[发明专利]一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法

说明书

本发明公开了一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，包括：(1)对两信道进行波长扫描，得到经声学编码的具有固定相位差的两路光谱数据；(2)对两路光谱数据进行三角拟合，得到对应的静态光谱函数；(3)根据光谱数据、静态光谱函数及拟合参数，解算得到波长域相位变化信号x(λ)；(4)根据波长扫描速度，将波长域相位变化信号x(λ)转化为时间域相位变化信号y(t)。本发明将声场信息编码到传感光谱上，使得经声学编码后的光谱数据与对应的静态光谱函数在受到外部环境不稳定因素扰动时经历同样的相位变化，因此从光谱中重建声信号波形时解调结果为声波导致的相位变化，而不是绝对相位值，具有对环境扰动不敏感的特征。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法。

背景技术

近年来，随着自然灾害预警、结构健康监测以及水下声学通信等工程应用的发展，声波传感技术受到了广泛研究。与传统的电学式或机械式传感器相比，利用反射膜片构成光学微谐振腔形式的光纤声传感器具有体积小，重量轻，抗电磁干扰，耐腐蚀以及易于组网复用等优点。对声信号的准确测量在结构健康监测、地震灾害预警、管道泄漏监测、水下声呐探测等工程应用场合有着重要的应用。

为了实现对声信号的准确测量，国内外研究人员针对薄膜型光纤声传感器信号解调方法开展了大量的研究。相位解调方法是一种常用的解调方法，其中，相位生成载波调制(PGC)、3×3耦合器解调法或正交双波长解调方法的应用最为广泛，这些相位解调技术精度高，但较为复杂；此外，这些常见的相位解调技术的解调结果都是光谱的绝对相位值，而光谱相位同样会受到外部环境不稳定因素的扰动，因此这些技术同样具有环境不稳定性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，旨在解决现有的相位解调技术在环境扰动时不稳定的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光谱声学编码的光纤声传感器相位解调方法，包括如下步骤：

(1)对光纤声传感器的两路光信号进行波长扫描以实现对传感光谱的声学编码，并获取经声学编码后的第一光谱数据S₁(λ)和第二光谱数据S₂(λ)；

(2)对第一光谱数据S₁(λ)进行三角拟合得到第一静态光谱函数S₀₁(λ)，对第二光谱数据S₂(λ)进行三角拟合得到第二静态光谱函数S₀₂(λ)；当静态光谱函数经历相位变化时，经三角拟合得到的静态光谱函数会经历相同的相位变化；

(3)根据步骤(1)获取到的光谱数据以及步骤(2)获取到的静态光谱函数，解算各波长处由声波引入的相位变化，得到波长域相位变化信号x(λ)；

(4)根据波长扫描的扫描速度v，将波长域相位变化信号x(λ)转换为记录各时间点由声波引入的相位变化的时间域相位变化信号y(t)。

进一步地，由于声学编码后的光谱数据在任意特定波长处相对于静态光谱函数的强度偏移是由于声信号对传感光谱的相位调制引入的，而同样强度偏移对应的相位调制量并不是唯一的，及同样的强度偏移量既有可能是传感光谱受到一定量的调制后导致相位增加引入的，也有可能是传感光谱受到调制后导致相位减小引入的，因此采用一路光谱数据进行相位解调运算会导致相位模糊；因此，步骤(1)中，第一光谱数据S₁(λ)和第二光谱数据S₂(λ)之间存在固定的相位差，并且第一光谱数据S₁(λ)和第二光谱数据S₂(λ)之间的相位差不是π的整数倍，以消除相位解调过程中的相位模糊现象。

进一步地，步骤(1)中，波长扫描的扫描范围、扫描速度以及波长分辨率根据动态信号的频率确定，以实现对不同频段的声音信号的解调。