毕业设计（论文）光纤声学传感器光路设计与实现

1、干涉型声波传感器光路设计与实现摘要光纤传感器是20世纪末发展起来的一种在军事和经济领域中可以起到重要作用的传感器，对比其他的传感器其具有防串扰，抗腐蚀，不易燃烧等优点，因此，其在电流，压力，气体，磁场等各种力场中都能发挥其重要的作用。同时，光纤声波传感器因其在军事和民用领域巨大的应用价值而得到了迅速的发展。它利用光纤与声波信号的相互作用而产生的调制效应，而将声场信号转化为可调节的光信号。在光纤传感器的研究范围内，对于光强的强弱的研究是大量的。这篇论文则想通过探究马赫-泽德干涉仪来进行声波传感器的研究，在实验中通过利用输入输出波的相位变化来测量声音信号，了解其频率和声压级，通过研究其相位的变化，

2、可以使系统的精确度得到提升。首先介绍了光纤传感器的分类与特点，介绍了光纤声波传感器国内外的发展状况和发展方向。光纤传感器分为传光型和传感型两种，本文选择传感型光纤传感器，传感型光纤传感器应用最多即为干涉型光纤传感器，即外界因素使光纤中传输光的相位变化，进而改变射出光的强度变化来达到测量目的。展示了干涉型声波传感器的工作原理和声场的制作原理。在此基础上提出了一种干涉型声波传感器的光路设计方案，通过分析选取了适当的光源，增敏的传感臂探头，以及消除偏振衰落的方法。最后对光纤声波传感器进行了实验数据分析，并对光路进行了简单的optisystem的仿真模拟。 关键词：光纤声学传感器，马赫-泽德干涉仪,动

3、态范围design of interferometric optical acoustic sensorabstractoptical fiber sensor is a kind of military and economic fields can play an important role in the sensor developed at the end of twentieth century, compared to other sensors which can prevent crosstalk, corrosion resistance, not easy to burn

4、 and other advantages, therefore, in the current, pressure, gas, magnetic field, force field can play its important effect of. at the same time, fiber acoustic sensor because of its military and civil fields in the application value of huge and obtained the rapid development. modulation effect of it

5、 use and interact with the optical fiber acoustic signals, and the sound signal into optical signal adjustable. in the scope of the study of optical fiber sensor, for the study of the light intensity is the number of. this thesis is to study macher zehnder interferometer for acoustic sensor, in the

6、experiment to measure the sound signal by using phase change of the input and output wave, the frequency and sound pressure level, through the change of the phase, can make the system precision is improved.first introduced the classification and characteristics of optical fiber sensor, introduces th

7、e development status and development direction of fiber acoustic sensor at home and abroad. optical fiber sensor is divided into light transmission and sensing type two kinds, the selection of the sensor of optical fiber sensor, the sensing optical fiber sensor used most for interferometric fiber op

8、tic sensor, i.e. the phase change optical transmission in optical fiber, and then change the light intensity changes to achieve the purpose of measurement.show the principle of making work principle and field interference wave sensor. on the basis of an interferometric acoustic sensor optical path d

9、esign, through the analysis of the proper selection of the light source, the sensing arm probe sensitivity, and methods of eliminating polarization-induced fading.at the end of the optical fiber acoustic sensor is the analysis of the experimental data, and the optical simulation of simple optisystem

10、. key words: optical fiber acoustic sensor, macher zehnder interferometer, dynamic range目 录第一章绪论11.1引言11.2 光纤传感器的分类与特点11.2.1 光纤传感器的种类11.2.2 光纤传感器的特点31.3 光纤声波传感器简介31.3.1 光纤声波传感器的特点31.3.2 光纤声学传感器国内外发展现状31.3.3光纤声学传感器的发展方向51.4 课题的意义及主要研究内容51.4.1研究光纤传感器的意义51.4.2主要研究内容5第二章 干涉型声波传感器的设计原理72.1 几种干涉仪基本原理72.1.

11、1几种常见的干涉仪72.1.2光纤干涉仪的特点分析112.2 干涉型光纤声波传感器声场调制原理14第三章 干涉型声波传感器光路设计163.1干涉型声波传感器光路总体设计163.2 干涉型声波传感器光路器件的选择163.2.1 干涉型声波传感器光源的选取163.2.2光纤耦合器的选择173.2.3传感臂探头的选择173.2.4消除偏振衰落的方法173.3 干涉型声波传感器光路的性能分析18第四章 干涉型声波传感器系统实现204.1 干涉型声波传感器系统实现204.1.1系统干涉结构实验结果分析204.1.2误差分析224.2 系统仿真结果分析234.2.1 optisystem系统234.2.2

12、仿真结构框图24第五章 总结与展望27参考文献28致谢.30第一章 绪论1.1 引言近年来，在传感器朝着精确，灵敏，小巧和智能化发展的过程中，光纤传感器作为传感器的新成员越来越受到人们的青睐。光纤具有的许多优异性能成为它被人们选择的不二之选。激光在光纤中传输时受到外力，外界温度，电磁场等因素作用，是其的频率，相位，光强发生微小的变化，在对这些变化进行适当的方法进行解调，就可以对激光传输的物理量进行测量。随着光纤技术的发展和国内外实验室的不断研究，光纤传感器已经走出实验室，进入实用领域的发展，同时由于光纤传感器自身的优势，使得光纤传感器迅速在许多的专业领域取得了好的成果。1.2 光纤传感器的分类

13、与特点1.2.1 光纤传感器的种类光纤传感器有许多种类，按工作原理可分为非功能型（传光型）传感器和功能型（传感型）传感器。非功能型传感器中的光纤仅作为传光媒介，由其他敏感元件采集信号，其原理如图1.1（a）；而功能型传感器中的光纤兼具传光和传感元件的作用，其原理如图1.1（b）。目前正在研究的高精度、高分辨率的光纤传感器多以功能型光纤传感器为主1。（a）非功能型传感器（b）功能型传感器图1.1 光纤传感器工作原理按光信号调制原理角度分类可分为：光强调制型、光频率调制型、光相位调制型及光偏振调制型传感器2，其中光强调制型传感器与光频率调制型传感器具有结构简单、可测量范围大而被广泛应用在一般工程测

14、量中，而对测量的精度要求较高时一般采用光相位调制型和光偏振调制型传感器。这两类传感器也是目前光纤传感器研究的主要热点。其中光相位调制型传感器检测信号是利用光的信号来进行检测的。由于传感器结构和原理的不同，光相位调制型传感器可分为麦克尔逊(michelson)干涉型、马赫-泽德(mach-zehnder)干涉型、法布里-泊罗(fabry-perot)干涉型和赛格奈克(sagnac)型传感器，原理如图1.2。(a) 麦克尔逊（michelson）干涉型(b) 马赫-增德尔（mach-zehnder）干涉型(c) 法布里-泊罗（fabry-perot）干涉型(d) 赛格奈克(sagnac)型图1.2

15、 干涉型光纤传感器原理1.2.2 光纤传感器的特点光纤具有频带宽，比微波高出5个数量级的特性，在光纤中光波的传输其相位，振幅，等参数将发生一系列变化，因此将产生与外部环境的变化相应的变化。因此，光纤传感器与一般的传感器相比具有许多其不具备的优点，主要包括：高精确度，抗干扰能力强，耐高压，耐腐蚀，安全可靠。1.3 光纤声波传感器简介1.3.1 光纤声波传感器的特点现代声波传感对传感器性能有着很高的要求，而光纤声波传感器恰好能够满足这些要求。光纤声波传感器是利用光纤的中光的传输特性与声场信号相互作用而产生的调制效应，将声场信号转化为可解调的光信号，从而侦听声场信号的光纤传感器。光纤声学传感器发展初

16、期出现了多种测量方法，有干涉型，也有直接利用声场对光强调制等方法。经过一段时间的发展，人们逐渐发现在众多光纤声学传感器设计方案中，干涉型传感器与相位生成载波解调技术相结合的方案测量效果最好，它具有许多许多其他系统不具备的优点。其它各种类型的声学传感器逐渐被淘汰，现在所提到的光纤声学传感器一般都是以光束干涉的原理为测量基础的。 光纤声波传感器与传统声学传感器相比有以下特点：1灵敏度高，光纤声学传感器采用光学原理进行测量，最小可检测信号与噪声之比与传统压电传感器相比要高3个数量级；2动态范围大，传统声学传感器的系统动态范围在80db到89db之间，而光纤声学传感器的动态范围可达到145db以上；3

17、频响特性较好，带宽较宽，对低频信号也可进行测量；4抗干扰能力强，光纤声学传感器信号传输与传感都以光为载体，因此将会有极少电磁的干扰，同时信号间的串扰也会降到最低；5光纤声学传感器体积较小，同时对多路传感信号可采用波分、时分及空分等方式进行复用，适于大规模组阵，可组成光纤水听器阵列。1.3.2 光纤声学传感器国内外发展现状光纤传感技术是随着光纤和光纤通信技术的发展而发展起来的一种新技术。自十九年代末的光纤传感器是出现，便由于其防火，防爆，高精度，低损耗，体积小，重量轻，寿命长，性价比高，重复性好，响应速度快，抗电磁干扰，频带范围宽，动态范围大，易于与光纤传动系统由遥测网络已经广泛应用于各行各业。

18、随着研究的深入，光纤传感器将有深远的影响在科学研究，生产，生活等其他领域光纤传感器在上世纪末开始研究。由于美国海军研究所（nrl）在1977开始的光纤传感系统的实现（foss）程序，世界上的许多实验都研究了光纤传感技术，随着光纤传感器研究的深入，许多国际学术交流越来越多的。目前美、英、日、澳等西方发达国家对此项技术已研究多年，已经进入实际应用阶段，并已在其海军舰船上部署。1983以来国际光纤传感器会议定期召开3。在最早的光纤传感器的研发中，美国海军研究所开发出了水听器，水下探测设备，现代数字光学控制系统（adss），光纤解码光纤传感系统和光纤陀螺（fog），核辐射监测（nrm），飞机的发动机监

19、控，参与研发的还有美国航空航天局的研究（美国宇航局），两屋电力公司，斯坦福长等。在1983年欧洲的传感器展示会上，英国带来了可以测量压力，温度，速度测量的光纤传感器，光纤干涉仪，适用于危险区域，为高分辨率和长行程位移传感器控制电磁噪声环境。德国西门子公司的年1980年开发的实验样机的光纤电流互感器。日本从1979到1986年的“光的应用程序控制系统”的七年计划投资达70亿美元，已成为光纤传感器的强电磁干扰和易燃易爆危险环境信息测量中的应用，生产工程传动与控制。24著名公司和大学如松下，三菱，东京大学已经在光纤传感器的早期研究。光纤电流表松下公司生产，电压表和光纤测温仪已投入市场，磁场测量极限可

20、达4700am，限制电压为220v，精度±l %，温度范围为- 10 + 40，精度±0.05。光纤压力传感器的接近光圈叶片或轻轨运动80年外调制光信号，由膜挤压光纤，光纤压力传感器的精度，其输出特性的变化是高达3%，线性度达4% 15%。目前美国诺斯罗普.格鲁曼公司研制的新型船身多阵列光纤陀螺和光纤水听传感器已经在美国海军“弗吉尼亚”级潜艇上应用。由于光纤声波传感器可以在军事中发挥重要的作用，因此外国对这项技术相当的重视，对一切关于这方便的资料都进行严密的封锁，这就造成了我国对于该项技术的研究要比其他国家晚。而且这项技术涉及到许多相关学科，对光电子工业的水平有较高的要求，

21、所以我国与西方发达国家的差距仍然很大。浙江大学在1997年研制了利用马赫-泽德干涉仪的光纤水声传感器，取得了较好的实验结果，据报道其灵敏度在待测信号为630hz时可到134db。国防科技大学和海军工程大学等科研院所都进行过较为系统的光纤水听器技术实验研究，尤其是水听器成阵试验4。九五期间我国科研机构进行了对耦合器的时分，光纤水听器的阵列与多元频分复用阵列等项目进行了研究，并取得了良好的实验结果。2003年，进行了对32元光纤水听器阵列的实验，在实验中进行了对于海洋石油探测和声波物理测量研究，并取得了可用性的结论。同时国内一些科研机构对其他类型的光纤声学传感器也进行了研究，香港理工大学、清华大学

22、、武汉理工大学、中山大学等大学进行了对将光纤光栅传感器用于温度、压力、声场传感的研究。这些实验研究为进一步进行光纤声学传感器系统研究奠定了坚实的基础，但要距离实际应用还有很长的路要走。1.3.3光纤声学传感器的发展方向随着光电子产业的发展和技术水平的提示，对光纤传感器提出了更高的要求，光纤声学传感器的发展方向主要有：1 全光纤便捷化，传感元件全部由一根光纤构成己成为光纤传感器发展的未来，全光纤传感器的结构简单可靠，体积小，损耗小。2 高精度、高灵敏度，对于水下声场测量的要求的日益提高，对光纤声学传感器精度与灵敏度的要求也在相应提高。3 智能化、网络化，随着光纤声波传感器的不断研究与发展，现在对

23、其实用性，便捷性，智能性的要求越来越高。1.4 课题的意义及主要研究内容1.4.1研究光纤传感器的意义与传统的各类传感器相比，光纤传感器具有独特的优点：光纤本身构成基本传感器，具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆以及不干扰被测场等特点；另外，光纤也可同时作为信号的传输系统，与传统的金属线路相比，具有抗电磁场的干扰、可靠性高、安全及可长距离传送等优点；并且便于与计算机连接、与光纤传感系统组成遥测网络；而且光纤传感器结构简单、体积小、重量轻。除此以外光纤还有可挠曲的优点，利用光纤可制成外形各异、尺寸不同的光纤各种传感器，有利于航空、航天以及狭窄空间的应用。光纤传感器对被测介质的影响小，这对于医药

24、生物领域的应用极为有利。因此光纤传感器在七十年代一经问世就受到人们的高度重视。到目前为止，光纤传感器已用于测量温度、压力、流量、位移、振动、转动、应变、速度、加速度、电流、电压、磁场以及辐射等上百余种物理量。可以说，光纤传感器能完成绝大多数传统传感器所不能完成的对各种物理量的测量，同时，在有些领域，如高温、高压、防爆、强腐蚀等一些特殊的环境下，它具有传统传感器不可替代的作用5。1.4.2主要研究内容随着科技的进步，光纤声学传感器技术已逐渐成熟，目前西方发达国家的干涉型光纤声学传感器技术已发展到一定水平，其非接触型、传感距离远、灵敏度高等优点已得到体现，在实际军事、工业等领域得到了广泛应用。我国

25、是一个海洋大国，对于这样一个具有很大军事应用价值的技术的实验研究是十分必要的。本文在己有研究成果的基础上，做了一下几方面的工作：1介绍了干涉型光纤传感器的原理和干涉型光纤传感器相位调制原理。2 提出了一种光纤声学传感器的光路设计方案，通过分析选取适用的光源，pzt探头，耦合器，及消除偏振衰落的方法。3 对所设计的光路进行试验，分别适用了宽带光源与半导体激光器对光路进行了验证，并作出了输入与输出波形的对比。4 使用optisystem对光路进行了仿真，再次对比了输入与输出波形。第二章 干涉型声波传感器的设计原理2.1 几种干涉仪基本原理 两束相干光束即，信号光束和参考光束，同时照射在一光电检测器

26、上，光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系，通过干涉现象能把光束之间的相位差转变为光强的变化，实现外差检测。2.1.1几种常见的干涉仪1. 迈克尔孙干涉仪基本原理图2.1迈克尔逊干涉仪原理图图2.1所示是普通迈克尔逊干涉仪原理图。激光器输出的单色光由分束 器分成光强相等的两束光。其中一束射向固定反射镜，然后反射回到分束器，被分束器投射的那一部分光由光探测器接受，被分束器反射的那部分返回到激光器。激光器输出的经由分束器投射的另一束光入射到可移动反射镜上，然后反射回分 束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器，另一部分经分束器投射，返回到激光器。当两个反射镜到分束器间的光程差小于激光器的相干长

27、度时，射到光探测器上的两个相干光束便产生干涉，干涉光强由公式确定，两束相干光的相位差为 (2.1)式中，0 是光在空气中的传播常数,2l是两束相干光的光程差。由式(2.1)和式(2.2)可知，可移动反射镜每移动长度，光探测器的输出就从最大值变到最小值，再变到最大值，即变化一个周期。在许多环境比较恶劣的条件下，如水声探测器和地下核爆核查测试等，为了克服空气受环境条件影响所导致的空气光程的变化，一般采用全光纤干涉仪结构 来保证测量的准确性与高灵敏度6。2.mach-zehnder干涉仪基本原理马赫-泽德尔干涉仪与迈克尔逊干涉仪有一些相似之处。同样，从激光器输出的光束先经分束器分成光强相同的两束光，

28、经过不同的路径后再合成。两束光由可移动反射镜的移动引起相位差，并在光探测器上产生干涉。这种干涉仪也能探测小至l0-13m的位移。这种干涉仪具有与迈克尔逊干涉仪不同的独特优点，它没有或很少有光返回到激光器。返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。此外，由图2.2可以看到，从分束器2向上还有另外两束光，一束是上面水平光束的反射部分，另一束是垂直光束的投射部分。如果需要，也可以用这两束光的干涉光强获得第二个输出信号，这在一些应用上是很方便的。图2.2 马赫-泽德干涉仪原理图3赛格纳克干涉仪基本原理 应用sagnac效应的sagnac干涉仪是一种高精度的干涉仪。它的原理图如图2.3所

29、示 这种干涉仪的特点是，激光束分为反射和透射两束沿方向相反的闭合光路传播，最后汇合到分束器回到探测器。在这种干涉仪中，任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动，两束光的变化皆相等，因此接收端探测不到光强变化。它的优势在于，因为两束光处在相同的环境中，所以可以屏蔽外界环境对光路的影响，即具有互已性7。图2.3萨格纳克干涉仪原理图 论光在折射率为的光路中的传播。当光路未旋转之前，两束光在光路中的传播速度均为。当有角速度q(设为顺时针方向)输入时，两束光的传播速度不再相等，根据洛仑兹一爱因斯坦速度公式变换式，可得沿顺时针、逆时针传输的两束光的速度分别为： (2.2) (2.3)在此情况下，两束沿相反方向

30、传输的光束绕行光纤环一周的时间分别满足下列关系： (2.4) (2.5)将式(2.4)、(2.5)分别代入式(2.6)、(2.7)中，得 (2.6) (2.7)故 (2.8)由上式可以看出，在介质中沿相反方向传输的两束光绕光纤环一周的时间差与在真空中的情况完全相同，故在折射率为n情况下，产生的光程差为： (2.9)式中，c为光在介质环路中的传播速度8。若光纤环的长度为l，绕成半径为r的圆环，则有，的值为： (2.10)两束光之间由光程差产生的相位差为 (2.11)式中，为波矢量9。4法布里-泊罗干涉仪基本原理图2.4为法布里-泊罗干涉仪原理图。它由两块部分反射、部分透射、平行放置的反射镜组成。

31、在两个相对的反射镜表面镀有反射膜。其反射率通常达95以上。由激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个相对的反射镜表面做很多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接受。这种干涉仪与前几种干涉仪的根本区别是，前几种干涉仪都是双光束干涉，而法布里-珀罗干涉仪是多光束干涉9。图2.4法布里-泊罗干涉仪原理图根据多光束干涉的原理，探测器上探测到的干涉光强变化为 (2.12)式中，r为是反射镜的反射率，为是相邻光束间的相位差。由上式可知，当反射镜的反射率r值一定时，透射的干涉光强随变化。当 (n为整数)时，干涉光强有最大值；当 (n为整数)时，干涉光强有最小值 (2.13)这样，透射的干涉光强的最大值与最小值之

32、比为 (2.14)可见，反射率越大，干涉光强变化越显著，即有高的分辨率，这是法布里-珀罗干涉仪最突出的特点。通常，可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率，使干涉测量有极高的灵敏性10。2.1.2光纤干涉仪的特点分析 前面介绍的干涉仪有一个共同点：它们的相干光均在空气中传播。由于空气受环境温度变化的影响，会引起空气折射率的扰动及声波的干涉。这将导致空气光程的变化，造成工作的不稳定，降低精度。利用单模光纤作干涉仪的光路，就可以排除这些影响，并可克服加长光路对相干长度的严格限制，从而制造出千米量级的光路长度的光纤干涉仪。这种全光纤结构不仅避免了非待测场的干扰影响，而且免除了每次测量要调光路准

33、直等繁琐的工作，容易准直且干涉仪是封闭式的光路，不受外界干扰。使其更适于现场测量，更接近实用化。在上述基本原理中，容易搭建光纤干涉仪。图2.5所示为四种不同类型的全光纤干涉仪结构迈克尔逊干涉仪这种传感器的特点是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小，同时光的发出与接收在同一侧，属于单端操作。 法布里-泊罗干涉仪传感器的特点是采用单根光纤，利用多束光干涉来检测应变。避免了前两种传感器所需双根光纤配对的问题，且比迈克尔逊干涉仪更适合于低频率应变信号的测量。当中光纤中的光遇到光纤两端面后分别产生两束反射光，这两束反射光相遇后产生干涉。当法布里腔腔长发生变化，两反射光的相位差也随之变化，因此光

34、电探测器输出的电信号随应变的变化而变化。这种光纤传感器的分辨率很高，充分体现光纤的质轻，灵敏度高的特点，但用于计算时抗干扰能力差，传感头的制作复杂13。萨格纳克干涉仪传感器是光纤传感器中光相位调制型传感器，多用于物理旋转状态的测量，也用于时变信号的测量。其具有互易性的特点，光程差为0，对光源要求较低，可使用高功率的宽带光源，更适于长距离管道检测。光纤马赫-泽德与迈克尔逊干涉仪的不同在于，信号光纤在被测环境中，而参考光纤可在其他环境中。光的发射与接收在传感器的两端，属于双端操作。随着光纤技术的成熟，基于全光纤的马赫-泽德干涉仪具有损耗小，频率响应范围宽，原理简单，技术成熟，检测灵敏度高，与光纤的

35、兼容性好，具有梳状波特性等优点而在波分复用光纤通信系统和光纤传感等方面有重要的应用价值。图2.5(b)为马赫-泽德双光束干涉仪原理图。激光器输出的激光经3db耦合器分离成两束，分别经过参考臂与信号臂，再经另一个耦合器进行干涉，输出端经光电探测器转换为电信号。探测器处得到的电场可表示为： （2.15）其中是光源的电场矢量，随时间变化，、分别为第i个耦合器两端口的分光比，、表示光波从激光器发出分别经信号两臂到达光电探测仪的时间，、分别表示光波分别经信号两臂传输所产生的相位延时。由于耦合器两端口有的相位延时，因此有 （2.16）探测器处的光强可利用下式计算： （2.17）(a) 光纤迈克尔逊干涉仪(

36、b)光纤马赫-泽德干涉仪(c)光纤法布里-泊罗干涉仪(d)光纤萨格纳克干涉仪图2.5各种光纤干涉仪结构简图将（2.15）以及（2.16）带入（2.17）得到： （2.18）用光强表示及，光源的相干强度可表示为： （2.19） （2.20）干涉条纹可见度为： （2.21）将其带入（2.18）式可得： （2.22）其中 由上述分析可知，干涉条纹的可见度与干涉仪两臂相对光强有关，并且与光源相干强度成正比。由 (2.22) 式可知，马赫-泽德干涉仪光相位变化可转化为外部信号导致的光强度的变化，光电转换器将光转换成电信号，信号处理，它可以提取的声学干扰信号的仪器的影响。马赫-泽德光纤干涉仪的典型应用有光

37、纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤加速度传感器、利用磁致伸缩材料的光纤磁场(电流)传感器以及光纤超声测量。2.2 干涉型光纤声波传感器声场调制原理光纤的总的物理长度，光纤内的折射率，还有光纤的分布方式，是光波在光纤中传输是相位的三个决定因素。这里假设光纤波导中传输的激光是单频的，其在空气中波长为。假定光纤折射率分布随外界环境变化保持恒定，下面将分析由上述的三种因素的变化而引起的光波相位变化。在了解外界信号作用的光纤上的值后，可以模糊计算出光纤对外界信号产生串扰的相位准确度。激光通过长度为l的光纤，出射光波相位延迟为： （2.23）其中c为真空中光速，n为光纤纤芯折射率，l为光纤的长度，为激光频

38、率；由于光纤长度，纤芯折射率及激光频率的变化都会引起光波在光纤中传输时相位的变化，因此可得： （2.24）声场的产生的压力作用于光纤会在三个方面引起相位的变化：光纤长度发生变化，会导致光波相位变化；光纤的直径的数值发生改变时，能够产生横向改变，导致波数发生改变，使光波相位改变；光纤的纵横向应变将出现光弹效应，导致纤芯折射率发生变化，使相位发生改变 15。因此，设，为光在真空中的波数，k为光在介质中的波数，带入式（2.11）可得： （2.25）计算可得： （2.26）由光弹效应，单模光纤中横向性质可得： （2.27）其中、为光弹系数，是由光纤材料决定的，将其带入（2-26）可得： （2.28）该

39、式是干涉型光纤传感器受声场相位调制原理的理论基础 14。 第三章 干涉型声波传感器光路设计3.1干涉型声波传感器光路总体设计干涉型声波传感器的光路设计采用马赫-泽德干涉仪的传感器设计，其结构如图3.1。激光器产生的激光通过耦合器进入干涉仪的参考臂和传感臂，使用信号发生器与功放影响对参考臂上的传感器测量探头进行外接声压作用，使其上的裸光纤产生形变。两路光经过反射后再通过耦合器进行干涉。最后，将干涉仪输出的光信号通过光探头转换为电信号，进行处理15。图3.1 干涉型声波传感器光路原理图3.2 干涉型声波传感器光路器件的选择3.2.1 干涉型声波传感器光源的选取由于干涉型光纤声学传感器是通过光波干涉

40、的原理将包含在光波相位中的待测信号解调出来，因此对传感器光路中选用的光源最重要的要求就是光源的谱线很窄，需要具有良好的相干性，这样才能发生双光干涉，才能进行对干涉信号进行处理。在研究过程中，有三种光源可供选择，一、he-ne激光器（波长630nm）其相干性最好，但激光耦合较为困难且体积庞大。二、普通半导体激光器（波长640-660）易于进行激光耦合，体积小巧，但相干性较差且功率不稳定。三、通信用半导体激光器（波长1550nm）相干性较好，易于激光耦合。经过研究和实验对照，最后方案选择对声音敏感度高且耦合方便的通信用半导体激光器作为光源。3.2.2光纤耦合器的选择光纤耦合器是一种用于传送和分配光

41、信号的无源器件。通常，光信号由耦合器的一个端口输入，而从另一个端口或几个端口输出。其特点是器件的主体是光纤，不含其它光学元件；通过光纤中传输模式的耦合作用来实现光的耦合功能；光信号的传送方式是固定的。耦合器的基本功能就是把一个光纤信号通道的光信号传送到另一个信道。因此，依据耦合器的传送信号的方式可分为如下几种：l、透射型m×n耦合器：由输入一侧的m个端口中的任何一个端口进入的光信号都将按一定的比例分配至输出一侧n个端口输出，输入一侧的各端口之间是相互隔离的，输入侧与输出侧可以相互交换而不影响器件的特性。2、反射型i×n耦合器：由n个端口中任何一个端口输入的光信号都将按一定的

42、比例分配至其他端口输出。3、透反型m×n耦合器：它实际上兼有透射和反射型两种耦合器的功能，即当由n个端口中的某个端口输入时，将从其他所有端口输出(反射型)；当由m个端口中的某个端口输入时，将只从另一侧n 个端口输出，而同侧端口之间相互隔离(透射型)在光纤传感器的干涉仪中，光耦合器起着分束与混合光信号的双重作用，使干涉仪得以实现，它是构成本设计方案所用的马赫-泽德光纤干涉仪的重要组成部分。本实验采用的耦合器，两只均为2×2路的1550nm波段的3db耦合器。设计分光比50/50，实际测试分光比49/50，插入损耗最大为0.8db。3.2.3传感臂探头的选择设计高灵敏度的探头是

43、光纤声波传感器的关键技术之一，为了增大声压对光纤形变的影响效果，在进行传感器探头的选择时，选择一个空心的压电陶瓷（pzt）。压力陶瓷，是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。其原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差，反之施加电压，则产生机械应力。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频生信号。所以在这个柱面上缠绕一圈或多圈光纤，并在其径向或轴向施加驱动信号，由于pzt的直径随驱动信号变化，随意缠绕在其上的光纤也随之伸缩。光纤受到压力，光波的相位将随之发生信号变化。3.2.4消除偏振衰落的方法干涉型光纤传感器的原

44、理为双光干涉，而发生干涉的重要条件之一就是参与干涉的两束激光偏振方向一致。偏振光在普通单模光纤中传输会引起在纤芯中传输激光偏振态发生不恒定变化，使输出干涉条纹的变的迷糊不清，同时会减小要测量的信号的幅值变小，或者变为0值。为了提高系统的稳定性和灵敏度，需要使用一些手段来消除偏振衰落现象的影响16使用分集检测技术消除干涉型光纤传感器偏振衰落是常用的一种方法，其原理图如图3.2 所示。将干涉仪输出激光通过透镜扩束，再通过均匀分隔的3个偏振膜，各偏振膜角度相差60度，再分别进入3个光电探测器；由3个光电探测器分别检测不同偏振态下的信号17。3路检测的结果总有一路能够得到可见度大于零的干涉信号。若在下

45、面的系统中使用自动增益控制电路，就可以通过降低信噪来得出一段偏振态有规律变化的输出信号。图3.2 分集检测技术原理图这种方法可实时进行，不需要人工干预，目前已在系统中应用。但该方法最少需要3路探测器同时进行检测，系统实现价格比较高。使用法拉第旋转镜来消除偏振衰落，也是目前使用比较多的方法。做法就是在干涉仪的末端加单程旋转角为45度的法拉第旋转镜，从而使干涉仪两臂偏振的随机变化互相抵消。可使经参考臂与传感臂返回的激光具有相同的偏振方向，干涉信号可见度始终保持为l。法拉第旋转镜由尾纤、光纤准直器、磁套管、法拉第晶体和反射镜组成的，其结构如图3.3所示。图3.3 法拉第旋转镜结构3.3 干涉型声波传

46、感器光路的性能分析假设输入光的电场为，经3db耦合器，上光臂 ,下光臂 ,经过延时后，于是光臂的相位差，上光臂变为,。所以经过第二个耦合器输出的电场为： （3.1）可求得输入光强 （3.2）输出光强 （3.3）求得输入光强与输出光强后即可求得透射率t,透射率是出射光功率与入射光功率之比： （3.4）所以经分析得，从干涉仪透过的光强的透过率只与 有关。 第四章 干涉型声波传感器系统实现4.1 干涉型声波传感器系统实现4.1.1系统干涉结构实验结果分析4.1.1.1 宽带光源干涉输出在进行实验时，首先选用了宽带光源进行试验，当采用宽带光源时，其输出的的图样如图4.1所示。从该图可以看出，该传感器对

47、宽带光源的输入信号有较好的响应。图4.1 宽带光源 然后，我们对这样的宽带光源进行干涉，经过耦合器，m-z干涉仪的作用，可以看到波形得到了较好的还原，一些误差可能来自外界的噪声或电压。如图：4.2,4.3所示图4.2干涉结果图4.3干涉局部放大图样由于信号发生器材料限制，实验时我们选择了压电陶瓷进行模拟，在压电陶瓷上外加电压，实验结果如图4.4所示。结果发现，当电压发生变化时，输出波形也会随之发生改变。图4.4上加上电压时干涉图样4.1.1.2 dfb-ld光源干涉输出 当系统采用dfb-ld半导体激光器时，其光源输出图样如图：4.5所示图4.5半导体激光器光源经过系统后，其干涉图样如图4.6

48、所示图4.6半导体激光器经干涉后图样4.1.2误差分析(1)光源的影响由于光源老化等问题，其光功率和波长可能发生变化，光功率的变化将引信号强度的变化:波长的变化将导致应力应变效应相位延迟的变化，由此将带来测量误差。(2)干涉仪的影响实验所采用的为马赫-泽德光纤干涉仪结构，应该要求干涉仪两路光完全对称。由于实验中两臂长度略有差别，因此对外界环境各种干扰信号的反应不完全一致，有一定的误差。并且实验所采用的耦合器经过测量发现，其分光比并不完全是1:1，因此两路光的输出强度也会有一定的误差。(3)偏振态影响由于马赫-泽德干涉仪属于双光束干涉，因此对于偏振态要求比较高，当两束光偏振态完全正交时，输出信号

49、为零。因此要保证输出的稳定，必须使偏振态不能随机变化。可采用保偏光纤及保偏光纤耦合器减小偏振态的随机影响。(4)光纤折射率的变化引起的误差在对该测温系统进行计算时，视光纤折射率为一常数，然而事实上，光纤的输出波形不仅是波长的函数，而且光纤的折射率随环境温度t而变化，这样也必然会给测量结果带来误差。4.2 系统仿真结果分析4.2.1 optisystem系统光通信系统正变得越来越复杂。这些系统通常包括多个信号通道，和不同的拓扑结构，一个非线性器件，和非高斯噪声源，它们的设计和分析是相当复杂的，需要花费相当大的劳动。国家的最先进的软件工具，使这些系统的设计和分析，迅速和有效。 optisystem

50、的是一个创新的光通信系统仿真软件包，它结合了各种类型的宽带光网络物理层的虚拟光连接器的功能于一身，长途通信系统局域网和大厦的设计，测试和优化。基于实际的光纤通信系统模型的系统级模拟器，optisystem的，具有强大的模拟环境和真实的层次定义的组件和系统。它的性能可以通过额外的用户的移动设备将扩大到成为一种广泛使用的工具库和完整的接口。综合图形用户界面控制光子器件的设计，设备的型号和示范。有源和无源器件，包括物理参数与波长有关的巨大的图书馆。扫描和优化的参数允许用户研究的特定的移动设备对系统性能的参数。为了满足系统设计的要求，光通信工程师，研究人员和学术界的，optisystem可满足光子市场

51、的快速发展的需求，是一个功能强大且易于使用的光学系统设计工具。投资风险的优势迅速在市场上显着减少，速度快，成本低的原型，全面了解系统性能，计算机辅助设计公差参数，参数敏感性评价，直观的面向用户的设计方案和脚本，直接进入大型系统提供的数据，参数自动扫描和优化应用optisystem可允许任何类型的虚拟物理层光学连接的长途通信和宽带光网络分析城域网和局域网。它的广泛应用，包括：物理层设备级到系统级的光纤通信系统的设计，catv，tdm / wdm网络的设计，sonet / sdh环的设计，设计的发射机，信道，放大器和接收器，色散图的设计评估接受模式的误码率（ber）和系统成本（点球），扩增系统的误

52、码率和链路预算的主要特点。本文仿真实验中用到的仿真模块有： 连续激光器（cw laser）：产生光信号正弦信号，用来模拟参考波和调制波波形图分析器，用来观察信号波形m-z干涉仪，用于对光源进行干涉光时域可视化工具，观测输出功率 光学频谱分析仪（optical spectrum analyzer）：观察频谱4.2.2仿真结构框图干涉型声波传感器光路在系统optisystem仿真结构框图。如图：4.8所示。图4.8 optisystem仿真结构框图仿真系统中cw激光光源的参数设置为光源中心频率为1552nm，线宽10mhz，其光谱图如图4.9所示图4.9 cw激光光源 m-z干涉仪调制输入信号为频

53、率为1ghz的正弦信号，波形如图4.10所示图4.10 1ghz正弦信号波形 m-z干涉仪输出时域信号如图4.11所示图4.11 干涉时域信号m-z干涉仪输出光谱信号，如图4.13所示。由图可知，干涉后有明显的干涉条纹，光谱中有新的频谱成分，频谱间隔是以调制信号的频率进行了频谱的搬移。图4.12 m-z干涉仪干涉输出第五章 总结与展望干涉型声波传感器的核心技术是光纤传感器，通过外界因素使光纤中传输的光发生相位变化，进而改变干涉光的强度来达到测量目的1本文通过马赫-泽德全光纤干涉仪，通过出现的不同相位差来测量所想测量声音信号的频率，并进行数学推导，为后面的研究打下了基础。2本文提出了一种干涉型声

54、波光纤传感器的光路设计方案。通过分析，选取了适合的光源，增敏的传感臂探头，以及一种利用法拉第旋转镜来消除偏振衰落现象的方法。3从两个方面对干涉型声波传感器系统进行了分析：第一，从贝塞尔函数的方面分析了相位载波幅值对系统稳定性的影响，选取了相位载波幅值的最优取值为2.4；第二，通过分析得出了影响动态范围的因素，在此基础上得出了待测信号频率与最大可测量信号幅度的关系。得出的结论对实际的光纤声学传感器设计和性能的改善有较大的参考意义。本课题在研究过程中还存在一些问题，针对这些问题这里提出了一些改进的措施和未来研究的方向，主要有：1本系统的光纤传感器在其可测试范围内，对所要测量的频率和声压级都能显示出良好的效果，但本系统对于高频声波的测量会出现误差，这主要是因为系统的设备的，如，传感臂探头的固有频率。在后续的实验中我们可以通过使用良好材料的或更加厚实的探头，从而改变其共振频率，是测量的范围增加。2增加测量声波频率范围，我们还可以通过多缠绕探头的光纤的圈数。同时，在提高测量范围和准确度是，外界中的噪声会成为严重的干扰，未来的实验应该对将要进行的测量声波降噪，这样就可以使检测声波更加的清晰，使结果更加的准确。我国光纤传感器方面的研究工作起步比较晚，因此同国外先进水平相比还有很大差距。近年来通过不断的