光纤超声传感系统3×3耦合器输出信号的影响因素研究

陈家熠, 吴先梅，吕文瀚，程茜



光纤超声传感系统3×3耦合器输出信号的影响因素研究

陈家熠1,2, 吴先梅1,2，吕文瀚1,2，程茜3

(1. 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京，100190；2. 中国科学院大学，北京，1000493. 同济大学物理学院声学研究所，上海，200092)

光纤超声传感单位通常使用3×3耦合器作为核心干涉部件，其输出信号往往变化范围大、稳定性差，为了分析3×3耦合器输出信号产生不同现象的原因，开展了3×3耦合器输出信号的影响因素研究。应用干涉理论，分析了声信号和环境噪声对3×3耦合器输出信号稳定性的影响。数值计算结果与实验结果表明：声信号与环境噪声共同调制了干涉仪的相位，环境噪声使得3×3耦合器输出信号稳定性差；通过增大声信号幅值，使其引起的干涉仪相位幅值大于π rad，此时3×3耦合器输出信号的稳定性增强。

光纤超声传感；3×3耦合器；干涉理论

0 引言

声波被广泛应用于无损检测、地球物理勘探以及医疗成像等领域[1]。用于声波信号传感的有压电换能器、光纤传感器等。由于光纤传感方法具有频带宽、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点[2-4]，在声学传感领域应用越来越广泛[5-7]，但在1 MHz以上高频超声传感领域的应用仍处于实验研究阶段[8-10]，有些问题亟待解决。

按照传感结构，光纤超声传感器可分为光纤强度调制型、光纤干涉型和光纤光栅型[11]，其中光纤干涉型和光纤光栅型通常用到Mach-Zehnder干涉仪或Michelson干涉仪，这些干涉系统可用3×3耦合器来实现[12-14]。受到不同声信号幅值与复杂多变的环境噪声的影响，3×3耦合器的输出信号稳定性较差，给实际应用带来很大困难。

目前，关于光纤超声传感器的相关研究工作大多集中在带宽、灵敏度、封装以及传感系统解调算法等方面[15-18]，对3×3耦合器输出信号的影响因素分析却鲜有报道。由于通过3×3耦合器的三路输出信号不能直接观察到声信号，还需要通过解调算法处理才能得到声信号，所以对3×3耦合器的相关研究工作对后续深入分析光纤超声传感系统的响应十分重要，有助于理解实验时产生复杂信号的原因，提前判断实验的正确性，能够为研究光纤干涉型和光纤光栅型光纤超声传感系统提供重要的理论支撑与实验经验。

本文主要分析了用于超声传感时3×3耦合器的干涉数学模型，解释了声信号幅值的大小和环境噪声对3×3耦合器输出信号的影响，并通过数值计算和实验进行了分析和验证。

1 光纤超声传感系统

1.1 3×3耦合器干涉数学模型

以分布反馈(Distributed Feedback, DFB)光纤激光超声传感系统[19]为例，介绍3×3耦合器干涉数学模型。

图1为DFB光纤激光传感系统结构图。实验时通过信号发生器和功率放大器给水箱中的超声换能器施加激励信号产生声波，受水中声场的影响，DFB激光光纤传感器出射光的中心波长发生漂移，进入基于3×3耦合器的非平衡M-Z干涉仪，在3×3耦合器中发生干涉后三路光强信号通过光电探测器转化为电信号被采集卡采集到计算机中，通过程序对三路信号进行解调即可得到声信号。

图1 DFB光纤激光超声传感系统

3×3耦合器的三路输出信号为光强信号，光电探测器可将光强信号线性转化为电信号[19]：

1.2 干涉仪相位作用于不同相位区域的影响

图2 B小于π rad时，不同相位区域的相位信号

图 3 B大于π rad时，不同相位区域的相位信号

2 数值计算分析

2.1 声信号对3×3耦合器输出信号的影响

图 4 幅值小于π rad时3×3耦合器输出信号

图5 幅值大于π rad时3×3耦合器输出信号

2.2 环境噪声对3×3耦合器输出信号的影响

图6 环境噪声引起的相位变化

图7 声信号较小时环境噪声对第一路输出信号的影响

图8 声信号较大时环境噪声对第一路输出信号的影响

3 实验验证

实验采用图1所示的DFB光纤激光超声传感系统，声源为中心频率2.5 MHz的水浸超声波换能器，观察时间和换能器激励电压幅值为可变参数。

3.1 声信号对3×3耦合器输出信号的影响

图9 实验时声信号幅值较小对3×3耦合器输出信号的影响

图10 实验时声信号幅值较大对3×3耦合器输出信号的影响

3.2 环境噪声对3×3耦合器输出信号的影响

由于超声波信号频率为2.5 MHz，实验时选取的观察时间较短，一般为2 μs，示波器的刷新频率较高，又由于环境噪声的影响，输出信号变化范围在不同的观察时间内都不同，所以每次示波器刷新的时候看到的输出信号都不一样，无规律性可言。

图11 实验时声信号幅值较小，环境噪声对第一路输出信号的影响

图12 实验时声信号幅值较大，环境噪声对第一路输出信号的影响

本节是对第2节的进一步阐释，从实验的角度验证了声信号和环境噪声对3×3耦合器输出信号的影响，证明了第2节分析的合理性。

4 结论

光纤超声传感通常使用3×3耦合器作为其主要的干涉部件，通过其输出的三路信号并不能直接观察声信号，还需要对着三路信号进行解调算法处理后才能得到信号，所以分析其输出信号的影响因素对于实验的开展十分重要，有助于理解实验过程中复杂信号的产生原因，提前预判信号是否合理。本文基于3×3耦合器输出信号的数学模型，数值计算分析了声信号和环境噪声对其结果的影响，其中包括输出信号的变化范围的稳定性与大小，得到的结论如下：

(1) 声信号与环境噪声共同调制了干涉仪的相位，当其作用在不同的相位区域时有不同的现象：作用在上截止区会使输出信号产生畸变并有可能达到上界；作用在线性区会使输出信号成比例变化；作用在下截止区会使输出信号产生畸变并有可能达到下界。在干涉仪臂长差不变的情况下，输出信号变化范围的稳定性与大小的改变都是由于相位作用在不同的区域造成的。

(3) 环境噪声是一个低频信号，其变化会使相位信号作用在不同的相位区域，若观察时间较短且声信号较小，每个周期内输出信号不能既达到上界又达到下界，不同的观察时间内输出信号的变化范围不同，无规律性可言，所以输出信号的变化范围多变、稳定性差。

(4) 环境噪声无法彻底消除，目前抑制干扰噪声的方法有：①在干涉系统中增加PZT、放大器、积分器等硬件，解调前就将环境噪声抑制；②利用环境噪声和超声波频率不同的特点，将解调结果通过高通滤波器，抑制环境噪声。

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Research on thefactors affecting the output signal of 3×3 coupler in optical fiber ultrasonic sensing system

CHEN Jia-yi1,2, WU Xian-mei1,2, LYU Wen-han1,2, CHENG Qian3

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Institute of Acoustics, School of Physics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Optical fiber ultrasonic sensors usually use 3×3 coupler as their core interferometer. The output signals of 3×3 coupler often vary in a wide range and have poor stability. In order to understand why different phenomena happen in the output signals, the factors affecting the output signal of 3×3 coupler are studied. By using interference theory, the effects of acoustic signal and ambient noise on the stability of output signal of the 3×3 coupler are analyzed. Both simulation and experimental results show that a stable output signal can be obtained when the amplitude of acoustic signal is relatively large.

optical fiber ultrasonic sensor; 3×3 coupler; interference theory

TP212.14 TN253

A

1000-3630(2018)-06-0553-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.06.008

2018-06-07;

2018-08-03

国家自然科学基金面上项目(11674351)。

陈家熠(1993－), 男, 河北沧州人, 博士研究生, 研究方向为超声传播与成像。

吴先梅,E-mail: wuxm@mail.ioa.ac.cn