陳家熠, 吳先梅，呂文瀚，程茜

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光纖超聲傳感系統(tǒng)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響因素研究

陳家熠1,2, 吳先梅1,2，呂文瀚1,2，程茜3

(1. 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100190；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，1000493. 同濟(jì)大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)研究所，上海，200092)

光纖超聲傳感單位通常使用3×3耦合器作為核心干涉部件，其輸出信號(hào)往往變化范圍大、穩(wěn)定性差，為了分析3×3耦合器輸出信號(hào)產(chǎn)生不同現(xiàn)象的原因，開(kāi)展了3×3耦合器輸出信號(hào)的影響因素研究。應(yīng)用干涉理論，分析了聲信號(hào)和環(huán)境噪聲對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)穩(wěn)定性的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聲信號(hào)與環(huán)境噪聲共同調(diào)制了干涉儀的相位，環(huán)境噪聲使得3×3耦合器輸出信號(hào)穩(wěn)定性差；通過(guò)增大聲信號(hào)幅值，使其引起的干涉儀相位幅值大于π rad，此時(shí)3×3耦合器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

光纖超聲傳感；3×3耦合器；干涉理論

0 引言

聲波被廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)、地球物理勘探以及醫(yī)療成像等領(lǐng)域[1]。用于聲波信號(hào)傳感的有壓電換能器、光纖傳感器等。由于光纖傳感方法具有頻帶寬、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，在聲學(xué)傳感領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-7]，但在1 MHz以上高頻超聲傳感領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段[8-10]，有些問(wèn)題亟待解決。

按照傳感結(jié)構(gòu)，光纖超聲傳感器可分為光纖強(qiáng)度調(diào)制型、光纖干涉型和光纖光柵型[11]，其中光纖干涉型和光纖光柵型通常用到Mach-Zehnder干涉儀或Michelson干涉儀，這些干涉系統(tǒng)可用3×3耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)[12-14]。受到不同聲信號(hào)幅值與復(fù)雜多變的環(huán)境噪聲的影響，3×3耦合器的輸出信號(hào)穩(wěn)定性較差，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大困難。

目前，關(guān)于光纖超聲傳感器的相關(guān)研究工作大多集中在帶寬、靈敏度、封裝以及傳感系統(tǒng)解調(diào)算法等方面[15-18]，對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響因素分析卻鮮有報(bào)道。由于通過(guò)3×3耦合器的三路輸出信號(hào)不能直接觀察到聲信號(hào)，還需要通過(guò)解調(diào)算法處理才能得到聲信號(hào)，所以對(duì)3×3耦合器的相關(guān)研究工作對(duì)后續(xù)深入分析光纖超聲傳感系統(tǒng)的響應(yīng)十分重要，有助于理解實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜信號(hào)的原因，提前判斷實(shí)驗(yàn)的正確性，能夠?yàn)檠芯抗饫w干涉型和光纖光柵型光纖超聲傳感系統(tǒng)提供重要的理論支撐與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

本文主要分析了用于超聲傳感時(shí)3×3耦合器的干涉數(shù)學(xué)模型，解釋了聲信號(hào)幅值的大小和環(huán)境噪聲對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

1 光纖超聲傳感系統(tǒng)

1.1 3×3耦合器干涉數(shù)學(xué)模型

以分布反饋(Distributed Feedback, DFB)光纖激光超聲傳感系統(tǒng)[19]為例，介紹3×3耦合器干涉數(shù)學(xué)模型。

圖1為DFB光纖激光傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器和功率放大器給水箱中的超聲換能器施加激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生聲波，受水中聲場(chǎng)的影響，DFB激光光纖傳感器出射光的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，進(jìn)入基于3×3耦合器的非平衡M-Z干涉儀，在3×3耦合器中發(fā)生干涉后三路光強(qiáng)信號(hào)通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)被采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)程序?qū)θ沸盘?hào)進(jìn)行解調(diào)即可得到聲信號(hào)。

圖1 DFB光纖激光超聲傳感系統(tǒng)

3×3耦合器的三路輸出信號(hào)為光強(qiáng)信號(hào)，光電探測(cè)器可將光強(qiáng)信號(hào)線性轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[19]：

1.2 干涉儀相位作用于不同相位區(qū)域的影響

圖2 B小于π rad時(shí)，不同相位區(qū)域的相位信號(hào)

圖 3 B大于π rad時(shí)，不同相位區(qū)域的相位信號(hào)

2 數(shù)值計(jì)算分析

2.1 聲信號(hào)對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響

圖 4 幅值小于π rad時(shí)3×3耦合器輸出信號(hào)

圖5 幅值大于π rad時(shí)3×3耦合器輸出信號(hào)

2.2 環(huán)境噪聲對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響

圖6 環(huán)境噪聲引起的相位變化

圖7 聲信號(hào)較小時(shí)環(huán)境噪聲對(duì)第一路輸出信號(hào)的影響

圖8 聲信號(hào)較大時(shí)環(huán)境噪聲對(duì)第一路輸出信號(hào)的影響

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用圖1所示的DFB光纖激光超聲傳感系統(tǒng)，聲源為中心頻率2.5 MHz的水浸超聲波換能器，觀察時(shí)間和換能器激勵(lì)電壓幅值為可變參數(shù)。

3.1 聲信號(hào)對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響

圖9 實(shí)驗(yàn)時(shí)聲信號(hào)幅值較小對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響

圖10 實(shí)驗(yàn)時(shí)聲信號(hào)幅值較大對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響

3.2 環(huán)境噪聲對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響

由于超聲波信號(hào)頻率為2.5 MHz，實(shí)驗(yàn)時(shí)選取的觀察時(shí)間較短，一般為2 μs，示波器的刷新頻率較高，又由于環(huán)境噪聲的影響，輸出信號(hào)變化范圍在不同的觀察時(shí)間內(nèi)都不同，所以每次示波器刷新的時(shí)候看到的輸出信號(hào)都不一樣，無(wú)規(guī)律性可言。

圖11 實(shí)驗(yàn)時(shí)聲信號(hào)幅值較小，環(huán)境噪聲對(duì)第一路輸出信號(hào)的影響

圖12 實(shí)驗(yàn)時(shí)聲信號(hào)幅值較大，環(huán)境噪聲對(duì)第一路輸出信號(hào)的影響

本節(jié)是對(duì)第2節(jié)的進(jìn)一步闡釋，從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證了聲信號(hào)和環(huán)境噪聲對(duì)3×3耦合器輸出信號(hào)的影響，證明了第2節(jié)分析的合理性。

4 結(jié)論

光纖超聲傳感通常使用3×3耦合器作為其主要的干涉部件，通過(guò)其輸出的三路信號(hào)并不能直接觀察聲信號(hào)，還需要對(duì)著三路信號(hào)進(jìn)行解調(diào)算法處理后才能得到信號(hào)，所以分析其輸出信號(hào)的影響因素對(duì)于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展十分重要，有助于理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中復(fù)雜信號(hào)的產(chǎn)生原因，提前預(yù)判信號(hào)是否合理。本文基于3×3耦合器輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值計(jì)算分析了聲信號(hào)和環(huán)境噪聲對(duì)其結(jié)果的影響，其中包括輸出信號(hào)的變化范圍的穩(wěn)定性與大小，得到的結(jié)論如下：

(1) 聲信號(hào)與環(huán)境噪聲共同調(diào)制了干涉儀的相位，當(dāng)其作用在不同的相位區(qū)域時(shí)有不同的現(xiàn)象：作用在上截止區(qū)會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變并有可能達(dá)到上界；作用在線性區(qū)會(huì)使輸出信號(hào)成比例變化；作用在下截止區(qū)會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變并有可能達(dá)到下界。在干涉儀臂長(zhǎng)差不變的情況下，輸出信號(hào)變化范圍的穩(wěn)定性與大小的改變都是由于相位作用在不同的區(qū)域造成的。

(3) 環(huán)境噪聲是一個(gè)低頻信號(hào)，其變化會(huì)使相位信號(hào)作用在不同的相位區(qū)域，若觀察時(shí)間較短且聲信號(hào)較小，每個(gè)周期內(nèi)輸出信號(hào)不能既達(dá)到上界又達(dá)到下界，不同的觀察時(shí)間內(nèi)輸出信號(hào)的變化范圍不同，無(wú)規(guī)律性可言，所以輸出信號(hào)的變化范圍多變、穩(wěn)定性差。

(4) 環(huán)境噪聲無(wú)法徹底消除，目前抑制干擾噪聲的方法有：①在干涉系統(tǒng)中增加PZT、放大器、積分器等硬件，解調(diào)前就將環(huán)境噪聲抑制；②利用環(huán)境噪聲和超聲波頻率不同的特點(diǎn)，將解調(diào)結(jié)果通過(guò)高通濾波器，抑制環(huán)境噪聲。

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Research on thefactors affecting the output signal of 3×3 coupler in optical fiber ultrasonic sensing system

CHEN Jia-yi1,2, WU Xian-mei1,2, LYU Wen-han1,2, CHENG Qian3

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Institute of Acoustics, School of Physics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Optical fiber ultrasonic sensors usually use 3×3 coupler as their core interferometer. The output signals of 3×3 coupler often vary in a wide range and have poor stability. In order to understand why different phenomena happen in the output signals, the factors affecting the output signal of 3×3 coupler are studied. By using interference theory, the effects of acoustic signal and ambient noise on the stability of output signal of the 3×3 coupler are analyzed. Both simulation and experimental results show that a stable output signal can be obtained when the amplitude of acoustic signal is relatively large.

optical fiber ultrasonic sensor; 3×3 coupler; interference theory

TP212.14 TN253

A

1000-3630(2018)-06-0553-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.008

2018-06-07;

2018-08-03

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11674351)。

陳家熠(1993－), 男, 河北滄州人, 博士研究生, 研究方向?yàn)槌晜鞑ヅc成像。

吳先梅,E-mail: wuxm@mail.ioa.ac.cn