陳家熠, 吳先梅，呂文瀚，程茜

?

光纖超聲傳感系統(tǒng)3×3耦合器輸出信號的影響因素研究

陳家熠1,2, 吳先梅1,2，呂文瀚1,2，程茜3

(1. 中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京，100190；2. 中國科學院大學，北京，1000493. 同濟大學物理學院聲學研究所，上海，200092)

光纖超聲傳感單位通常使用3×3耦合器作為核心干涉部件，其輸出信號往往變化范圍大、穩(wěn)定性差，為了分析3×3耦合器輸出信號產生不同現(xiàn)象的原因，開展了3×3耦合器輸出信號的影響因素研究。應用干涉理論，分析了聲信號和環(huán)境噪聲對3×3耦合器輸出信號穩(wěn)定性的影響。數(shù)值計算結果與實驗結果表明：聲信號與環(huán)境噪聲共同調制了干涉儀的相位，環(huán)境噪聲使得3×3耦合器輸出信號穩(wěn)定性差；通過增大聲信號幅值，使其引起的干涉儀相位幅值大于π rad，此時3×3耦合器輸出信號的穩(wěn)定性增強。

光纖超聲傳感；3×3耦合器；干涉理論

0 引言

聲波被廣泛應用于無損檢測、地球物理勘探以及醫(yī)療成像等領域[1]。用于聲波信號傳感的有壓電換能器、光纖傳感器等。由于光纖傳感方法具有頻帶寬、靈敏度高、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點[2-4]，在聲學傳感領域應用越來越廣泛[5-7]，但在1 MHz以上高頻超聲傳感領域的應用仍處于實驗研究階段[8-10]，有些問題亟待解決。

按照傳感結構，光纖超聲傳感器可分為光纖強度調制型、光纖干涉型和光纖光柵型[11]，其中光纖干涉型和光纖光柵型通常用到Mach-Zehnder干涉儀或Michelson干涉儀，這些干涉系統(tǒng)可用3×3耦合器來實現(xiàn)[12-14]。受到不同聲信號幅值與復雜多變的環(huán)境噪聲的影響，3×3耦合器的輸出信號穩(wěn)定性較差，給實際應用帶來很大困難。

目前，關于光纖超聲傳感器的相關研究工作大多集中在帶寬、靈敏度、封裝以及傳感系統(tǒng)解調算法等方面[15-18]，對3×3耦合器輸出信號的影響因素分析卻鮮有報道。由于通過3×3耦合器的三路輸出信號不能直接觀察到聲信號，還需要通過解調算法處理才能得到聲信號，所以對3×3耦合器的相關研究工作對后續(xù)深入分析光纖超聲傳感系統(tǒng)的響應十分重要，有助于理解實驗時產生復雜信號的原因，提前判斷實驗的正確性，能夠為研究光纖干涉型和光纖光柵型光纖超聲傳感系統(tǒng)提供重要的理論支撐與實驗經驗。

本文主要分析了用于超聲傳感時3×3耦合器的干涉數(shù)學模型，解釋了聲信號幅值的大小和環(huán)境噪聲對3×3耦合器輸出信號的影響，并通過數(shù)值計算和實驗進行了分析和驗證。

1 光纖超聲傳感系統(tǒng)

1.1 3×3耦合器干涉數(shù)學模型

以分布反饋(Distributed Feedback, DFB)光纖激光超聲傳感系統(tǒng)[19]為例，介紹3×3耦合器干涉數(shù)學模型。

圖1為DFB光纖激光傳感系統(tǒng)結構圖。實驗時通過信號發(fā)生器和功率放大器給水箱中的超聲換能器施加激勵信號產生聲波，受水中聲場的影響，DFB激光光纖傳感器出射光的中心波長發(fā)生漂移，進入基于3×3耦合器的非平衡M-Z干涉儀，在3×3耦合器中發(fā)生干涉后三路光強信號通過光電探測器轉化為電信號被采集卡采集到計算機中，通過程序對三路信號進行解調即可得到聲信號。

圖1 DFB光纖激光超聲傳感系統(tǒng)

3×3耦合器的三路輸出信號為光強信號，光電探測器可將光強信號線性轉化為電信號[19]：

1.2 干涉儀相位作用于不同相位區(qū)域的影響

圖2 B小于π rad時，不同相位區(qū)域的相位信號

圖 3 B大于π rad時，不同相位區(qū)域的相位信號

2 數(shù)值計算分析

2.1 聲信號對3×3耦合器輸出信號的影響

圖 4 幅值小于π rad時3×3耦合器輸出信號

圖5 幅值大于π rad時3×3耦合器輸出信號

2.2 環(huán)境噪聲對3×3耦合器輸出信號的影響

圖6 環(huán)境噪聲引起的相位變化

圖7 聲信號較小時環(huán)境噪聲對第一路輸出信號的影響

圖8 聲信號較大時環(huán)境噪聲對第一路輸出信號的影響

3 實驗驗證

實驗采用圖1所示的DFB光纖激光超聲傳感系統(tǒng)，聲源為中心頻率2.5 MHz的水浸超聲波換能器，觀察時間和換能器激勵電壓幅值為可變參數(shù)。

3.1 聲信號對3×3耦合器輸出信號的影響

圖9 實驗時聲信號幅值較小對3×3耦合器輸出信號的影響

圖10 實驗時聲信號幅值較大對3×3耦合器輸出信號的影響

3.2 環(huán)境噪聲對3×3耦合器輸出信號的影響

由于超聲波信號頻率為2.5 MHz，實驗時選取的觀察時間較短，一般為2 μs，示波器的刷新頻率較高，又由于環(huán)境噪聲的影響，輸出信號變化范圍在不同的觀察時間內都不同，所以每次示波器刷新的時候看到的輸出信號都不一樣，無規(guī)律性可言。

圖11 實驗時聲信號幅值較小，環(huán)境噪聲對第一路輸出信號的影響

圖12 實驗時聲信號幅值較大，環(huán)境噪聲對第一路輸出信號的影響

本節(jié)是對第2節(jié)的進一步闡釋，從實驗的角度驗證了聲信號和環(huán)境噪聲對3×3耦合器輸出信號的影響，證明了第2節(jié)分析的合理性。

4 結論

光纖超聲傳感通常使用3×3耦合器作為其主要的干涉部件，通過其輸出的三路信號并不能直接觀察聲信號，還需要對著三路信號進行解調算法處理后才能得到信號，所以分析其輸出信號的影響因素對于實驗的開展十分重要，有助于理解實驗過程中復雜信號的產生原因，提前預判信號是否合理。本文基于3×3耦合器輸出信號的數(shù)學模型，數(shù)值計算分析了聲信號和環(huán)境噪聲對其結果的影響，其中包括輸出信號的變化范圍的穩(wěn)定性與大小，得到的結論如下：

(1) 聲信號與環(huán)境噪聲共同調制了干涉儀的相位，當其作用在不同的相位區(qū)域時有不同的現(xiàn)象：作用在上截止區(qū)會使輸出信號產生畸變并有可能達到上界；作用在線性區(qū)會使輸出信號成比例變化；作用在下截止區(qū)會使輸出信號產生畸變并有可能達到下界。在干涉儀臂長差不變的情況下，輸出信號變化范圍的穩(wěn)定性與大小的改變都是由于相位作用在不同的區(qū)域造成的。

(3) 環(huán)境噪聲是一個低頻信號，其變化會使相位信號作用在不同的相位區(qū)域，若觀察時間較短且聲信號較小，每個周期內輸出信號不能既達到上界又達到下界，不同的觀察時間內輸出信號的變化范圍不同，無規(guī)律性可言，所以輸出信號的變化范圍多變、穩(wěn)定性差。

(4) 環(huán)境噪聲無法徹底消除，目前抑制干擾噪聲的方法有：①在干涉系統(tǒng)中增加PZT、放大器、積分器等硬件，解調前就將環(huán)境噪聲抑制；②利用環(huán)境噪聲和超聲波頻率不同的特點，將解調結果通過高通濾波器，抑制環(huán)境噪聲。

[1] 喬學光邵志華, 包維佳, 等.光纖超聲傳感器及應用研究進展[J]. 物理學報, 2017, 66(7): 128-147.

QIAO Xueguang, SHAO Zhihua, BAO Weijia, et al. Fiber-optic ultrasonic sensors and applications[J]. Acta Physical Sinica, 2017, 66(7): 128-147.

[2] ZHANG F X, ZHANG W T, LI F, et al. DFB fiber laser hydrophone with band-pass response[J]. Optics Letters, 2011, 36(22): 4320-4322.

[3] WU Q, OKABE Y. High-sensitivity ultrasonic phase-shifted fiber Bragg grating balanced sensing system[J]. Optics Express, 2012, 20(27): 28353-28362.

[4] LIU Y M, CAI Q M, LOU J L. Research on FBG high temperature sensor used for strain monitoring[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 341-342: 851-855.

[5] TSUDA H, LEE J R, GUAN Y, et al. Investigation of fatigue crack in stainless steel using a mobile fiber Bragg grating ultrasonic sensor[J]. Optical Fiber Technology, 2007, 13(3): 209-214.

[6] TSUDA H. Ultrasound and damage detection in CFRP using fiber Bragg grating sensors[J]. Composites Science and Technology, 2006, 66(5): 676-683.

[7] KINET D, MéGRET P , GOOSSEN K W, et al. Fiber Bragg grating sensors toward structural health monitoring in composite materials: challenges and solutions.[J]. Sensors, 2014, 14(4): 7394-7419.

[8] IMADE K, KAGEYAMA T, KOYAMA D, et al. Measurement of sound pressure and temperature in tissue-mimicking material using an optical fiber Bragg grating sensor[J]. Journal of Medical Ultrasonics, 2016, 43(4): 473-479.

[9] WU Q, OKABE Y, SUN J. Investigation of dynamic properties of erbium fiber laser for ultrasonic sensing[J]. Optics Express, 2014, 22(7): 8405-8419.

[10] ROSENTHAL A, RAZANSKY D, NTZIACHRISTOS V. High- sensitivity compact ultrasonic detector based on a pi-phase-shifted fiber Bragg grating[J]. Optics Letters, 2011, 36 (10): 1833-1835.

[11] 江毅. 高級光纖傳感技術[M]. 北京: 科學出版社, 2009.

JIANG Yi. Advanced optical fiber sensing technology[M]. Beijing: Science Press, 2009.

[12] JIANG Y. Stabilized 3×3-coupler-based interferometer for the demodulation of fiber Bragg grating sensors[J]. Optical Engineering, 2008, 47(1): 015006-1-015006-6.

[13] 李東, 張曉暉, 黃俊斌. 用基于3×3耦合器的干涉儀解調相移光纖光柵傳感信號[J]. 傳感技術學報, 2004, 17(3): 460-462.

LI Dong, ZHANG Xiaohui, HUANG Junbin. Demodulation for phase shifted grating sensor by interferometer based on 3×3 coupler[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2004, 17(3): 460-462.

[14] XU D, YANG F, CHEN D, et al. Laser phase and frequency noise measurement by Michelson interferometer composed of a 3×3 optical fiber coupler[J]. Optics Express, 2015, 23(17): 22386-22393.

[15] LIU D, LIANG Y, JIN L, et al. Highly sensitive fiber laser ultrasound hydrophones for sensing and imaging applications.[J]. Optics Letters, 2016, 41(19): 4530-4533.

[16] FOMITCHOV P A, KRISHNASWAMY S. Response of a fiber Bragg grating ultrasonic sensor[J]. Optical Engineering, 2016, 42(4): 956-963.

[17] 張曉峻, 康崇, 孫晶華. 3×3光纖耦合器解調方法[J]. 發(fā)光學報, 2013, 34(5): 665-671.

ZHANG Xiaojun, KANG Chong, SUN Jinghua. Demodulation Method Based on The 3×3 Optical Fiber Coupler[J].Chinese Journal of Luminescence, 2013, 34(5): 665-671.

[18] TEIXEIRA J G V, LEITE I T, Silva S, et al. Advanced fiber-optic acoustic sensors[J]. Photonic Sensors, 2014, 4(3): 198-208.

[19] 陳家熠, 吳先梅, 張迪, 等. 分布反饋光纖激光傳感器高頻聲場檢測研究[C]//2017中國聲學學會全國聲學學術會議論文集: 453-454.

CHEN Jiayi, WU Xianmei, ZHANG Di, et al. High frequency acoustic field detection based on distributed feedback fiber grating laser sensors s[C]//Proceedings of the 2017 National Acoustics Conference of the Chinese Acoustics Society: 453-454.

[20] 趙凱華. 光學(上冊)[M]. 北京: 北京大學出版社, 1984.

ZHAO Kaihua. Optics(Volume One)[M]. Beijing: Peking University Press, 1984.

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

國家自然科學基金面上項目(11674351)。

陳家熠(1993－), 男, 河北滄州人, 博士研究生, 研究方向為超聲傳播與成像。

吳先梅,E-mail: wuxm@mail.ioa.ac.cn