光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤Fabry‑Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统，属于光纤传感技术领域。其中方法包括以下步骤：1)获取两路反射谱；2)设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位；3)反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数；4)分别计算光相位的改变量，确定腔长变化量；5)根据耦合模型解调非线性声压。本发明专利技术提供的光纤Fabry‑Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统具有无理论声压解调上限，解调精度高，克服相位模糊，解调灵活，能对解调结果的准确性给予评价等优点。

Dual Wavelength Nonlinear Sound Pressure Demodulation Method and System for Fiber Fabry-Perot Hydrophone

【技术实现步骤摘要】
光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及水听器的声压解调技术。
技术介绍
高强度聚焦超声(Highintensityfocusedultrasound,HIFU)近年来在受到了广泛关注，发展十分迅速。首先，HIFU可以作为医学、物理学、化学和材料学等学科领域的一种全新的研究平台。其次，HIFU作为声学领域里的极端条件，其在各领域的重大创新研究不亚于超高压、超真空、强磁场、强辐射、高低温等已为我们所熟知的极端条件，其研究成果对推动我国科学技术与社会经济发展具有重要意义。而声压作为HIFU最为核心的一个参数，准确测量与解调声压大小就显得格外重要。然而由于HIFU声场具有声焦域尺寸小，高温效应，空化效应，机械效应等明显特点，至今为止对声压的测量与解调还没有一种完全理想的方法。光纤Fabry-Perot水听器由于具有空间分辨率高、温度不敏感、受声场空化影响小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，是一种理想的声压测量传感器。目前，光纤Fabry-Perot水听器主要采用最佳线性偏置点直接测量法进行声压的解调，这种是一种线性的解调方法，利用干涉信号的线性段将声压引起相位的变化转化为线性的光强变化，从而实现声压解调。但是这种方法也存在如下缺点：1)由于线性范围很窄，超过线性范围之后解调出的声压明显小于实际声压，导致计算误差大；2)由于是一种线性的解调方法，干涉信号输出存在上限，因此存在声压解调上限限制；3)存在相位模糊问题，即声压引起的相位变化在极值点附近时，光纤Fabry-Perot水听器对相位的微小变化将极不敏感，相位的微小变化几乎不引起干涉信号的变化，同时也不能确定相位的变化是增大还是减小；4)无法灵活解调，由于正负声压大小通常不对称，正负声压引起的腔长增加量和腔长减小量也不同，导致输出信号差距较大；5)无法对解调出的声压结果的准确性给予评价。受限于这五方面的问题，光纤Fabry-Perot水听器采用最佳线性偏置点直接测量法进行声压解调时，受到极大的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的不足，提供一种光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调系统及方法，可以有效的改善上述问题，具有无理论声压解调上限，解调精度高，克服相位模糊，解调灵活，能对解调结果的准确性给予评价等优点。本专利技术解决上述技术问题的方案如下：第一方面，本专利技术提供一种光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，本方法同时将两束工作波长不同的激光输入光纤Fabry-Perot水听器，两路激光分别受到声压的调制，分析两路激光调制后的信号即可分别解调出声压引起的Fabry-Perot腔的腔长变化量，最后结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型解调出声压。本方法包括以下步骤：1、获取两路反射谱：首先，关闭超声换能器的输出，保证超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器上；然后，两路激光器工作，数据采集卡采集光电探测器的输出电压V随任意一路波长可调谐激光器波长λ变化的离散点数据，即两路反射谱。2、设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出Fabry-Perot腔腔长L，并分别设置两路激光器的工作波长。两路激光的波长满足：对应波分复用器两个不同通道，且两个波长对应反射谱上的电压不能相同。完成工作波长设置后根据分别确定超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器时的初相位φ10和φ20，其中na为Fabry-Perot腔腔内空气折射率。3、反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数：根据将反射谱转换为输出电压V与光相位φ的离散点数据，并进行最小二乘拟合，建立输出电压V与光相位φ的函数关系V(φ)，拟合形式为：式中y0、A、xc、w都为待拟合的参数，求式(1)的反函数V-1(φ)得到光相位φ与输出电压V的函数关系为：式中k为整数。4、分别计算光相位的改变量，确定腔长变化量：打开超声换能器的输出，使超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器上，分别记录超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器后两路光电探测器的输出电压，根据步骤3中光相位与输出电压的函数关系分别计算超声波作用后的终相位φ11和φ21，然后结合初相位φ01和φ02分别得到两路激光的相位变化量Δφ1和Δφ2，并根据Fabry-Perot腔腔长L和两路激光器的工作波长分别计算出超声波引起的Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL1和ΔL2。5、根据耦合模型解调非线性声压：根据Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL1和ΔL2，再结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型分别解调出两路激光下非线性声压P1和P2为：其中T2、T1为声压透射系数，E为石光纤的杨氏模量，f为超声波的频率，c为超声波在光纤中的声速。第二方面，本专利技术提供的实现上述方法的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调系统，系统包括：光纤Fabry-Perot水听器、超声换能器、两路波长可调谐激光器、两个光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器、两个光电探测器和数据采集卡。两路波长可调谐激光器输出的两路波长不同的激光混合后经过光纤环形器到达光纤Fabry-Perot水听器，两路激光同时经超声换能器受到超声波调制后经过光纤环形器，到达波分复用器分离为两路不同波长的激光，或者直接到达波分复用器分离为两路不同波长的激光，两路激光同时进行光电转换后分别输出两路电压信号，一路接入数据采集卡，另一路接输出端。上述系统中使用的光纤Fabry-Perot水听器的结构包括：单模光纤、反射光纤和石英毛细管，所述石英毛细管、所述单模光纤、所述反射光纤的外径相同，所述石英毛细管的两端分别与所述单模光纤和反射光纤熔接，所述石英管内的空气腔作为干涉腔；在所述空气腔的两个反射面之间自然构成光纤Fabry-Perot水听器的Fabry-Perot腔。上述系统可以是如下的具体形式：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器的一端的一臂与所述波分复用器连接，第二光纤耦合器的一端的另一臂与所述光电探测器输入端连接，光纤环形器另一端与所述光纤Fabry-Perot水听器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。上述系统也可以是如下另一种具体形式：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述波分复用器连接，光纤环形器另一端与所述光纤Fabry-Perot水听器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。本专利技术具有的有益的效果是：1、本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统，克服了最佳线性偏置点直接测量法线性解调时存在声压解调上限的限制。本方法可以准确解调饱和信号波形，并且理论上不存在声压解调上限的限制，极大的扩大了声压解调范围。2、本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤Fabry‑Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：(1)获取反射谱：首先，关闭超声换能器的输出，保证超声波未作用到光纤Fabry‑Perot水听器上；然后，两路激光器工作，数据采集卡采集光电探测器的输出电压V随各自对应的波长可调谐激光器波长λ变化的离散点数据，即两路反射谱；(2)设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出Fabry‑Perot腔腔长L，并分别设置两路激光器的工作波长，两个工作波长对应波分复用器两个不同通道，完成工作波长设置后，根据

【技术特征摘要】
1.一种光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：(1)获取反射谱：首先，关闭超声换能器的输出，保证超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器上；然后，两路激光器工作，数据采集卡采集光电探测器的输出电压V随各自对应的波长可调谐激光器波长λ变化的离散点数据，即两路反射谱；(2)设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出Fabry-Perot腔腔长L，并分别设置两路激光器的工作波长，两个工作波长对应波分复用器两个不同通道，完成工作波长设置后，根据分别确定超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器时的初相位φ10和φ20，其中na为Fabry-Perot腔腔内空气折射率；(3)反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数：根据将反射谱转换为输出电压V与光相位φ的离散点数据，并进行拟合，建立输出电压V与光相位φ的函数关系V(φ)，求反函数得到光相位φ与输出电压V的函数关系V-1(φ)；(4)分别计算光相位的改变量，确定腔长变化量：两路激光器仍然同时保持步骤(2)中设置的工作波长输出，然后，打开超声换能器的输出，使超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器上；分别记录超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器后两路光电探测器的输出电压，根据步骤(3)中光相位与输出电压的函数关系分别计算超声波作用后的终相位φ11和φ21，然后结合初相位φ01和φ02分别得到两路激光的相位变化量Δφ1和Δφ2，并根据Fabry-Perot腔腔长L和两路激光器的工作波长分别计算出超声波引起的Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL1和ΔL2；(5)根据耦合模型解调非线性声压：根据Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL1和ΔL2，再结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型分别解调出两路激光下非线性声压P1和P2。2.根据权利要求1所述的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(2)中两路激光的波长满足：对应波分复用器两个不同通道，且两个波长对应反射谱上的电压不能相同。3.根据权利要求1所述的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(3)中的曲线拟合是对输出电压V与光相位φ采用最小二乘拟合，拟合形式为：式中y0、A、xc、w都为待拟合的参数。4.根据权利要求3所述的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(4)所述的光相位的终相位是根据式(2)计算得到。求式(1)的反函数V-1(φ)得到光相位φ与输出电压V的函数关系为：式中k为整数。5.根据权利要求1所述的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王代华，王杰，吴轲，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50