng)度恒定不變，但當(dāng)傳感光纖被置于聲音場時，聲音信號調(diào)制光相位，從而使光干涉強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)變化，通過對干涉信號的解調(diào)、光電轉(zhuǎn)換處理，可以實現(xiàn)聲音信號的還原[15]。

為了提高聲音傳感系統(tǒng)的靈敏度，本文提出將普通光纖繞制成光纖探頭感應(yīng)線圈，將其置于測量點，采集外界聲音信號。光纖Sagnac干涉型聲音傳感器的系統(tǒng)框圖見圖2。相比于傳統(tǒng)環(huán)形Sagnac結(jié)構(gòu)，由于感應(yīng)線圈的存在，使得系統(tǒng)可以收集更微弱的外界震動信號，從而提高系統(tǒng)的靈敏度。

圖2 Sagnac干涉型聲音傳感器系統(tǒng)框圖

激光器發(fā)出的光信號經(jīng)過2×2耦合器被分為兩束同頻﹑同相﹑相同強(qiáng)度的相干光，分別沿著光纖線路的順時針方向和逆時針方向傳輸，感應(yīng)線圈作為光纖線路的一部分用來感知外界的聲音信號，兩束經(jīng)過聲音信號作用之后的光在耦合器發(fā)生干涉，并經(jīng)過光電探測器、電流/電壓(I/V)轉(zhuǎn)換器到達(dá)計算機(jī)上的音頻處理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)仿真與測試

3.1 聲音傳感仿真驗證

根據(jù)圖2的系統(tǒng)圖，使用MATLAB軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，為方便計算和對比，考慮到數(shù)值仿真時式( 4 )～ 式( 7 )中各常數(shù)取值只會影響輸出聲音信號的幅度差異，不影響歸一化幅度，故仿真時所有常數(shù)均取為1。

聲音傳感系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)聲音的采集與還原，為檢測其聲音還原性能，使用一段音頻信號模擬外界振動信號，作為系統(tǒng)仿真驗證的輸入信號，對比原始音頻與系統(tǒng)輸出音頻的時域、頻域波形，驗證傳感系統(tǒng)對連續(xù)聲音信號采集的性能。仿真結(jié)果見圖3、圖4。在聲音波形顯示中，原始音頻信號長度近1 min，且為不斷循環(huán)的重復(fù)聲音，為了方便觀察，只取0～3 s的波形顯示；在頻譜顯示中，由于大部分能量集中在5 000 Hz以下，仿真結(jié)果只取0～5 000 Hz的范圍來顯示，頻譜圖中縱坐標(biāo)代表原始信號中各個頻率分量的強(qiáng)度值。

圖3 音頻波形

圖4 音頻頻譜圖

仿真驗證中，將經(jīng)過傳感系統(tǒng)后的信號再次輸出為音頻文件，能夠清晰地分辨輸出信號的曲調(diào)旋律等信息，并與輸入音頻信號一致。對比時域波形，兩者基本相同，存在微小的失真和底噪聲；從頻譜上來看，輸出信號在各頻點都存在幅度值，為系統(tǒng)中產(chǎn)生的白噪聲，輸出信號主要頻率成分與輸入信號相同。

3.2 聲音傳感測試驗證

測試環(huán)境中采用5 km G.652單模裸光纖，螺旋繞制成直徑約8 cm的圓柱形聲音傳感探頭并置于聲音場中。采用隨機(jī)音樂信號作為聲音源，其頻譜中大部分能量集中在20 kHz以內(nèi)。光電探測器使用PIN光電二極管，輸出光電流經(jīng)放大器放大后進(jìn)入I/V轉(zhuǎn)換器。使用60 km左右長度的G.652單模光纖搭建實驗系統(tǒng)，測試光電探測器輸入光功率與I/V轉(zhuǎn)換器輸出電壓關(guān)系曲線，其測試結(jié)果見圖5。

圖5 光功率與電壓關(guān)系圖

圖5表明探測器在光功率為-50 dBm時仍有電壓響應(yīng)，光功率大于-40 dBm時具有較好的響應(yīng)度，仿真及實驗測試表明，通過使用G.652光纖繞制而成的感應(yīng)線圈，獲得了較高的系統(tǒng)靈敏度，工作時光電探測器最低接收光功率為-40 dBm，光功率探測范圍為-40～-25 dBm。需要說明的是，聲音場中繞制傳感探頭的光纖長度與靈敏度直接相關(guān)。

將系統(tǒng)采集到的信號輸出送入計算機(jī)，通過音頻編輯軟件進(jìn)行分析。為了驗證傳感系統(tǒng)對連續(xù)聲音信號采集的性能，選取某音樂信號作為被測聲源。利用音頻軟件處理得到音樂樣本與傳感系統(tǒng)采集的音樂信號波形、頻譜進(jìn)行對比，見圖6、圖7。圖6中最大允許電平為衡量音樂強(qiáng)度的無量綱值，其值越大，相對音量越大。圖7中橫軸為時間，縱軸為頻率，代表不同時間點、不同頻率的強(qiáng)度值，顏色越深，則對應(yīng)頻率成分聲音強(qiáng)度越大。圖7(a) 、圖7(b)中，音樂最高頻率大約為17 kHz，經(jīng)過傳感系統(tǒng)后，由于系統(tǒng)噪聲的存在，導(dǎo)致在超過20 kHz的頻譜處仍存在頻率成分。

圖7 音樂頻譜

測試中，能夠清晰地聽到音樂的曲調(diào)、伴奏、歌詞等信息。對比時域波形，兩者基本相同，存在微小失真；從頻譜上來看，音樂樣本的截止頻率、傳感系統(tǒng)采集到的音樂信號在音頻處理軟件上的截止頻率均設(shè)置為22 kHz，傳感系統(tǒng)采集到的音樂信號在高頻處有微小失真。

4 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一種通過聲音信號調(diào)制光相位參數(shù)的高精度聲音傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用普通光纖繞制聲音感應(yīng)線圈，基于光纖Sagnac干涉架構(gòu)將光相位信息轉(zhuǎn)換為光干涉強(qiáng)度信息，實現(xiàn)對聲音信號的傳感和恢復(fù)。仿真及實驗測試結(jié)果表明，通過使用G.652普通光纖繞制而成的感應(yīng)線圈，獲得了較高的系統(tǒng)靈敏度，工作時光電探測器最低接收光功率達(dá)到-40 dBm，并且能較好地還原聲音信號。由于光纖干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng)具有較好的抗電磁干擾性能，該聲音傳感系統(tǒng)在電磁干擾復(fù)雜的環(huán)境中有很大的應(yīng)用價值。