提出一種用于聲波方向檢測的弱反射光纖布拉格光柵（WFBG）分布式傳感器,并進行了實驗驗證。將兩個相鄰WFBG間的分布式傳感光纖用于檢測聲波振動信號。兩段傳感光纖解調(diào)的信號相位差對應于聲波到達的時間差,再由時間差計算得到聲波方向。一段長50 m的傳感光纖環(huán)放置于振動液柱內(nèi),測得其平均聲壓靈敏度為-155.10 dB（re rad/μPa）;兩段50 m的傳感光纖分布放置在木地板上用于接收正弦聲波,探測方向的均方根誤差為1.35°。理論推導和實驗結(jié)果表明,這種分布式傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對聲波方向的檢測,與傳統(tǒng)基底纏繞光纖結(jié)構(gòu)相比尺寸超細,有望搭載在水下無人航行器上,實現(xiàn)對水下發(fā)聲目標的探測。 

【文章來源】：中國激光. 2020,47(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

基于WFBG的分布式傳感器的系統(tǒng)原理圖

由圖1中的光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)出正弦波信號,并得到Δφsignal,通過(10)式即可計算出θ0。對(8)～(10)式進行仿真,取θ0=10°,聲波傳播距離z和初始相位φ0設置為0,頻率f和速度c分別設置為325 Hz、1500 m/s,L設置為聲波波長的一半,M=100。光纖相關(guān)參數(shù)會影響正弦波信號的幅度,此處將其幅度設置為1(只需探討其頻率和相位信息)。圖2所示為兩段傳感光纖的仿真信號。從頻域上看,信號的頻率與聲波的頻率一致,即325 Hz;從時域上看,兩個信號相位相差πsin(π/18),由(10)式即可求得θ0為π/18,與θ0的初始設置值一致。3 實驗與分析

圖4所示為光纖傳感系統(tǒng)解調(diào)出的信號。在圖4(a)中,對于一個周期的聲光調(diào)制器驅(qū)動信號,第1個峰和第3個峰均為WFBG反射峰,為無用信號,第2個峰為有用干涉峰。圖4(b)所示為連續(xù)多個聲光調(diào)制器周期下提取得到的干涉信號,使用對稱解調(diào)零差算法即可求解出傳感光纖的正弦波信號Δφsignal。圖4(c)所示為在同一激勵聲源下,7次測量的Δφsignal信號,對解調(diào)信號進行正弦波擬合,擬合結(jié)果如表1所示。從表1中可得出:解調(diào)信號的頻率在294.18～331.97 Hz之間波動,均方根誤差為11.37 Hz;解調(diào)信號的幅度在0.36～1.36 rad之間波動,平均幅度為0.84 rad。由(11)式聲壓靈敏度換算公式[17],可得到傳感光纖的靈敏度為-155.10 dB(re rad/μPa)。擬合的正弦波頻率和幅度存在波動的原因可能是傳感光纖環(huán)沒有固定的結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)方法中光纖環(huán)有結(jié)構(gòu),如文獻[13]光纖纏繞在基底上)。傳感光纖的靈敏度較低,可以通過對光纖進行二次涂覆來提高靈敏度。聲壓靈敏度的表達式為Μ signal =20lg Δφ signal Μ a Μ ak U a hρΚ -120, ??? (11)

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]基于全同弱反射光柵光纖的分布式傳感研究[J]. 張滿亮,孫琪真,王梓,李曉磊,劉海榮,劉德明.  激光與光電子學進展. 2011(08)

博士論文
[1]基于匹配干涉的光纖光柵水聽器陣列關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 林惠祖.國防科學技術(shù)大學 2013



本文編號：2969488