迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统的制作方法

本发明涉及光纤声音传感技术领域，具体为一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统。

背景技术：

近年来，光纤传感技术逐渐应用在各个领域，而光纤声音传感技术相比其他技术具有抗干扰、灵敏度高等优点。其中，基于迈克尔逊干涉原理的传感光路是由两条长度相等的单模光纤组成双臂结构，其中一臂为参考臂，另一臂为传感臂。当外界声音信号作用于传感臂时，会使传感臂中传输的激光相位发生变化，引起了由传感臂与参考臂形成的干涉光光强的变化，从而可以还原外界的声音信号。迈克尔逊干涉光路具有灵敏度高、测量对象广、传输损耗小、成本低等优点，但是缺点在于迈克尔逊干涉光路无法对声音信号进行定位。而相位敏感光时域反射系统，利用脉冲激光在光纤中产生的后向瑞利散射光，可实现对声音信号较为准确的定位，但是由于后向瑞利散射光的光强信号较弱，且与外界声音信号呈非线性关系，所以声音信号的波形还原度较差。

技术实现要素：

本发明是一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统，其目的在于采用波分复用技术，借助光纤迈克尔逊干涉结构对声音信号进行波形还原，再借助相位敏感光时域反射系统对声音信号进行空间定位，利用fpga模块并行运行结构加快数据处理速度，最后通过计算机进行数据分析，最终实现声音信号的波形还原与空间定位。

本发明是一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统，包括半导体激光器、光隔离器、第一光纤耦合器、参考光纤、第一法拉第旋转镜、第二光纤耦合器、传感光纤、波分复用器、光纤尾端快速衰减结构、第二法拉第旋转镜、第一滤波器、第一光电探测器、第一模数转换模块、第一fpga模块、窄线宽激光器、声光调制器、掺铒光纤放大器、第二滤波器、光环行器、第三滤波器、第二光电探测器、第二模数转换模块、第二fpga模块和计算机；其中，半导体激光器与光隔离器的输入端口相连，第一光纤耦合器依次与光隔离器的输出端口、第一滤波器的输入端口、参考光纤的输入端、第二光纤耦合器的a端口相连，参考光纤的输出端口与第一法拉第旋转镜相连，第二光纤耦合器的c端口与传感光纤的输入端口相连，波分复用器的a端口与传感光纤的输出端口相连，波分复用器的b端口与光纤尾端快速衰减结构相连，波分复用器的c端口与第二法拉第旋转镜相连，第一滤波器的输出端口与第一光电探测器的输入端口相连，第一光电探测器的输出端口与第一模数转换模块的输入端口相连，第一模数转换模块的输出端口与第一fpga模块的输入端口相连，第一fpga模块的输出端口与计算机相连，窄线宽激光器与声光调制器的输入端口相连，声光调制器的输出端口与掺铒光纤放大器的输入端口相连，掺铒光纤放大器的输出与第二滤波器的输入端口相连，第二滤波器的输出端口与光环行器的a端口相连，光环行器的b端口与第二光纤耦合器的b端口相连，光环行器的c端口与第三滤波器的输入端口相连，第三滤波器的输出端口与第二光电探测器的输入端口相连，第二光电探测器的输出端口与第二fpga模块的输入端口相连，第二fpga模块的输出端口与第二模数转换模块输入端口相连，最后第二模数转换模块输出端口与计算机相连。

本发明一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统，其优点与有益效果如下：

一、本发明采用波分复用技术，通过使用两种中心波长差别较大的激光光源，来达到两种传感激光相分离的目的，从而实现了迈克尔逊干涉系统和相位敏感光时域反射系统的混合与统一。

二、本发明采用迈克尔逊干涉系统，利用了等长的传感臂与参考臂形成干涉光光强的变化，克服了相位敏感光时域反射系统对声音信号的波形还原度较差的缺点，实现了对声音信号的波形还原。同时，迈克尔逊干涉系统具有灵敏度高、测量对象广泛、成本低等优点。

三、本发明采用相位敏感光时域反射系统，利用脉冲激光在光纤中产生的后向瑞利散射光的原理，克服了迈克尔逊干涉系统无法对声音信号进行空间定位的缺点，实现对声音信号较为精准的空间定位。同时，相位敏感光时域反射系统具有空间分辨率高等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

在图1中：1、半导体激光器2、光隔离器3、第一光纤耦合器4、参考光纤5、第一法拉第旋转镜6、第二光纤耦合器7、传感光纤8、波分复用器9、光纤尾端快速衰减结构10、第二法拉第旋转镜11、第一滤波器12、第一光电探测器13、第一模数转换模块14、第一fpga模块15、窄线宽激光器16、声光调制器17、掺铒光纤放大器18、第二滤波器19、光环行器20、第三滤波器21、第二光电探测器22、第二模数转换模块23、第二fpga模块24、计算机。

具体实施方式

本发明为了同时实现对外界声音信号的波形还原与空间定位，可利用波分复用原理，发明一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统。

本发明提供了一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统，包括半导体激光器1、光隔离器2、第一光纤耦合器3、参考光纤4、第一法拉第旋转镜5、第二光纤耦合器6、传感光纤7、波分复用器8、光纤尾端快速衰减结构9、第二法拉第旋转镜10、第一滤波器11、第一光电探测器12、第一模数转换模块13、第一fpga模块14、窄线宽激光器15、声光调制器16、掺铒光纤放大器17、第二滤波器18、光环行器19、第三滤波器20、第二光电探测器21、第二模数转换模块22、第二fpga模块23和计算机24。

图1是本发明一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统示意图，下面结合附图1进一步说明本发明一种迈克尔逊干涉与相位敏感光时域反射的光纤声音传感系统对外界声音信号的波形还原和空间定位的工作原理。

如附图1所示半导体激光器1产生波长为1310nm的激光信号，经光隔离器2后到达第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器3的c端口输出光功率占比为50%的参考光，d端口输出光功率占比为50%的探测光，第一光纤耦合器3的c端口输出的参考光经过参考光纤4到达第一法拉第旋转镜5，经由第一法拉第旋转镜5反射回第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器3的d端口输出探测光到第二光纤耦合器6的a端口，第二光纤耦合器6的c端口输出的探测光经由传感光纤7到达波分复用器8的a端口进行分波，其中1310nm波长的激光信号会经由第二法拉第旋转镜10反射并沿原路返回到第二光纤耦合器6的c端口，从第二光纤耦合器6的a端口再回到第一光纤耦合器3的d端口并与参考光进行干涉，干涉后的激光信号一部分回到光隔离器2中，光隔离器2的目的是防止反射回来的光进入半导体激光器1，提高半导体激光器1的稳定性。第一光纤耦合器3中返回的干涉光信号进入第一滤波器11中，通过波长为1310nm的干涉光信号，经由第一光电探测器12接收并转为电信号，经由第一模数转换模块13后，将电信号转化为数字信号传给第一fpga模块14，由第一fpga模块14进行数据处理，然后将处理的数据传输给计算机24。当在传感光纤7附近发出声音时，就会引起传感光纤7上光波相位发生变化，从而导致由参考光纤4和传感光纤7返回到第一光纤耦合器3干涉光的光强变化，经过第一fpga模块14的解调，在计算机24上即可还原外界声音信号的波形。另一方面，窄线宽激光器15发出中心波长为1550nm的超窄线宽的连续激光，经由声光调制器16得到脉冲激光，经过掺饵光纤放大器17将脉冲激光的光功率放大，为了消除部分放大的噪声，脉冲激光到达第二滤波器18进行去噪，然后脉冲激光到达光环行器19的a端口，之后脉冲激光到达第二光纤耦合器6的b端口，第二光纤耦合器6的c端口输出的脉冲激光经由传感光纤7到达波分复用器8分波，1550nm的脉冲激光到达光纤尾端快速衰减结构14，脉冲激光在光纤中传播的同时会有后向瑞利散射光，后向瑞利散射光经由光环行器19到达第三滤波器20中通过1550nm的后向瑞利散射光，经由第二光电探测器21进行光电转换，再经过第二模数转换模块22将模拟电信号转换为数字信号，再经过第二fpga模块23进行解调，得到相应位置处的应变量的具体信息，最后第二fpga模块23将处理结果传送给计算机24。当传感光纤7附近发出声音，会引起光的相位发生变化，利用脉冲激光在光纤中产生的后向瑞利散射光得到声音信号的位置，计算机24对第一fpga模块14和第二fpga模块23的解调结果进行综合展示，即可对声音信号进行波形还原和空间定位。