一种确定声波信号的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种确定声波信号的方法及系统，包括：提供n路相同的宽谱光信号，将n路相同的宽谱光信号分别输入到n个光纤声波传感器，所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号；通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间频谱图；根据n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息。本发明专利技术可实现光纤声波传感单元复用时的信号识别，在传感单元组网、声源定位等领域有着潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种确定声波信号的方法及系统
本专利技术属于光纤传感
，具体的，涉及一种确定声波信号的方法及系统。
技术介绍
近年来，由于在重大自然灾害预警、结构健康监测、管道泄漏监测、水声通信等领域的应用需求，光纤声波传感器由于其具有的体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、易组网复用等优点而成为研究热点。其中基于光纤干涉仪的相位调制型传感器由于其具有较高的灵敏度、分辨率、信噪比，从而在水声探测等领域具有广泛应用。目前针对相位调制型光纤声波传感器的解调技术中，较为成熟的技术包括斜边滤波强度解调、相位生成载波解调技术(PhaseGeneratedCarrier，PGC)、正交双波长相位解调、3×3耦合器相位解调、白光干涉解调等技术。从本质上来说，现有的技术都是基于对传感器光谱以帧的形式进行离散采样，结合相关算法，对声信号波形进行复现。例如，斜边滤波技术、PGC相位解调技术采用单色光源对干涉光谱进行单点采样，利用光谱中一个数据点来反映干涉光谱信息；正交双波长相位解调技术与3×3耦合器相位解调技术则分别选取光谱中的两个与三个点来反映干涉光谱的信息；白光干涉解调技术则选取特定波长范围内的所有数据点来反映光谱信息。由于斜边滤波强度解调、PGC相位解调、正交双波长相位解调、3×3耦合器相位解调等技术在每帧光谱内的采样点数很少，因此具有算法简单的优点，但每帧光谱内采集的数据过少使得算法无法从数据中得到传感器本身的信息(空间频率、相位等)，因此只能适用于单点式传感器；相比之下白光干涉解调技术由于在每帧光谱内都采样了足量的数据进行分析，因此可通过相关算法同时得到传感器接收到的声波信息与传感器本身的信息，因此可用于传感器的组网复用，但大量的采样数据使得白光干涉解调算法通常较为复杂。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于解决现有声波传感器解调技术在每帧光谱内采集的数据过少使得只能适用于单点式传感器，及用于传感器的组网复用解调声波时解调算法较为复杂的技术问题。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种确定声波信号的方法，包括：提供n路相同的宽谱光信号，n为大于或等于1的整数；将n路相同的宽谱光信号分别输入到n个光纤声波传感器，所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号，每路光纤声波传感器对应的反射光信号携带该路光纤声波传感器的空间频率信息；当n个光纤声波传感器中有光纤声波传感器受到外部声波信号作用时，该路光纤声波传感器对应的反射光信号还携带作用在该路光纤声波传感器的声波信号的信息；通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间频谱图，所述空间频谱图携带n个光纤声波传感器对应的n个空间频率信息和作用于n个光纤声波传感器的n个声波信号对应的n对双边带信号信息；根据所述n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息；其中，对于每个光纤声波传感器，其对应的双边带信号的中心空间频率正比于声波信号的频率，其对应的双边带信号的空间频率间隔正比于光纤声波传感器的空间频率。其中，n路相同的宽谱光信号也可称作n路载波信号。可选地，每个光纤声波传感器的边带信号与空间频率信号应满足如下公式：其中，fa为声波信号的频率，V为光谱仪的波长扫描速度，fs为光纤声波传感器的空间频率，fc为双边带信号的中心空间频率，△f为双边带信号的空间频率间隔；所述双边带信号的中心空间频率通过对一对边带频率分量求平均值得到，所述双边带信号的空间频率间隔通过对一对边带频率分量求差并取绝对值得到；所述空间频谱图包括n个空间频率分量和2n个边带频率分量；所述声波信号的信息包括声波信号的频率，所述声波信号确定单元通过以下步骤确定n个声波信号的频率：根据任意两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量之间的数值关系，确定每个空间频率分量对应的两个边带频率分量；根据光谱仪的波长扫描速度和每个空间频率分量对应的两个边带频率分量，求出n个空间频率分量对应的n个声波信号的频率值。可选地，当不止两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量中的某个空间频率分量的两倍相等时，通过以下公式确定哪两个边带频率分量对与上述空间频率分量对应：其中，θR与θL分别为两个边带频率分量中右边带与左边带的相位，为光纤声波传感器空间频率分量的相位；若两个边带频率分量的相位满足上述公式，则这两个边带频率分量与上述空间频率分量对应。可选地，所述光纤声波传感器可以为双光束光纤干涉仪结构，包括马赫-泽德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。第二方面，本专利技术提供一种确定声波信号的系统，包括：宽带光源、环形器、1×n分束器、n个光纤声波传感器、光谱仪以及声波信号确定单元；n为大于或等于1的整数；所述环形器有三个端口，分别为第一端口、第二端口及第三端口；所述1×n分束器包括一个输入端和n个输出端；所述宽带光源与环形器的第一端口相连接，所述环形器的第二端口与1×n分束器的输入端口相连接，所述环形器的第三端口与光谱仪相连接，所述1×n分束器的n个输出端分别与n个光纤声波传感器相连接，所述光谱仪与声波信号确定单元相连接；所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；所述宽带光源用于提供宽谱光信号；所述1×n分束器用于将由环形器的第一端口到第二端口传播来的宽谱光信号均分为n路并分别做为其n个输出端的输出信号；所述n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号，每路光纤声波传感器对应的反射光信号携带该路光纤声波传感器的空间频率信息；当n个光纤声波传感器中有光纤声波传感器受到外部声波信号作用时，该路光纤声波传感器对应的反射光信号还携带作用在该路光纤声波传感器的声波信号的信息；所述n路反射光信号分别由1×n分束器的n个输出端输入到1×n分束器的输入端，并经由环形器的第二端口至第三端口输出到光谱仪；所述光谱仪通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；所述声波信号确定单元用于对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间频谱图，所述空间频谱图携带n个光纤声波传感器对应的n个空间频率信息和作用于n个光纤声波传感器的n个声波信号对应的n对双边带信号信息；所述声波信号确定单元用于根据所述n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息；其中，对于每个光纤声波传感器，其对应的双边带信号的中心空间频率正比于声波信号的频率，其对应的双边带信号的空间频率间隔正比于光纤声波传感器的空间频率。可选地，每个光纤声波传感器的边带信号与空间频率信号应满足如下公式：其中，fa为声波信号的频率，V为光谱仪的波长扫描速度，fs为光纤声波传感器的空间频率，fc为双边带信号的中心空间频率，△f为双边带信号的空间频率间隔；所述双边带信号的中心空间频率通过对一对边带频率分量求平均值得到，所述双边带信号的空间频率间隔通过对一对边带频率分量求差并取绝对值得到；所述空间频谱图包括n个空间频率分量和2n个边带频率分量；所述声波信号的信息包括声波信号的频率；所述声波信号确定单元通过以下步骤确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种确定声波信号的方法，其特征在于，包括：提供n路相同的宽谱光信号，n为大于或等于1的整数；将n路相同的宽谱光信号分别输入到n个光纤声波传感器，所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号，每路光纤声波传感器对应的反射光信号携带该路光纤声波传感器的空间频率信息；当n个光纤声波传感器中有光纤声波传感器受到外部声波信号作用时，该路光纤声波传感器对应的反射光信号还携带作用在该路光纤声波传感器的声波信号的信息；通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间频谱图，所述空间频谱图携带n个光纤声波传感器对应的n个空间频率信息和作用于n个光纤声波传感器的n个声波信号对应的n对双边带信号信息；根据所述n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息；其中，对于每个光纤声波传感器，其对应的双边带信号的中心空间频率正比于声波信号的频率，其对应的双边带信号的空间频率间隔正比于光纤声波传感器的空间频率。

【技术特征摘要】
1.一种确定声波信号的方法，其特征在于，包括：提供n路相同的宽谱光信号，n为大于或等于1的整数；将n路相同的宽谱光信号分别输入到n个光纤声波传感器，所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号，每路光纤声波传感器对应的反射光信号携带该路光纤声波传感器的空间频率信息；当n个光纤声波传感器中有光纤声波传感器受到外部声波信号作用时，该路光纤声波传感器对应的反射光信号还携带作用在该路光纤声波传感器的声波信号的信息；通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间频谱图，所述空间频谱图携带n个光纤声波传感器对应的n个空间频率信息和作用于n个光纤声波传感器的n个声波信号对应的n对双边带信号信息；根据所述n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息；其中，对于每个光纤声波传感器，其对应的双边带信号的中心空间频率正比于声波信号的频率，其对应的双边带信号的空间频率间隔正比于光纤声波传感器的空间频率。2.根据权利要求1所述的确定声波信号的方法，其特征在于，每个光纤声波传感器的边带信号与空间频率信号应满足如下公式：其中，fa为声波信号的频率，V为光谱仪的波长扫描速度，fs为光纤声波传感器的空间频率，fc为双边带信号的中心空间频率，△f为双边带信号的空间频率间隔；所述双边带信号的中心空间频率通过对一对边带频率分量求平均值得到，所述双边带信号的空间频率间隔通过对一对边带频率分量求差并取绝对值得到；所述空间频谱图包括n个空间频率分量和2n个边带频率分量；所述声波信号的信息包括声波信号的频率，所述声波信号确定单元通过以下步骤确定n个声波信号的频率：根据任意两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量之间的数值关系，确定每个空间频率分量对应的两个边带频率分量；根据光谱仪的波长扫描速度和每个空间频率分量对应的两个边带频率分量，求出n个空间频率分量对应的n个声波信号的频率值。3.根据权利要求2所述的确定声波信号的方法，其特征在于，当不止两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量中的某个空间频率分量的两倍相等时，通过以下公式确定哪两个边带频率分量对与上述空间频率分量对应：其中，θR与θL分别为两个边带频率分量中右边带与左边带的相位，为光纤声波传感器空间频率分量的相位；若两个边带频率分量的相位满足上述公式，则这两个边带频率分量与上述空间频率分量对应。4.根据权利要求1至3任一项所述的确定声波信号的方法，其特征在于，所述光纤声波传感器可以为双光束光纤干涉仪结构，包括马赫-泽德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。5.一种确定声波信号的系统，其特征在于，包括：宽带光源、环形器、1×n分束器、n个光纤声波传感器、光谱仪以及声波信号确定单元；n为大于或等于1的整数；所述环形器有三个端口，分别为第一端口、第二端口及第三端口；所述1×n分束器包括一个输入端和n个输出端；所述宽带光源与环形器的第一端口相连接，所述环形器的第二端口与1×n分束器的输入端口相...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁平，傅鑫，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42