[發明專利]一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測系統及方法

有效

• 申請號: 201711233282.X
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108051400B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 陳珂;于清旭
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測系統，其特征在于，包括光聲激發光源（1）、光調制器（2）、光聲池（3）、光纖傳聲器（4）、寬帶掃描激光光源（5）、光纖環形器（6）、高速波長查詢模塊（7）、鎖相環（8）、方波信號發生器（9）、數字信號處理器（10）和計算機（11）；

所述的光聲激發光源（1）與光聲池（3）之間設置光調制器（2），光聲激發光源（1）發出的激發光經光調制器（2）調制后入射到光聲池（3）；所述的光纖傳聲器（4）安裝在光聲池（3）上，用于探測光聲池（3）內氣體分子吸收產生的聲波信號；所述的光調制器（2）的輸出方波信號傳輸至鎖相環（8），所述的鎖相環（8）的輸出信號分別輸入到方波信號發生器（9）和數字信號處理器（10）；所述的數字信號處理器（10）為鎖相環（8）提供反饋信號；所述的數字信號處理器（10）控制方波信號發生器（9）產生的方波信號分別傳輸至寬帶掃描激光光源（5）和高速波長查詢模塊（7）；所述的寬帶掃描激光光源（5）發射的寬帶掃描激光經光纖環形器（6）后入射到光纖傳聲器（4）；所述的光纖傳聲器（4）的反射光再經光纖環形器（6）入射到高速波長查詢模塊（7）；所述的數字信號處理器（10）讀取高速波長查詢模塊（7）的光譜數據后，實現鎖相放大功能；所述的計算機（11）與數字信號處理器（10）相連，用于設置數字信號處理器（10）的工作參數并對數字信號處理器（10）輸出的光聲信號測量幅值進行采集、處理和顯示。

2.一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測方法，其特征在于，將基于光纖掃描激光干涉儀的法布里-珀羅腔長高速同步解調技術與鎖相放大技術結合，實現對微弱光聲信號的高靈敏度與高穩定性探測；

具體步驟如下：

首先光調制器（2）對來自光聲激發光源（1）的激發光進行強度調制后，入射到光聲池（3）中；光聲池（3）中的氣體分子吸收光能后發生無輻射躍遷，躍遷產生的熱能使氣體發生周期性運動并形成聲波；然后聲波作用于光纖傳聲器（4），使法布里-珀羅腔長隨之發生周期性變化；同時，鎖相環（8）對光調制器（2）輸出的方波信號進行相位鎖定，產生同頻信號與倍頻信號，其中同頻信號輸入到數字信號處理器（10）作為鎖相放大器的參考信號，倍頻信號則為方波信號發生器（9）提供主時鐘，數字信號處理器（10）控制方波信號發生器（9）產生的TTL觸發信號分別對寬帶掃描激光光源（5）和高速波長查詢模塊（7）進行同步波長掃描控制和同步光譜采樣控制；寬帶掃描激光光源（5）發射的寬帶波長掃描激光經光纖環形器（6）后入射到光纖傳聲器（4）；從光纖傳聲器（4）反射的干涉光再經光纖環形器（6）入射到高速波長查詢模塊（7），高速波長查詢模塊（7）采集入射光的光譜信號；數字信號處理器（10）通過高速通信接口讀取高速波長查詢模塊（7）的光譜數據后，對光譜進行濾波和光譜域-頻域變換預處理后采用快速相位解調法，實現法布里-珀羅腔長的動態測量；進而，數字信號處理器（10）將法布里-珀羅腔長測量值與同頻率的參考信號進行互相關運算，實現鎖相放大功能，提高光聲信號檢測的信噪比；計算機（11）設置數字信號處理器（10）的工作參數，最后計算機（11）對數字信號處理器（10）輸出的光聲信號測量值進行采集、處理和顯示。

3.根據權利要求2所述的一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測方法，其特征在于，所述的光聲激發光源（1）是用于氣體檢測的窄線寬激光器；所述的光調制器（2）是光學斬波器；所述的光聲池（3）是非共振光聲池或者一階縱向共振光聲池；所述的光纖傳聲器（4）是基于光纖法布里-珀羅干涉儀結構的膜片式傳聲器，對低頻聲波信號具有較高響應度；所述的方波信號發生器（9）產生占空比為50%的TTL信號，輸出頻率范圍10Hz-200Hz。

4.根據權利要求2或3所述的一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測方法，其特征在于，所述的寬帶掃描激光光源（5）是一種掃描激光光源，譜寬大于20nm。

5.根據權利要求2或3所述的一種掃描激光干涉型光纖聲波鎖相探測方法，其特征在于，所述的高速波長查詢模塊（7）是一種具有光波長高精度和快速標定功能的模塊，工作于外部觸發同步采樣模式，采樣頻率是光調制頻率的M/N倍，其中M和N是整數，且M/N大于2。