[發(fā)明專利]一種基于UPD低噪聲光電探測器的光纖聲學(xué)傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710261137.6
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN107144338B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳毅;張軍;紀京召;費騰;李建成;平自紅;賈廣慧
• 申請（專利權(quán)）人: 中國船舶重工集團公司第七一五研究所
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 杭州九洲專利事務(wù)所有限公司 33101
• 代理人: 陳繼亮

本發(fā)明涉及一種基于UPD低噪聲光電探測器的光纖聲學(xué)傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)，主要由光纖聲學(xué)傳感器、抗干擾屏蔽裝置、光信號探測及采集處理子系統(tǒng)三部分組成，光信號探測及采集處理子系統(tǒng)包含UPD低噪聲光電探測器、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號采集處理機，采用UPD低噪聲光電探測器把光纖聲學(xué)傳感器的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換該電信號，最后信號采集處理機將光干涉信號的數(shù)字化信號進行數(shù)字相位生成載波解調(diào)處理，從而實現(xiàn)對光電聲學(xué)傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計量測試領(lǐng)域，具體屬于光纖傳感器參數(shù)計量領(lǐng)域，主要是一種基于UPD低噪聲光電探測器的光纖聲學(xué)傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)。

背景技術(shù)

由于光纖聲學(xué)傳感器所具有的獨特優(yōu)越性，它在監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，其中，應(yīng)用在水聲領(lǐng)域的光纖傳感器稱為光纖水聲傳感器及其陣列。光纖聲學(xué)傳感器是一種新型的傳感器，相對于傳統(tǒng)的壓電聲學(xué)傳感器，光纖聲學(xué)傳感器具有探測靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)輕巧、抗電磁干擾和易于大規(guī)模成陣等特點，是現(xiàn)代聲學(xué)傳感器的一個重要發(fā)展方向。所以，多國紛紛投入大量人力和財力進行有關(guān)光纖聲學(xué)感器的研究和試驗，已經(jīng)開展工程應(yīng)用。

光源輸出的激光經(jīng)過耦合器后分為兩束，分別進入干涉儀的兩臂。一條臂繞在金屬骨架上作為參考臂，由于金屬骨架材料的楊氏模量很大，因此參考臂不受外界聲壓場的作用，可用來消除聲壓以外的其他量對光干涉相位的影響。另一條臂繞在剛性體外面的彈性增敏層上作為傳感臂，當光纖探頭處于外界聲壓場時，由增敏層變形導(dǎo)致纏繞光纖的長度變化，在光纖光彈效應(yīng)的共同作用下導(dǎo)致傳感臂中傳輸光的相位發(fā)生變化。兩束光經(jīng)光纖端面反射后，回到耦合器處進行干涉，對干涉信號進行檢測和處理，就可獲得相位差，從而得到聲場信息。

動態(tài)范圍即最大可測信號與最小可測信號之間的范圍，是傳感器的重要參數(shù)，其嚴重制約著傳感器的適用性，關(guān)系到光纖傳感器實用化的主要性能指標。傳統(tǒng)壓電水聲接收器的動態(tài)范圍一般為60dB，稍好的可達80dB～90dB，而光纖傳感器的動態(tài)范圍可以達到100dB以上。如何提高動態(tài)范圍已成為光纖傳感器研發(fā)的一個重要課題。但其前提是準確測量和校準干涉型光纖聲學(xué)傳感器的動態(tài)范圍。等效噪聲壓譜級的數(shù)值就是最小可測聲信號，也即動態(tài)范圍的下限。因此，等效噪聲壓譜級的準確測量也是獲知傳感器動態(tài)范圍必不可少的。

沒有外界聲源的情況下，光纖聲學(xué)傳感器輸出的干涉信號在某頻段內(nèi)電噪聲的電壓級L_U減去該頻段內(nèi)的有效自由場靈敏度級M_eff，再將它歸一化到1Hz，就可得到光纖水聲傳感器的等效噪聲壓譜級L_ps。其計算公式如式1所示。

L_ps＝L_U-M_eff-10lgΔf 1

式中，Δf是光纖水聲傳感器的測量帶寬；等效噪聲壓譜級L_ps的基準值為1μPa。

準確獲得等效噪聲壓譜級L_ps的首要前提是已知等效噪聲壓電壓級L_U和光纖水聲傳感器的有效自由場靈敏度級M_eff。光纖水聲傳感器的有效自由場靈敏度級M_eff可以通過多種方法獲得，而等效噪聲壓的電壓級L_U的獲取有特殊的要求。光纖傳感傳感器的自由場靈敏度級M_eff采用與已知靈敏度的標準水聽器進行比較的方式校準得到。

為了推動光纖聲學(xué)傳感器的實用化進程，迫切需要解決其等效噪聲壓譜級的精確校準問題。目前，我國還沒有建立專門的光纖聲學(xué)傳感器的等效噪聲壓譜級測量方法，國內(nèi)僅在GB/T4128-1995《標準水聽器》附錄中，推薦采用真空罩的方法來測量水聽器的等效噪聲壓譜級。但是對于具體的測量系統(tǒng)構(gòu)成和關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)卻沒有更多的描述。因此，需要建立專用的光纖聲學(xué)傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)，解決其校準和性能評估問題。

發(fā)明內(nèi)容