[發明專利]基于瑞利散射的反饋式光纖空氣聽聲系統

在審

• 申請號: 201710223128.8
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN106840364A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 劉浩宇;高佩瑤;張潔;任晉原
• 申請（專利權）人: 光子瑞利科技（北京）有限公司
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00;G06F17/50;G06N3/08;H04R7/18;H04R31/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光纖聽音、安防領域，特別是涉及一種基于瑞利散射的反饋式光纖空氣聽聲系統、裝置。

背景技術

國內外現有的電子聲音傳感器已經較為成熟，但存在不抗電磁、射頻干擾等缺陷。應用存在局限性。國內現有光纖聲音傳感器大致都處在實驗階段，而且實驗效果不太理想。從采用的光源形式上看,現有的光纖聲音傳感器實驗主要采用半導體二極管作為發光光源,但半導體二極管發射譜線寬、在光纖中色散大、響應速度低、發散角大、與光纖耦合效率低。用于光強調制的振動膜片主要采用鍍鋁膜片,其靈敏度受到一定限制。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種基于瑞利散射的反饋式光纖空氣聽聲應用的系統和方法。通過光纖中瑞利散射的反饋光的反射強度調制，利用理論推導和有限元分析的方法對輕質薄膜進行參數分析，得出振動薄膜的優化設計方法。運用神經網絡補償法對光源功率變化、光纖傳輸損耗變化、電探測器的特性漂移和環境光等因素的影響進行補償。能夠實現空氣中聲音的精確監聽，提高監聽的準確性。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：光纖振動膜片的設計。

其中，所述振動膜片設計的步驟包括：振動膜片固定方式和材料選擇。首先，本發明振動膜片采用是周邊固支薄膜的安裝方法。具體為四周強力粘結和壓緊固定,周邊固支的圓形薄膜的受到均勻分布聲音壓力。邊固支的圓形薄膜的受到均勻分布聲音壓力作用時,可以看成小撓度平板彎曲,其沿厚度方向即:法線方向位移最顯著,且與厚度方向的坐標無關。在材料的選擇上可以使用超高反射率反射片(ESR)作為反射薄膜，該材料具有高彈性模量、低密度、無需再進行鍍膜等優點。

其中，所述振動膜片設計，還應有振動膜片的有限元分析優化。采用有限元方法對振動薄膜進行優化設計，可以大大降低工作量。所以振動膜片的有限元分析優化步驟包括：建立圓形平薄膜模型,根據薄膜直徑大小繪出薄膜的幾何圖形,設置材料的屬性。選擇結構分析類型。施加載荷與約束,對于周邊固支薄膜,施加的載荷只有聲音壓力,約束為周邊各點位移為0。在反饋式光纖空氣聽聲系統中，根據振動薄膜的有限元分析優化，實現高可用振動膜片，提高系統靈敏度。

其中，為解決開頭所述問題，在光纖震動膜片完善后。本發明采用的再一個技術方案是采用神經網絡補償法來降低外界對檢測結果的干擾。反饋型光纖空氣聽聲的測量精度受到光源功率變化、光纖傳輸損耗、光電探測器的特性漂移等影響。神經網絡補償法將調試重點放在穩定光源功率和消除外界干擾上，該方法用于光纖傳感器中的回收的信號處理，通過大數據學習，進而降低光源功率的波動幅度和智能識別回收信號，穩定聲音頻率。

其中，所述神經網絡的光強調制特性分析，對于基于瑞利散射的反饋式光纖聽聲來說，纖端光場強度的分布十分重要，直接關系到光強調制特性，故本發明對纖端光場強度的分析包括：許多光纖同行認為纖端光場是由光強沿徑向分布的平面波和光強沿徑向高斯分布的高斯光束兩部分構成。實際上纖端光場既不是純粹的高斯光束，也不是純粹的均勻分布的幾何光束。是這兩者的相互調和，因此出現了兩個無量綱調和參數，并給出高斯半寬的的修正結果為:

其中，ξ為與光源種類、光纖的數值孔徑及光源與光纖耦合情況有關的綜合調制參數。經過推導得到纖端光場分布形式:

其中，所述光強特性的纖端光場強度分布模型簡化，本發明采用一根單模光纖作為發射和接收，單模光纖具有傳輸損耗小，可進行遠距離測量，靈敏度更好的諸多優點。光纖按照光纖傳輸的模式理論，單模光光纖在穩態情況下只允許一種模式(基模)在其中傳播，其余的高次模全部截止。在光纖端面上，光纖端面處的光強表達式為:

當在ρω處，光強下降為中心處光強，即單模光纖的模場直徑就定義為ω。

附圖說明

圖1是本發明采用的振動膜片位移示意圖；

圖2是本發明采用的振動膜片靈敏度和膜片厚度的關系；

圖3是本發明在真實環境中采集并計算出的Sr和Sp的時域信號；

圖4是本發明光纖聲音傳感器系統框圖。

具體實施方式

以下描述中，為了說明而不是為了限定，提出了諸如特定系統結構、接口、技術之類的具體細節，以便透徹理解本申請。然而，對光纖聽音領域熟悉的同行人員來說，在沒有這些具體細節的其它實施方式中也可以實現本申請。在其它情況中，省略對大家熟悉的裝置、電路以及方法的詳細說明，以免不必要的細節妨礙本申請的描述。

請參閱圖1，圖1為振動膜片位移示意圖，包括：