基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置

1.本发明涉及声学传感技术领域，具体涉及一种基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置。


背景技术：

2.传统的声音信号的拾音工具是电子麦克风，但在实际测量中，麦克风由于其接收信号的频带宽，易受电磁干扰，不可避免地会受到环境噪音的影响，使得接收信号的信噪比严重下降，从而影响声音信号。近年来，通过光纤拾取沿线的声音振动信号的技术得到了广泛的应用，光纤麦克风也成为了研究的热点。光纤麦克风通过测量声信号的相位、强度、频率等多种参数来恢复声信号的振动波形，由于其具有先天抗电磁干扰能力强、体积小、设计简单、灵敏度高、光纤本身又低损耗、耐腐蚀、耐高温、高压、安全可靠，所以适用于各种环境中进行声音信号的拾取。
3.目前，主流的光纤麦克风主要包括强度型光纤麦克风和干涉型光纤麦克风。其中，强度型光纤麦克风的受到外部声压会引起传输光强的改变，从而反映出声压的变化。
4.中国专利“一种光纤麦克风(专利号：zl：201010101144.8)”中，提供一种灵敏度高、抗电磁干扰、以及能在恶劣的环境中工作的基于光强度调制mems光纤麦克风，但该麦克风结构精细复杂、构建难度大、灵敏度不高。
5.中国专利“激光环形腔的光纤麦克风(专利号：zl：202010210103.6)”中，应用可调谐光纤环形腔的灵敏传感作用，提出了一种基于激光环形腔的光纤麦克风，但该麦克风用于声传感的光纤线圈长度需大于1km，且灵敏度较低。干涉型光纤麦克风的传输光纤中光信号的相位受到外部声压的调制而会生相应变化，通过构造干涉仪，解调光信号的相位变化值进而反演出声音信号。
6.中国专利“基于空分复用的分布式干涉型光纤麦克风阵列装置(专利号：zl：201010224955.7)”中，提出一种基于空分复用的干涉型光纤麦克风分布式阵列装置，采用红光led作为光纤麦克风的光源，成本低廉，光源驱动电路简单，稳定性高，但该装置通过光开关切换来实现多个通道的数据采集，无法对多个传感器同时进行采集。
7.综上所述，现有技术中光纤麦克风结构复杂，成本较高，且构建的麦克风阵列为多通道单麦克风且通道数有限。因此，构建单通道多麦克风阵列，实现单光收发具有现实意义。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，该装置采用了超弱光纤光栅传感器和薄壁圆筒声增敏结构来构建具有高灵敏度的光纤麦克风，并在一根光纤上可以构建大量光纤麦克风，不仅极大的简化了结构，而且降低了成本。
9.本发明采取的技术方案为：
10.基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，包括：
11.光纤麦克风阵列、声光解调单元、数据处理与显示单元，光纤麦克风阵列连接声光解调单元，声光解调单元连接数据处理与显示单元；
12.光纤麦克风采用超弱光纤光栅传感器紧密缠绕至薄壁圆筒的声增敏结构，并在表面覆盖粘结剂制作而成的，用于获取高灵敏度的声压信号；
13.将多个光纤麦克风进行串联，构成光纤麦克风阵列，用于空间上的分布式声波传感；声光解调单元，解调光纤麦克风阵列反射光波信号的相位变化来反演声压变化；
14.数据处理与显示单元，将声光解调单元采集的信号进行处理和实时展示。
15.所述薄壁圆筒的声增敏结构包括聚碳酸酯圆筒，并在聚碳酸酯圆筒两端固定保护套筒，其中，聚碳酸酯圆筒与保护套筒使用胶粘剂相连。
16.所述聚碳酸酯圆筒置于减震海绵上，减震海绵用于吸音，即吸收多余的音波，提高接收声音的信噪比。
17.所述粘结剂为有机硅密封胶，涂敷在超弱光纤光栅传感器和薄壁圆筒表面。将该胶附着于麦克风表面用于固定与保护光纤，厚度为0.2mm～0.4mm。
18.所述超弱光纤光栅传感器为单模高耐弯曲疲劳性能光纤，光栅间隔为5m。光栅间隔为5m的超弱光纤光栅传感器紧密缠绕至外径为20mm、厚度为0.5mm、长度为100mm的聚碳酸酯圆筒表面，并在两端固定保护套筒，置于减震海绵上，使用有机硅密封胶对光纤和圆筒表面进行涂敷。
19.当外部声音信号作用于光纤麦克风时，薄壁圆筒的声增敏结构会产生径向变化从而引起光纤长度发生变化，进而在两个超弱光纤光栅之间产生相位变化，实现声压-相位的转换。光发射通过激光脉冲发生器产生特定脉冲宽度的光脉冲信号，所述声光解调单元包括光发射、采集与处理，发射的脉冲光通过传感光栅反射后再进行干涉，解调出信号的相位变化，转化为电信号进行采集和处理。
20.所述声光解调单元包括激光脉冲发生器、第一环形器、第二环形器、3
×
3耦合器、光电转换器、a/d采集器、处理器模块；
21.激光脉冲发生器输出端与环形器的第一输出端连接，第一环形器的第一输出端与所述光纤麦克风阵列的输入端相耦合，第一环形器的第二输出端与第二环形器的输入端连接，第二环形器的第一输出端与光电转换器的第一输入端连接，3
×
3耦合器的输入端与第二环形器的第一输出端耦合，第二环形器的第二输出端与光电转换器的第一输入端直接连接，3
×
3耦合器的2路输出端分别与光电转换器的第二第三输入端、第三输入端连接，光电转换器的输出端与a/d采集器的输入端连接，处理器模块的输出端与激光脉冲发生器的输入端连接，处理器模块的输入端与a/d采集器的输出端连接。
22.处理器模块采用pfga+arm组合，fpga可以实现高速a/d采集、高速信号传输和并行处理数据，而arm具有丰富的接口资源，且功耗低，因此pfga+arm可以极大的提高数据处理性能、降低成本和功耗、集成度更好。
23.所述3
×
3耦合器对光脉冲进行距离补偿使之发生干涉，实现声波信号对光波信号的相位-强度转换。
24.所述光处理，通过处理器模块控制激光脉冲发生器输入端，对激光脉冲的脉冲宽度进行调制，并获取a/d采集器采集的声音信息。
25.所述数据处理与显示单元包括数据处理部分、可视化显示部分；
26.数据处理部分对接收的声音信号的特征进行训练，从而获得所需的声学模型，可视化显示部分是将处理后的结果通过pc机进行实时展示。
27.本发明基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，技术效果如下：
28.1)本发明采用超弱光纤光栅传感器与薄壁圆筒的声增敏结构制作光纤麦克风，声增敏效果良好、灵敏度高、成本低、结构简单、实用性强。
29.2)在一根光纤上可以构建多个麦克风，打破了构建多通道麦克风阵列的局限性，简化了装置。
30.3)灵活性好，可根据目标声音信号的特点，改变声增敏的结构，从而实现对不同信号的高效增敏。
31.4)解调速度快，采用fpga进行高速信号处理与相位解调。该装置采样率可达33khz，满足大多数声音信号的快速采集。
32.5)本发明基于超弱光纤光栅麦克风的高灵敏度性能和超弱光纤光栅低反射率、高复用能力的特点，使用单根光纤与多个薄壁圆筒构建了串联型的分布式麦克风传感阵列，结合声光解调和数据处理实现了对声音信号的还原，为分布式声波传感提供了有效方案。
附图说明
33.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
34.图1为本发明提出的基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置图。
35.图2为本发明提出的超弱光纤光栅麦克风结构图。
36.图3为本发明提出的声光解调单元内部结构图。
37.图4为本发明提出的超弱光纤光栅麦克风的声压灵敏度的测试结果图。
具体实施方式
38.如图1所示，一种长距离超弱光纤光栅阵列的分段采集装置，包括：光纤麦克风阵列1、声光解调单元2、数据处理与显示单元3，光纤麦克风阵列1连接声光解调单元2，声光解调单元2连接数据处理与显示单元3。
39.光纤麦克风采用超弱光纤光栅传感器11紧密缠绕至薄壁圆筒的声增敏结构，并在表面覆盖一层粘结剂制作而成的，用于获取高灵敏度的声压信号；
40.将多个光纤麦克风进行串联，构成光纤麦克风阵列1，用于空间上的分布式声波传感；声光解调单元2，解调光纤麦克风阵列1反射光波信号的相位变化来反演声压变化；
41.数据处理与显示单元3，将声光解调单元2采集的信号进行处理和实时展示。
42.其中，光纤麦克风阵列1用于获取声音信号，当麦克风受到声压信号后光纤中的光脉冲的相位就会发生变换。声光解调单元2的光发射是产生特定脉冲宽度的光脉冲信号；光采集是进行光脉冲信号的传输与干涉和光电转换；光处理是控制光发射的光脉冲宽度和控制a/d对转换后的电信号进行采集。数据处理与显示单元3通过提取数据特征通过卷积神经网络获得相关声学模型，根据声学模型获取声音的种类、位置等信息，并将处理结果进行实时展示。
43.所述光纤麦克风阵列1的光纤麦克风结构如图2所示。光纤麦克风阵列1由n(n为大
于等于2的自然数)个光纤麦克风(m1,m2,
…
,mn)组成，每个光纤麦克风是基于超弱光纤光栅传感器与薄壁圆筒声增敏结构构建的，其中，声增敏材料选用聚碳酸酯，光纤选用单模高耐弯曲疲劳性能光纤，将该光纤紧密缠绕于薄壁圆筒声增敏结构实现声增敏，并在该结构与光纤上涂敷一层有机硅密封胶15用于保护和固定传感光纤。
44.基于超弱光纤光栅的分布式光纤麦克风阵列的特征在于：
①
：使用间隔5m的超弱光纤光栅传感器作为声传感光纤；
②
：使用声增敏材料聚碳酸酯制作聚碳酸酯圆筒12，外径为20mm、厚度为0.5mm、长度为100mm，提高麦克风的声压灵敏度；
③
：利用超弱光纤光栅传感器低反射率、高复用容量的特点，构成了单一收发的分布式串联型麦克风阵列。
45.所述声光解调单元2的光发射通过激光脉冲发生器21实现光脉冲信号的输出，激光脉冲发生器21包括激光器、soa和edfa。其中，soa用于调制激光脉冲宽度：10ns～50ns，edfa用于对调制后的光信号进行增益放大，增益输出峰值功率1000mw。
46.所述声光解调单元2的光采集包括第一环形器22、第二环形器23、3
×
3耦合器24、光电转换器25、a/d采集器26。第一环形器22用于将光脉冲信号输入到光纤麦克风阵列并输出反射的光信号，经第二环形器23后，在3
×
3耦合器24内对光脉冲进行距离补偿使之发生干涉，分3路等相位差输出，通过光电转换器25将光信号转换为电信号输送至a/d采集器26。
47.所述声光解调单元2的光处理是通过处理器模块27控制激光脉冲发生器21的光脉冲宽度和控制a/d采集器26进行数据采集并存储在arm中，通过以太网上传至上位机。
48.所述数据处理与显示单元3包括数据处理部分、可视化显示部分。数据处理部分对接收的声音信号的特征进行训练，从而获得所需的声学模型，可视化显示部分是将处理后的结果通过pc机进行实时展示。
49.图4为本发明提出的超弱光纤光栅麦克风的声压灵敏度的测试结果图，构建光纤麦克风，具有较高的灵敏度，可达0.8691rad/pa(-121.222db rel nm/pa)，满足分布式声波传感需求，为实现分布式的声源定位奠定了基础。
50.所述数据处理方法，包括如下步骤：
51.s1：使用超弱光纤光栅传感器与声增敏结构制作光纤麦克风，用于获取高灵敏度的声音信号，并构建光纤麦克风阵列1，从而实现分布式声波传感。
52.s2：对获取的声音信号进行特征分析与提取，使其获得尽可能明显的特征样本，划分训练样本集与测试样本集。
53.s3：使用卷积神经网络对特征训练样本集进行训练，获得相应得声学模型。
54.s4：将测试样本集输入至声学模型，获取结果。
55.s5：对获取结果进行分析与处理，从而得到声音所反映的种类、位置等信息。
56.通过以上实施方式，利用超弱光纤光栅传感器和声增敏结构组建了分布式光纤麦克风阵列，实现了单光收发的分布式声传感，提高了声音灵敏度，在声监测领域具有重要的应用价值。

技术特征：
1.基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于包括：光纤麦克风阵列（1）、声光解调单元（2）、数据处理与显示单元（3），光纤麦克风阵列（1）连接声光解调单元（2），声光解调单元（2）连接数据处理与显示单元（3）；光纤麦克风采用超弱光纤光栅传感器（11）紧密缠绕至薄壁圆筒的声增敏结构，并在表面覆盖粘结剂制作而成的，用于获取高灵敏度的声压信号；将多个光纤麦克风进行串联，构成光纤麦克风阵列（1），用于空间上的分布式声波传感；声光解调单元（2），解调光纤麦克风阵列（1）反射光波信号的相位变化来反演声压变化；数据处理与显示单元（3），将声光解调单元（2）采集的信号进行处理和实时展示。2.根据权利要求1所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述薄壁圆筒的声增敏结构包括聚碳酸酯圆筒（12），并在聚碳酸酯圆筒（12）两端固定保护套筒（13），其中，聚碳酸酯圆筒（1）与保护套筒（13）使用胶粘剂相连。3.根据权利要求1所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述聚碳酸酯圆筒（12）置于减震海绵（14）上。4.根据权利要求1所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述粘结剂为有机硅密封胶（15），涂敷在超弱光纤光栅传感器（11）和薄壁圆筒表面。5.根据权利要求1所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述超弱光纤光栅传感器（11）为单模高耐弯曲疲劳性能光纤，光栅间隔为5 m。6.根据权利要求1所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述声光解调单元（2）包括激光脉冲发生器（21）、第一环形器（22）、第二环形器（23）、3
×
3耦合器（24）、光电转换器（25）、a/d采集器（26）、处理器模块（27）；激光脉冲发生器（21）输出端与第一环形器（22）的第一输出端连接，第一环形器（22）的第一输出端与所述光纤麦克风阵列（1）的输入端相耦合，第一环形器（22）的第二输出端与第二环形器（23）的输入端连接，第二环形器（23）的第一输出端与光电转换器（25）的第一输入端连接，3
×
3耦合器（24）的输入端与第二环形器（23）的第一输出端耦合，第二环形器（23）的第二输出端与光电转换器25的第一输入端直接连接，3
×
3耦合器24的2路输出端分别与光电转换器（25）的第二第三输入端、第三输入端连接，光电转换器（25）的输出端与a/d采集器（26）的输入端连接，处理器模块（27）的输出端与激光脉冲发生器（21）的输入端连接，处理器模块（27）的输入端与a/d采集器（26）的输出端连接。7.根据权利要求6所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述3
×
3耦合器（24）对光脉冲进行距离补偿使之发生干涉，实现声波信号对光波信号的相位-强度转换。8.根据权利要求6所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：通过处理器模块（27）控制激光脉冲发生器（21）输入端，对激光脉冲的脉冲宽度进行调制，并获取a/d采集器（26）采集的声音信息。9.根据权利要求6所述基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，其特征在于：所述数据处理与显示单元（3）包括数据处理部分、可视化显示部分；数据处理部分对接收的声音信号的特征进行训练，从而获得所需的声学模型，可视化显示部分是将处理后的结果通过
pc机进行实时展示。10.基于如权利要求1~9所述任意一项分布式麦克风阵列装置的声音信号处理办法，其特征在于：当外部声音信号作用于光纤麦克风时，薄壁圆筒的声增敏结构会产生径向变化从而引起光纤长度发生变化，进而在两个超弱光纤光栅之间产生相位变化，实现声压-相位的转换；光发射通过激光脉冲发生器（21）产生特定脉冲宽度的光脉冲信号，所述声光解调单元（2）包括光发射、采集与处理，发射的脉冲光通过传感光栅反射后再进行干涉，解调出信号的相位变化，转化为电信号进行采集和处理。

技术总结
基于超弱光纤光栅的分布式麦克风阵列装置，包括：光纤麦克风阵列、声光解调单元，光纤麦克风采用超弱光纤光栅传感器紧密缠绕至薄壁圆筒的声增敏结构，并在表面覆盖粘结剂制作而成的，用于获取声压信号；将多个光纤麦克风进行串联，构成光纤麦克风阵列；声光解调单元解调光纤麦克风阵列反射光波信号的相位变化来反演声压变化；数据处理与显示单元将声光解调单元采集的信号进行处理和实时展示。本发明基于超弱光纤光栅麦克风的高灵敏度性能和超弱光纤光栅低反射率、高复用能力的特点，使用单根光纤与多个薄壁圆筒构建了串联型的分布式麦克风传感阵列，结合声光解调和数据处理实现了对声音信号的还原，为分布式声波传感提供了有效方案。了有效方案。了有效方案。


技术研发人员：罗志会 鲁博 丁帅 徐冰 黄江楼
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/7