[发明专利]一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统

说明书

本发明涉及一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，主要由光纤声学传感器、抗干扰屏蔽装置、光信号探测及采集处理子系统三部分组成，光信号探测及采集处理子系统包含UPD低噪声光电探测器、低噪声模数转换器和信号采集处理机，采用UPD低噪声光电探测器把光纤声学传感器的光信号转化为电信号，通过低噪声模数转换器转换该电信号，最后信号采集处理机将光干涉信号的数字化信号进行数字相位生成载波解调处理，从而实现对光电声学传感器的光相位等效噪声压谱级进行精确校准。

技术领域

本发明属于计量测试领域，具体属于光纤传感器参数计量领域，主要是一种基于UPD低噪声光电探测器的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统。

背景技术

由于光纤声学传感器所具有的独特优越性，它在监测领域的应用越来越广，其中，应用在水声领域的光纤传感器称为光纤水声传感器及其阵列。光纤声学传感器是一种新型的传感器，相对于传统的压电声学传感器，光纤声学传感器具有探测灵敏度高、响应频带宽、耐恶劣环境、结构轻巧、抗电磁干扰和易于大规模成阵等特点，是现代声学传感器的一个重要发展方向。所以，多国纷纷投入大量人力和财力进行有关光纤声学感器的研究和试验，已经开展工程应用。

光源输出的激光经过耦合器后分为两束，分别进入干涉仪的两臂。一条臂绕在金属骨架上作为参考臂，由于金属骨架材料的杨氏模量很大，因此参考臂不受外界声压场的作用，可用来消除声压以外的其他量对光干涉相位的影响。另一条臂绕在刚性体外面的弹性增敏层上作为传感臂，当光纤探头处于外界声压场时，由增敏层变形导致缠绕光纤的长度变化，在光纤光弹效应的共同作用下导致传感臂中传输光的相位发生变化。两束光经光纤端面反射后，回到耦合器处进行干涉，对干涉信号进行检测和处理，就可获得相位差，从而得到声场信息。

动态范围即最大可测信号与最小可测信号之间的范围，是传感器的重要参数，其严重制约着传感器的适用性，关系到光纤传感器实用化的主要性能指标。传统压电水声接收器的动态范围一般为60dB，稍好的可达80dB～90dB，而光纤传感器的动态范围可以达到100dB以上。如何提高动态范围已成为光纤传感器研发的一个重要课题。但其前提是准确测量和校准干涉型光纤声学传感器的动态范围。等效噪声压谱级的数值就是最小可测声信号，也即动态范围的下限。因此，等效噪声压谱级的准确测量也是获知传感器动态范围必不可少的。

没有外界声源的情况下，光纤声学传感器输出的干涉信号在某频段内电噪声的电压级L_U减去该频段内的有效自由场灵敏度级M_eff，再将它归一化到1Hz，就可得到光纤水声传感器的等效噪声压谱级L_ps。其计算公式如式1所示。

L_ps＝L_U-M_eff-10lgΔf 1

式中，Δf是光纤水声传感器的测量带宽；等效噪声压谱级L_ps的基准值为1μPa。

准确获得等效噪声压谱级L_ps的首要前提是已知等效噪声压电压级L_U和光纤水声传感器的有效自由场灵敏度级M_eff。光纤水声传感器的有效自由场灵敏度级M_eff可以通过多种方法获得，而等效噪声压的电压级L_U的获取有特殊的要求。光纤传感传感器的自由场灵敏度级M_eff采用与已知灵敏度的标准水听器进行比较的方式校准得到。

为了推动光纤声学传感器的实用化进程，迫切需要解决其等效噪声压谱级的精确校准问题。目前，我国还没有建立专门的光纤声学传感器的等效噪声压谱级测量方法，国内仅在GB/T4128-1995《标准水听器》附录中，推荐采用真空罩的方法来测量水听器的等效噪声压谱级。但是对于具体的测量系统构成和关键技术细节却没有更多的描述。因此，需要建立专用的光纤声学传感器等效噪声压谱级校准系统，解决其校准和性能评估问题。

发明内容