技术领域
[0001] 本
发明属于光纤传感技术领域，具体的，涉及一种确定声波信号的方法及系统。
背景技术
[0002] 近年来，由于在重大
自然灾害预警、结构健康监测、管道
泄漏监测、
水声通信等领域的应用需求，光纤声波
传感器由于其具有的体积小、重量轻、耐
腐蚀、抗
电磁干扰、易组网复用等优点而成为研究热点。其中基于光纤干涉仪的
相位调制型传感器由于其具有较高的灵敏度、
分辨率、
信噪比，从而在水声探测等领域具有广泛应用。
[0003] 目前针对相位调制型光纤声波传感器的解调技术中，较为成熟的技术包括斜边滤波强度解调、相位生成载波解调技术(Phase Generated Carrier，PGC)、
正交双
波长相位解调、3×3
耦合器相位解调、白光干涉解调等技术。从本质上来说，现有的技术都是基于对传感器
光谱以
帧的形式进行离散
采样，结合相关
算法，对声信号
波形进行复现。例如，斜边滤波技术、PGC相位解调技术采用单色
光源对干涉光谱进行单点采样，利用光谱中一个数据点来反映干涉光谱信息；正交双波长相位解调技术与3×3耦合器相位解调技术则分别选取光谱中的两个与三个点来反映干涉光谱的信息；白光干涉解调技术则选取特定波长范围内的所有数据点来反映光谱信息。
[0004] 由于斜边滤波强度解调、PGC相位解调、正交双波长相位解调、3×3耦合器相位解调等技术在每帧光谱内的采样点数很少，因此具有算法简单的优点，但每帧光谱内采集的数据过少使得算法无法从数据中得到传感器本身的信息(空间
频率、相位等)，因此只能适用于单点式传感器；相比之下白光干涉解调技术由于在每帧光谱内都采样了足量的数据进行分析，因此可通过相关算法同时得到传感器接收到的声波信息与传感器本身的信息，因此可用于传感器的组网复用，但大量的采样数据使得白光干涉解调算法通常较为复杂。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的
缺陷，本发明的目的在于解决现有声波传感器解调技术在每帧光谱内采集的数据过少使得只能适用于单点式传感器，及用于传感器的组网复用解调声波时解调算法较为复杂的技术问题。
[0006] 为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种确定声波信号的方法，包括：
[0007] 提供n路相同的宽谱
光信号，n为大于或等于1的整数；
[0008] 将n路相同的宽谱光信号分别输入到n个光纤声波传感器，所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；
[0009] n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号，每路光纤声波传感器对应的反射光信号携带该路光纤声波传感器的空间频率信息；当n个光纤声波传感器中有光纤声波传感器受到外部声波信号作用时，该路光纤声波传感器对应的反射光信号还携带作用在该路光纤声波传感器的声波信号的信息；
[0010] 通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；
[0011] 对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间
频谱图，所述空间频谱图携带n个光纤声波传感器对应的n个空间频率信息和作用于n个光纤声波传感器的n个声波信号对应的n对双边带信号信息；
[0012] 根据所述n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息；其中，对于每个光纤声波传感器，其对应的双边带信号的中心空间频率正比于声波信号的频率，其对应的双边带信号的空间频率间隔正比于光纤声波传感器的空间频率。
[0013] 其中，n路相同的宽谱光信号也可称作n路载波信号。
[0014] 可选地，每个光纤声波传感器的边带信号与空间频率信号应满足如下公式：
[0015]
[0016] 其中，fa为声波信号的频率，V为光谱仪的波长扫描速度，fs为光纤声波传感器的空间频率，fc为双边带信号的中心空间频率，△f为双边带信号的空间频率间隔；所述双边带信号的中心空间频率通过对一对边带频率分量求平均值得到，所述双边带信号的空间频率间隔通过对一对边带频率分量求差并取绝对值得到；
[0017] 所述空间频谱图包括n个
空间频率分量和2n个边带频率分量；所述声波信号的信息包括声波信号的频率，所述声波信号确定单元通过以下步骤确定n个声波信号的频率：
[0018] 根据任意两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量之间的数值关系，确定每个空间频率分量对应的两个边带频率分量；
[0019] 根据光谱仪的波长扫描速度和每个空间频率分量对应的两个边带频率分量，求出n个空间频率分量对应的n个声波信号的频率值。
[0020] 可选地，当不止两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量中的某个空间频率分量的两倍相等时，通过以下公式确定哪两个边带频率分量对与上述空间频率分量对应：
[0021]
[0022] 其中，θR与θL分别为两个边带频率分量中右边带与左边带的相位， 为光纤声波传感器空间频率分量的相位；
[0023] 若两个边带频率分量的相位满足上述公式，则这两个边带频率分量与上述空间频率分量对应。
[0024] 可选地，所述光纤声波传感器可以为双光束光纤干涉仪结构，包括
马赫-泽德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。
[0025] 第二方面，本发明提供一种确定声波信号的系统，包括：宽带光源、环形器、1×n分束器、n个光纤声波传感器、光谱仪以及声波信号确定单元；n为大于或等于1的整数；
[0026] 所述环形器有三个端口，分别为第一端口、第二端口及第三端口；
[0027] 所述1×n分束器包括一个输入端和n个输出端；
[0028] 所述宽带光源与环形器的第一端口相连接，所述环形器的第二端口与1×n分束器的输入端口相连接，所述环形器的第三端口与光谱仪相连接，所述1×n分束器的n个输出端分别与n个光纤声波传感器相连接，所述光谱仪与声波信号确定单元相连接；所述n个光纤声波传感器具有不同的空间频率；
[0029] 所述宽带光源用于提供宽谱光信号；
[0030] 所述1×n分束器用于将由环形器的第一端口到第二端口传播来的宽谱光信号均分为n路并分别做为其n个输出端的
输出信号；
[0031] 所述n个光纤声波传感器分别对n路宽谱光信号进行反射，得到n路反射光信号，每路光纤声波传感器对应的反射光信号携带该路光纤声波传感器的空间频率信息；当n个光纤声波传感器中有光纤声波传感器受到外部声波信号作用时，该路光纤声波传感器对应的反射光信号还携带作用在该路光纤声波传感器的声波信号的信息；
[0032] 所述n路反射光信号分别由1×n分束器的n个输出端输入到1×n分束器的输入端，并经由环形器的第二端口至第三端口输出到光谱仪；
[0033] 所述光谱仪通过波长扫描的方式接收所述n路反射光信号，得到复合光谱，其中，所述复合光谱由所述n路反射光信号组合得到；
[0034] 所述声波信号确定单元用于对所述复合光谱进行快速傅里叶变换，得到空间频谱图，所述空间频谱图携带n个光纤声波传感器对应的n个空间频率信息和作用于n个光纤声波传感器的n个声波信号对应的n对双边带信号信息；
[0035] 所述声波信号确定单元用于根据所述n个空间频率信息和n对双边带信号信息确定n个声波信号的信息；其中，对于每个光纤声波传感器，其对应的双边带信号的中心空间频率正比于声波信号的频率，其对应的双边带信号的空间频率间隔正比于光纤声波传感器的空间频率。
[0036] 可选地，每个光纤声波传感器的边带信号与空间频率信号应满足如下公式：
[0037]
[0038] 其中，fa为声波信号的频率，V为光谱仪的波长扫描速度，fs为光纤声波传感器的空间频率，fc为双边带信号的中心空间频率，△f为双边带信号的空间频率间隔；所述双边带信号的中心空间频率通过对一对边带频率分量求平均值得到，所述双边带信号的空间频率间隔通过对一对边带频率分量求差并取绝对值得到；
[0039] 所述空间频谱图包括n个空间频率分量和2n个边带频率分量；所述声波信号的信息包括声波信号的频率；
[0040] 所述声波信号确定单元通过以下步骤确定n个声波信号的频率：
[0041] 根据任意两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量之间的数值关系，确定每个空间频率分量对应的两个边带频率分量；
[0042] 根据光谱仪的波长扫描速度和每个空间频率分量对应的两个边带频率分量，求出n个空间频率分量对应的n个声波信号的频率值。
[0043] 可选地，当不止两个边带频率分量对应的空间频率间隔与n个空间频率分量中的某个空间频率分量的两倍相等时，所述声波信号确定单元通过以下公式确定哪两个边带频率分量对与上述空间频率分量对应：
[0044]
[0045] 其中，θR与θL分别为两个边带频率分量中右边带与左边带的相位， 为光纤声波传感器空间频率分量的相位；
[0046] 若两个边带频率分量的相位满足上述公式，则这两个边带频率分量与上述空间频率分量对应。
[0047] 可选地，所述光纤声波传感器可以为双光束光纤干涉仪结构，包括马赫-泽德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。
[0048] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0049] (1)本发明提供的确定声波信号的方法及系统，采用传感器的干涉光谱作为载波信号，通过对受到声波信号相位调制后的载波信号进行频谱分析，实时地根据相位调制产生的边带信号与载波信号的空间频率及相位，获取传感器接收到的声波信号的信息。因此，本发明中在获取声波信号信息时并未将干涉光谱(载波)视作不变量，而是根据干涉光谱的实
时空间频率与相位进行运算，故外部环境的缓变噪声(
温度、气压、湿度等)造成的传感器干涉光谱的扰动(空间频率、相位)不会对声波信号的获取产生影响，相比于传统解调技术具有更好的环境
稳定性。
[0050] (2)本发明提供的确定声波信号的方法及系统，基于波长扫描的载波(干涉光谱)相位调制方式将随时域分布的声波信息调制为随波长分布在载波信号上，将扫描得到的光谱变换到傅里叶域的空间频率谱上产生同时包含声波信息与载波信息(传感器信息)的双边带信号。因此相位调制后的载波信号同时包含声波信息与传感器信息，同时每个时刻的声波信息加载到对应时刻的单个波长采样点上。因此相比于传统技术，本发明可通过较为简单的处理算法对声波信号获取，同时识别不同传感器同时接收到的声波信号，可应用于传感器复用组网。
附图说明
[0051] 图1(a)是本发明
实施例提供的通过波长扫描的方式将随时间分布的声压信息加载到沿波长分布的光谱上得到的单个静态干涉光谱；
[0052] 图1(b)是本发明实施例提供的对图1(a)中的静态干涉光谱进行快速傅里叶变换后得到的空间频谱图；
[0053] 图2是本发明实施例提供的确定声波信号的系统结构示意图；
[0054] 图3是本发明实施例中采用的光纤声波传感器的结构示意图；
[0055] 图4(a)是本发明实施例中实验分别测得的传感器Ⅰ与传感器Ⅱ的静态干涉光谱；
[0056] 图4(b)是本发明实施例中传感器Ⅰ与传感器Ⅱ按照图1方式并联时所测到的复合光谱；
[0057] 图4(c)是本发明实施例中传感器Ⅰ与传感器Ⅱ同时受到50Hz声信号作用时通过波长扫描采集的光谱以及通过快速傅里叶变换后得到的空间频谱图；
[0058] 图4(d)是本发明实施例中波长扫描光谱的空间频谱中传感器Ⅰ与传感器Ⅱ的空间频率矢量；
[0059] 图4(e)是本发明实施例中波长扫描光谱的空间频谱中由于声信号对传感器相位调制引入的边带信号的矢量；
[0060] 图4(f)是本发明实施例中对边带1进行相位识别的结果示意图；
[0061] 图4(g)是本发明实施例中对边带2进行相位识别的结果示意图；
[0062] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为宽带光源、2为环形器、3为3dB耦合器、4为传感器Ⅰ、5为传感器Ⅱ、6为扬声器、7为信号发生器、8为光谱仪、9为声波信号确定单元。
具体实施方式
[0063] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0064] 本发明提供了一种基于波长扫描光谱采集方式与快速傅里叶分析的干涉型光纤声波传感器信号获取与识别方法，也可称为确认声波信号的方法，其目的在于利用传感器的干涉光谱作为载波信号，通过波长扫描的光谱
数据采集方式
构建时间与波长之间的线性关系，将随时间分布的声信号线性转换为随波长分布的信号，对干涉光谱(载波信号)进行相位调制。受到分布于波长域的声信号相位调制后的载波信号，在傅里叶频域内会同时包含调制信号的双边带信号与传感器的空间频率信号。
[0065] 图1(a)是本发明实施例提供的通过波长扫描的方式将随时间分布的声压信息加载到沿波长分布的光谱上得到的单个静态干涉光谱；如图1(a)所示，通过波长扫描的方式将随时间分布的声压信息加载到沿波长分布的光谱上，将干涉光谱条纹作为载波，声信号对载波产生相位调制。
[0066] 图1(b)是本发明实施例提供的对图1(a)中的静态干涉光谱进行快速傅里叶变换后得到的空间频谱图；如图1(b)所示，而在傅里叶域的空间频率谱上产生同时包含声波信息与载波信息(传感器信息)的双边带信号。
[0067] 其中，双边带信号的中心空间频率fc空间频率间隔△f与满足如下表达式：
[0068]
[0069] 其中，fa为声波信号的频率(Hz)，V为波长扫描速度(nm/s)，fs为传感器的空间频-1率，即
载波频率(nm )。可见在扫描速度一定的情况下，双边带信号的中心频率正比于传感器接收到的声波信号的频率，而边带间隔为载波频率(传感器空间频率)的两倍，说明双边带信号既包含传感器的空间频率信息，也包含声波频率信息。同时，双边带信号的相位与载波信号相位存在一定关系，如下式所述：
[0070]
[0071] 其中，θR与θL分别为右边带与左边带的相位， 为载波信号(传感器空间频率分量)的相位。
[0072] 当有多个传感器进行复用时，波长扫描光谱信号的傅里叶频谱内可能会出现多个边带信号，分别对应不同传感器接收到的声波信号。根据上述的空间频率特性与相位特性，可识别出对应于不同传感器的边带信号组。根据各个传感器接收信号对应的边带信号的强度、空间频率、相位，可得到传感器接收到的声波信号的声压、频率、相位。因此本发明所提供的的方法可用于对相位调制型光纤声波传感器进行信号的获取与识别。
[0073] 这种调制方式使得一段时间内的声波信息分布在干涉光谱(载波信号)上，因此相位调制后的载波信号同时包含声波信息与传感器信息，同时每个时刻的声波信息加载到对应时刻的单个波长采样点上，因此可通过较为简单的处理算法对声波信号获取，同时识别不同传感器同时接收到的声波信号，可应用于传感器复用组网。
[0074] 在一个示例中，本发明提供的确定声波信号的方法，包括以下步骤：
[0075] (1)对传感器在预设波长范围内进行波长扫描得到光谱数据；
[0076] (2)对波长扫描得到的光谱数据应用快速傅里叶变换算法；
[0077] (3)在空间频谱内获取传感器空间频率(载波频率)与边带信号频率；
[0078] (4)分别获取载波频率处与边带频率处的傅里叶矢量，根据
实部与
虚部得到各个对应频率处的相位值；
[0079] (5)对载波频率与边带频率处的傅里叶相位值采用特定算法进行匹配识别，结合边带信号与载波信号的空间频率特征，获取对应于不同传感器(载波频率)的边带信号组；
[0080] (6)根据各组边带信号的强度、空间频率、相位，得到各个传感器接收到的声信号的声压、频率、相位。
[0081] 具体地，声波信号的声压根据双边带信号的强度确定。声波信号的频率根据双边带信号的频率与传感器的空间频率确定。声波信号的相位根据双边带信号的相位和载波信号的相位确定。
[0082] 优选地，所述相位调制型传感器为双光束光纤干涉仪结构，包括马赫-泽德干涉仪、迈克尔逊干涉仪、萨格纳克干涉仪、低精细度法布里-珀罗干涉仪；
[0083] 优选地，当进行传感器复用成阵时，不同传感器应具有不同的干涉光程差(不同的傅里叶频域载波频率)，即不同的空间频率。
[0084] 优选地，对传感器进行波长扫描时，可以采用发射端扫描或接收端扫描方式。发射端扫描方式包括但不限于采用波长扫描
激光器作为光源输出光信号至传感器；接收端扫描方式包括但不限于采用宽带光源产生光信号输出至传感器，利用光谱分析仪对传感器输出光信号进行波长扫描接收。
[0085] 以下结合实施例1提供的确定声波信号的系统，进一步阐述本发明。本实施例以两个传感器组合复用测量声波信号为例进行说明。
[0086] 本发明实施例1的实验结构如图2所示，包括宽带光源1、环形器2、3dB耦合器3、传感器Ⅰ4、传感器Ⅱ5、扬声器6、信号发生器7、光谱仪8、声波信号确认单元9；宽带光源1与环形器2的第一端口相连；环形器2的第二端口与3dB耦合器的第一输入端口相连；3dB耦合器的第三端口与第四端口分别与传感器Ⅰ4与传感器Ⅱ5连接；环形器2的第三端口与光谱仪8的输入端口相连接；光谱仪采集到的光谱数据输入声波信号确认单元9进行运算分析，对传感器接收到的信号进行获取与识别；扬声器6由信号发生器7进行连接控制，通过信号发生器7驱动扬声器6产生特定频率的声波信号。
[0087] 其中，3dB耦合器的第二输入端悬空，此时，悬空第二输入端的3dB耦合器等同于1×2分束器。
[0088] 具体地，实施例1中，所采用的传感器结构为反射式外腔法布里-珀罗干涉结构(FP外腔结构)，如图3所示。FP腔由光纤平端面与一个固定在可拆卸
法兰盘中心圆孔处的3μm
铝膜构成。铝膜同时作为响应声波信号的换能结构，由声
波导致膜片的振动，改变FP腔的腔长，从而实现对FP传感器反射谱的相位调制。
[0089] 宽带光源1发出的光信号通过环形器2进入3dB耦合器3，并被均分为两路，分别入射到传感器Ⅰ4与传感器Ⅱ5；两传感器的反射光信号通过3dB耦合器3输入回环形器2，并由环形器2的第三端口输出到光谱仪8；光谱仪8通过波长扫描的方式记录传感器光谱数据；光谱仪8采集到的传感器光谱数据信息由声波信号确认单元9进行运算；信号发生器7通过正弦信号驱动扬声器6产生对应频率的声波信号，同时作用于传感器Ⅰ4与传感器Ⅱ5，即本实施例中两传感器接收到相同频率的声波信号。
[0090] 当扬声器产生的声波信号作用于FP外腔结构声波传感器时，铝膜会在声压的作用下发生受迫振动，其振动频率与声频同步。铝膜的振动对FP腔的腔长产生改变，从而对传感器的反射光谱产生相位调制。当光谱仪8对FP外腔结构声波传感器的干涉光信号进行时域波长扫描时，不同波长的光强度信号在不同时刻被记录，而不同时刻由于动态声压的作用使得FP外腔结构声波传感器具有不同的
相位差，对应不同的光谱函数，因此一周扫描后动态声压信号被沿波长调制到传感器干涉光谱相位上(不同波长处对应不同的传感器相位)，即在波长域内，干涉光谱作为载波信号，声波信号对载波信号进行相位调制。
[0091] 本发明实施例中，传感器Ⅰ与传感器Ⅱ的反射光谱分别测量，如附图4(a)所示。为了利用到本发明中的空间频率特性，两传感器分别设置了不同的腔长，因此图中可见两传感器的干涉谱具有不同的
自由光谱范围(FSR)，因此具有不同的空间频率。
[0092] 当两传感器通过3dB耦合器并联之后，复合光谱如附图4(b)所示。
[0093] 当50Hz的声波信号作用于两传感器时，光谱仪通过波长扫描记录的光谱数据如附图4(c)中的插图所示。可见在载波(干涉光谱)上加载了调制信号。通过对调制后的载波(光谱)进行快速傅里叶算法，得到空间频谱图，如附图4(c)所示，可见在低频段内有两个明显的空间频率分量(0.12092nm-1与0.3023nm-1)，分别为对应两个传感器腔长的载波频率(干涉谱空间频率)，而在较高频段内有明显的4个边带分量(2.29746nm-1，2.47884nm-1，2.72068nm-1，2.90206nm-1)。
[0094] 4个边带分量由两个传感器分别接收到的声波信号对各自载波信号进行相位调制后产生的双边带信号
叠加构成。若从空间频率上来识别，边带4与边带1的频率间隔恰好为载波2的空间频率的2倍，而边带3与边带2的频率间隔恰好为载波1的空间频率的2倍。若通过相位特性进行区分，两个载波信号与4个边带信号的傅里叶矢量如图4(d)与4(e)所示。
[0095] 通过矢量提取出载波相位 与边带信号相位(θ1，θ2，θ3，θ4)，按照发明内容中所描述的对应于同一个传感器的边带信号应满足的相位关系式(2)，对θ1与θ2分别进行识别，结果如图4(f)与4(g)所示。
[0096] 可见，θ4-θ1与 最为满足相位关系式(2)，而θ3-θ2与 最为满足相位关系式(2)。结合相位识别结果与频率识别结果，可识别出边带信号4与边带信号1为传感器Ⅱ的双边带信号，边带信号3与边带信号2为传感器Ⅰ的双边带信号。由于边带信号4与边带信号1的中心频率和边带信号3与边带信号2的中心频率相同(2.59976nm-1)，且复合光谱是按照固定的扫描速度获取，因此结合空间频率特性表达式(1)，因此通过对载波调制信号的空间频谱进行分析，可识别出两传感器接收到的声波信号频率相同，表明识别结果与实施例中的实施方法一致。具体的声波频率可结合扫描速度根据表达式(1)推算得到。
[0097] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
