环境自适应高灵敏度光纤声传感器研究

Fiber acoustic sensors, as a next-generation acoustic wave detector, have wide applications in industry and military fields, because they have some extraordinary advantages, such as high sensitivity, simple structure, low propagation loss, wide frequency response, good resistance to electromagnetic interference, and good compatibility with fiber communication network. However, the present fiber acoustic sensors have a poor ability of environmental adaption, especially for interferometric fiber acoustic sensor, this shortcoming limits their practical applications. In this project, we put forward a novel proposal of structural self-compensation combined with adaptive signal processing algorithm to solve this fatal problem. To validate the proposal, we will carry out the following research tasks: to build a theoretical model of structural self-compensation of fiber FP cavity probe, to design the architecture of the probe and optimize the fabrication processes; to explore the output signal of the fiber acoustic sensor varied with the change of environmental conditions, then to study the signal processing algorithm; to build a test platform, and to evaluate the effects of the structural self-compensation and the adaptive signal processing algorithm by testing the performance of the prototype systematically. A fiber acoustic sensor prototype with good ability of environmentally adaption could be realized by optimizing the self-compensation structure and the signal processing algorithm. This project will lay a foundation on developing practical fiber acoustic sensors.

光纤声传感器结构简单，灵敏度高，传输损耗小，探测频谱宽，抗电磁干扰，与光纤通信网兼容性好，是继驻极体声传感器之后的新一代声波探测器件，在工业、军事等领域具有广泛应用前景。然而，现有的光纤声传感器环境适应性差，尤其是干涉型光纤声传感器，其工作点易随温度漂移，不能满足实际应用要求。针对这一关键问题，本项目提出结构自补偿方法和自适应信号处理算法相结合的全新解决方案。为了验证该方案的可行性，本项目将主要研究如下内容：建立光纤FP腔声传感探头的结构自补偿仿真模型，设计声传感探头的自补偿结构并研究其制作工艺；探索光纤FP腔声传感器随环境变化的信号漂移规律，进而研究传感器自适应信号处理算法；构筑自适应测试平台并系统测试传感器性能，评估结构自补偿方法和自适应信号处理算法对传感器性能的改进效果，通过改进优化，使光纤FP腔声传感器具有较强的环境自适应本领。本项目的成功实施将为光纤声传感器的实用化奠定基础。

光纤声传感器结构简单，灵敏度高，传输损耗小，抗电磁干扰，与光纤通信网兼容性好，是继驻极体声传感器之后的新一代声波探测器件，在工业、军事等领域具有广泛应用前景。然而，现有光纤声传感器环境适应性差，尤其是干涉型光纤声传感器，其工作点易随温度漂移，不能满足实际应用要求。针对这一关键问题，本项目提出结构自补偿方法和自适应信号处理算法相结合的全新解决方案，通过调控光纤插芯的热膨胀系数实现对温度变化的自补偿，从而保持FP腔的腔长基本不变，使探头固有热稳定性提高；同时通过自适应信号处理算法，自动调节半导体激光器的工作波长，从而克服温度对工作波长的影响，该方案降低了激光器成本。采用本项目方案研制的环境自适应光纤FP腔声传感器可以在-20ºC到60ºC这一温度范围内可靠工作，这为光纤FP腔声传感器的实用化奠定了坚实基础。本项目通过理论、仿真和实验验证，分析和研究了温度对光纤FP腔声传感器的影响，进一步建立了光纤FP腔热模型，提出了结构自补偿方法；提出采用增反层结构，提高激光能量利用率，从而进一步提高光纤FP腔灵敏度；通过自适应信号处理算法，自动寻找最佳工作点，使研制的光纤FP腔声传感器具有良好的自适应性，保证可靠的工作；对研制的样品进行了温度适应性测试和长期稳定性测试，结果表明：样品可以在-20ºC到60ºC范围内靠的工作，在长达三十多天的测试时间内，性能稳定，样品具有良好的热稳定性和长期稳定性。本项目研制的高稳定性光FP腔声传感器，其关键性能指标为：灵敏度：≥200mV/Pa，,频率响应范围：50Hz~4kHz，本底噪声：≤30dB(A)，动态范围：30dB(A)~104dB。本项目研制的光纤声传感在军事上能应用于声探测装备，针对低空、慢速、小体积军事目标，可成倍提高现有装备探测距离，提升装备的性能；在工业上能够在复杂电磁环境下可靠的拾声波信号，具有不可替代性。.基于上述成果，项目组成员在Appl. Phys.Lett.，ACS photonics，Opt. Lett., Opt. Exp.等期刊上共发表SCI论文10篇，会议论文8篇，申请专利5项 (3 项获得授权)，培养出2名硕士生。