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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將兩個(gè)相鄰WFBG間的分布式傳感光纖用于檢測聲波振動(dòng)信號。兩段傳感光纖解調(diào)的信號相位差對應(yīng)于聲波到達(dá)的時(shí)間差,再由時(shí)間差計(jì)算得到聲波方向。一段長50 m的傳感光纖環(huán)放置于振動(dòng)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(dǎo)和實(shí)驗(yàn)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(xì),有望搭載在水下無人航行器上,實(shí)現(xiàn)對水下發(fā)聲目標(biāo)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(jì)算出θ0。對(8)～(10)式進(jìn)行仿真,取θ0=10°,聲波傳播距離z和初始相位φ0設(shè)置為0,頻率f和速度c分別設(shè)置為325 Hz、1500 m/s,L設(shè)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(shè)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(shí)域上看,兩個(gè)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(shè)置值一致。3 實(shí)驗(yàn)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(gè)周期的聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號,第1個(gè)峰和第3個(gè)峰均為WFBG反射峰,為無用信號,第2個(gè)峰為有用干涉峰。圖4(b)所示為連續(xù)多個(gè)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(lì)聲源下,7次測量的Δφsignal信號,對解調(diào)信號進(jìn)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(dòng),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(dòng),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(dòng)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(xiàn)[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(jìn)行二次涂覆來提高靈敏度。聲壓靈敏度的表達(dá)式為Μ signal =20lg Δφ signal Μ a Μ ak U a hρΚ -120, ??? (11)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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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(xué)技術(shù)大學(xué) 2013



本文編號：2969488