[發(fā)明專利]光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器任意工作點(diǎn)非線性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910403485.1
• 申請(qǐng)日: 2019-05-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110044464B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王代華;王杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): G01H9/00
• 分類號(hào): G01H9/00
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

1.一種光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器任意工作點(diǎn)非線性聲壓解調(diào)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)獲取反射譜：關(guān)閉超聲換能器，保證超聲波未作用到光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器上，記錄系統(tǒng)輸出電壓V隨激光器波長(zhǎng)λ變化的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，即反射譜；

(2)調(diào)整激光器工作點(diǎn)，確定初始相位：對(duì)反射譜進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算Fabry-Perot腔腔長(zhǎng)L，并調(diào)整激光器工作點(diǎn)：首先將工作點(diǎn)設(shè)置在反射譜中斜率最大的最佳線性偏置點(diǎn)處，如果聲壓引起的系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到當(dāng)前工作點(diǎn)的最大輸出電壓時(shí)，則將工作點(diǎn)位置下移或者上移；如果聲壓引起的系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到當(dāng)前工作點(diǎn)的最小輸出電壓時(shí)，則將工作點(diǎn)位置上移或者下移；反復(fù)調(diào)整工作點(diǎn)，直到系統(tǒng)輸出電壓不在當(dāng)前工作點(diǎn)的最大輸出電壓或者最小輸出電壓附近；完成工作點(diǎn)設(shè)置后，根據(jù)確定超聲波未作用到光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器時(shí)的初相位φ₀，其中n_a為Fabry-Perot腔腔內(nèi)空氣折射率；

(3)反射譜相位轉(zhuǎn)換、曲線擬合及求解反函數(shù)：根據(jù)將反射譜轉(zhuǎn)換為輸出電壓V與光相位φ的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行擬合，建立輸出電壓V與光相位φ的函數(shù)關(guān)系V(φ)，求反函數(shù)得到光相位φ與輸出電壓V的函數(shù)關(guān)系V^-1(φ)；

所述曲線擬合是將輸出電壓V與光相位φ采用最小二乘擬合：

式中y0、A、xc和w都為待擬合的參數(shù)；

(4)計(jì)算光相位的改變量，確定腔長(zhǎng)變化量：打開(kāi)超聲換能器，使超聲波作用到光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器上，記錄系統(tǒng)輸出電壓V₁，根據(jù)步驟(3)中光相位與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系計(jì)算超聲波作用后的終相位φ₁，然后結(jié)合初相位φ₀得到相位變化量Δφ，并根據(jù)Fabry-Perot腔腔長(zhǎng)L和激光器工作波長(zhǎng)λ₀計(jì)算出超聲波引起的Fabry-Perot腔腔長(zhǎng)變化量ΔL；

所述的光相位的終相位是根據(jù)式(2)計(jì)算得到，式(2)通過(guò)式(1)的反函數(shù)V^-1(φ)得到：

式中k為整數(shù)；

(5)根據(jù)耦合模型解調(diào)非線性聲壓：根據(jù)Fabry-Perot腔腔長(zhǎng)變化量ΔL，再結(jié)合光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器與聲場(chǎng)的耦合模型解調(diào)出非線性聲壓P。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器任意工作點(diǎn)非線性聲壓解調(diào)方法，其特征在于：步驟(1)獲取的反射譜為超聲波未作用到光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器上時(shí)系統(tǒng)輸出電壓隨激光器工作波長(zhǎng)增加得到的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器任意工作點(diǎn)非線性聲壓解調(diào)方法，其特征在于：步驟(2)所述的激光器工作點(diǎn)的選取是任意的，只要滿足系統(tǒng)輸出電壓不在當(dāng)前工作點(diǎn)的最大輸出電壓或者最小輸出電壓附近即可。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器任意工作點(diǎn)非線性聲壓解調(diào)方法，其特征在于：步驟(5)采用的聲壓解調(diào)公式為：

式中T₂、T₁為聲壓透射系數(shù)，E為石光纖的楊氏模量，f為超聲波的頻率，c為超聲波在光纖中的聲速。

5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述方法的光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器、超聲換能器、波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器、光纖環(huán)形器、光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡，波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器到達(dá)光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器，光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器的反射光經(jīng)過(guò)超聲換能器被超聲波調(diào)制后，經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器后到達(dá)光電探測(cè)器輸出兩路電壓信號(hào)，一路接入數(shù)據(jù)采集卡，另一路接輸出端。