本發(fā)明屬于計量測試領(lǐng)域，具體屬于光纖傳感器參數(shù)計量領(lǐng)域，主要是一種基于upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于光纖聲學傳感器所具有的獨特優(yōu)越性，它在監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，其中，應(yīng)用在水聲領(lǐng)域的光纖傳感器稱為光纖水聲傳感器及其陣列。光纖聲學傳感器是一種新型的傳感器，相對于傳統(tǒng)的壓電聲學傳感器，光纖聲學傳感器具有探測靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)輕巧、抗電磁干擾和易于大規(guī)模成陣等特點，是現(xiàn)代聲學傳感器的一個重要發(fā)展方向。所以，多國紛紛投入大量人力和財力進行有關(guān)光纖聲學感器的研究和試驗，已經(jīng)開展工程應(yīng)用。

光源輸出的激光經(jīng)過耦合器后分為兩束，分別進入干涉儀的兩臂。一條臂繞在金屬骨架上作為參考臂，由于金屬骨架材料的楊氏模量很大，因此參考臂不受外界聲壓場的作用，可用來消除聲壓以外的其他量對光干涉相位的影響。另一條臂繞在剛性體外面的彈性增敏層上作為傳感臂，當光纖探頭處于外界聲壓場時，由增敏層變形導致纏繞光纖的長度變化，在光纖光彈效應(yīng)的共同作用下導致傳感臂中傳輸光的相位發(fā)生變化。兩束光經(jīng)光纖端面反射后，回到耦合器處進行干涉，對干涉信號進行檢測和處理，就可獲得相位差，從而得到聲場信息。

動態(tài)范圍即最大可測信號與最小可測信號之間的范圍，是傳感器的重要參數(shù)，其嚴重制約著傳感器的適用性，關(guān)系到光纖傳感器實用化的主要性能指標。傳統(tǒng)壓電水聲接收器的動態(tài)范圍一般為60db，稍好的可達80db～90db，而光纖傳感器的動態(tài)范圍可以達到100db以上。如何提高動態(tài)范圍已成為光纖傳感器研發(fā)的一個重要課題。但其前提是準確測量和校準干涉型光纖聲學傳感器的動態(tài)范圍。等效噪聲壓譜級的數(shù)值就是最小可測聲信號，也即動態(tài)范圍的下限。因此，等效噪聲壓譜級的準確測量也是獲知傳感器動態(tài)范圍必不可少的。

沒有外界聲源的情況下，光纖聲學傳感器輸出的干涉信號在某頻段內(nèi)電噪聲的電壓級lu減去該頻段內(nèi)的有效自由場靈敏度級meff，再將它歸一化到1hz，就可得到光纖水聲傳感器的等效噪聲壓譜級lps。其計算公式如式1所示。

lps＝lu-meff-10lgδf1

式中，δf是光纖水聲傳感器的測量帶寬；等效噪聲壓譜級lps的基準值為1μpa。

準確獲得等效噪聲壓譜級lps的首要前提是已知等效噪聲壓電壓級lu和光纖水聲傳感器的有效自由場靈敏度級meff。光纖水聲傳感器的有效自由場靈敏度級meff可以通過多種方法獲得，而等效噪聲壓的電壓級lu的獲取有特殊的要求。光纖傳感傳感器的自由場靈敏度級meff采用與已知靈敏度的標準水聽器進行比較的方式校準得到。

為了推動光纖聲學傳感器的實用化進程，迫切需要解決其等效噪聲壓譜級的精確校準問題。目前，我國還沒有建立專門的光纖聲學傳感器的等效噪聲壓譜級測量方法，國內(nèi)僅在gb/t4128-1995《標準水聽器》附錄中，推薦采用真空罩的方法來測量水聽器的等效噪聲壓譜級。但是對于具體的測量系統(tǒng)構(gòu)成和關(guān)鍵技術(shù)細節(jié)卻沒有更多的描述。因此，需要建立專用的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)，解決其校準和性能評估問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種基于upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)，用于對新型聲學傳感器——相位干涉型光纖傳感器的等效噪聲壓譜級進行校準和測量。

本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案來完成的。這種基于upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)，主要由光纖聲學傳感器、抗干擾屏蔽裝置、光信號探測及采集處理子系統(tǒng)三部分組成，光信號探測及采集處理子系統(tǒng)包含upd低噪聲光電探測器、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號采集處理機，采用upd低噪聲光電探測器把光纖聲學傳感器的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換該電信號，最后信號采集處理機將光干涉信號的數(shù)字化信號進行數(shù)字相位生成載波解調(diào)處理，從而實現(xiàn)對光電聲學傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

所述的光纖聲學傳感器主要由光源、干涉型光纖聲學探頭、調(diào)制器組成，其中干涉型光纖聲學探頭有參考臂和感應(yīng)臂之分，其輸出是兩臂的干涉光信號，且能夠經(jīng)過測量得到光纖探頭的相移靈敏度值，可以在等效噪聲壓譜級校準前或者后進行該測量，測量時，光纖聲學傳感器始終處于工作狀態(tài)。

所述的光纖聲學傳感器中的調(diào)制器實現(xiàn)光纖的調(diào)制功能，可以是內(nèi)調(diào)試或者外調(diào)制。

所述的抗干擾屏蔽裝置具備隔振、隔聲和隔電磁屏蔽的相關(guān)功能，保證能提供低于零級海況噪聲等級的聲場環(huán)境，且裝置內(nèi)的聲場環(huán)境必須要經(jīng)過測量滿足該要求后使用。

所述的光信號探測及采集處理子系統(tǒng)的等效噪聲功率不大于1.0×10^-15w/√hz，暗電流不大于0.1na。

所述的光信號探測及采集處理子系統(tǒng)采用低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其1khz處等效輸入噪聲壓譜級不大于5nv/√hz。

所述的光纖聲學傳感器、upd低噪聲光電探測器、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號采集處理機的參數(shù)必須經(jīng)過精確標定，且可溯源至上級計量技術(shù)機構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明是基于upd低噪聲光電探測器而建立，用于干涉型光纖聲學傳感器的等效噪聲壓譜級校準。本發(fā)明能夠?qū)怆娐晫W傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的構(gòu)成示意圖。

標記1為光纖聲學傳感器，標記2為抗干擾屏蔽裝置。標記3為光信號探測及采集處理子系統(tǒng)，標記4為干涉型光纖聲學探頭。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細的介紹：

如圖1所示，這種基于upd低噪聲光電探測器的光纖聲學傳感器等效噪聲壓譜級校準系統(tǒng)，是基于upd低噪聲光電探測器而建立，用于干涉型光纖聲學傳感器的等效噪聲壓譜級校準。校準系統(tǒng)主要由光纖聲學傳感器1、抗干擾屏蔽裝置2、光信號探測及采集處理子系統(tǒng)3三部分組成，核心部分是光信號探測及采集處理子系統(tǒng)3，包含upd低噪聲光電探測器、低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號采集處理機，采用upd低噪聲光電探測器把光纖聲學傳感器1的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換該電信號，最后信號采集處理機將光干涉信號的數(shù)字化信號進行數(shù)字相位生成載波解調(diào)處理，從而實現(xiàn)對光電聲學傳感器的光相位等效噪聲壓譜級進行精確校準。

所述的光纖聲學傳感器1自身是一個獨立的傳感系統(tǒng)，主要由光源、干涉型光纖聲學探頭4、調(diào)制器組成，其中光纖探頭和調(diào)制器是無源器件，光源是有源器件，光纖聲學傳感器的輸出光路會受到這些器件的綜合影響，其本底噪聲也與每一部分息息相關(guān)。因此光纖聲學傳感器是一個獨立的被測對象。所述的光纖聲學傳感器1中的調(diào)制器實現(xiàn)光纖的調(diào)制功能，可以是內(nèi)調(diào)試或者外調(diào)制。干涉型光纖聲學探頭4有參考臂和感應(yīng)臂之分，其輸出是兩臂的干涉光信號，且能夠經(jīng)過測量得到光纖探頭的相移靈敏度值，可以在等效噪聲壓譜級校準前或者后進行該測量，測量時，光纖聲學傳感器1始終處于工作狀態(tài)。

抗干擾屏蔽裝置2是校準系統(tǒng)的重要組成部分。光纖聲學傳感器作為傳感系統(tǒng)的感知核心，對外界的聲學振動有著極其敏感的特性。為了排除環(huán)境對校準結(jié)果造成干擾，等效噪聲壓譜級的測量必須在無外界噪聲干擾的環(huán)境中進行。但這些來自各種途徑的干擾大都無法完全排除，因此需要采取一定的措施進行隔離，以減小它們對測量的影響。系統(tǒng)中的抗干擾屏蔽裝置具備隔振、隔聲、隔電磁屏蔽等功能，用以隔絕外界的振動、聲輻射、電磁輻射等干擾，且具有恒溫、真空度高等特點。保證了光纖傳感傳感器所處環(huán)境的穩(wěn)定。保證能提供低于零級海況噪聲等級的聲場環(huán)境，且裝置內(nèi)的聲場環(huán)境必須要經(jīng)過測量滿足該要求后使用。

系統(tǒng)中的光信號探測及采集處理子系統(tǒng)包含upd低噪聲光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和信號采集處理機。利用upd低噪聲光電探測器把光纖聲學傳感器的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，其特點是等效噪聲功率和暗電流都極低，而且具備強大的功能和寬泛的頻帶。再用高精度低噪聲的模數(shù)轉(zhuǎn)換器該電信號，最后利用信號采集處理機采集數(shù)字信號后進行處理。信號采集處理機主要涉及具備數(shù)字信號處理能力的機器，例如pc機、嵌入式系統(tǒng)等，功能是將光干涉信號的數(shù)字化信號進行數(shù)字相位生成載波解調(diào)處理。

實施例：在發(fā)明的具體實施中，采用外調(diào)制方式的干涉型光纖聲學傳感器，包含低噪聲高穩(wěn)定光源、外調(diào)制器、光纖探頭、高穩(wěn)定度信號源和線性功率放大器等器件設(shè)備。低噪聲高穩(wěn)定光源經(jīng)過外調(diào)制器的調(diào)制后經(jīng)過光纖探頭。低噪聲高穩(wěn)定光源的作用是為光纖傳感傳感器的干涉效應(yīng)提供光強和頻率成分都穩(wěn)定的窄線寬激光，光強穩(wěn)定度達0.01mw/小時，頻率穩(wěn)定性大0.1nm。外調(diào)制器采用高穩(wěn)定度信號源和線性功率放大器作為驅(qū)動源，能實現(xiàn)大范圍的調(diào)制度。高穩(wěn)定載波信號源的作用是產(chǎn)生失真度極小的正弦信號，頻率穩(wěn)定度達1ppm，線性功率放大器的作用是對正弦信號產(chǎn)生高保真放大，在小于100kh頻段內(nèi)的穩(wěn)定性由于1db，這樣得到的載波信號頻率成分單一、穩(wěn)定，為干涉光信號解調(diào)結(jié)果的穩(wěn)定性打下了良好基礎(chǔ)。光纖聲學傳感器的靈敏度在小于10khz的頻段范圍內(nèi)具有良好的平坦型，靈敏度值為140dbref1μpa。采用的抗干擾裝置能提供低于20dbref1μpa的環(huán)境，遠低于零級海況噪聲壓。采用的upd低噪聲光電探測器具備非常優(yōu)良的性能，其等效噪聲功率不大于1.0×10^-15w/√hz，暗電流不大于0.1na。信號采集處理機采用ni的pxi采集系統(tǒng)，其低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器件在1khz處等效輸入噪聲壓譜級不大于5nv/√hz。最終，測得干涉型光纖聲學傳感器的1khz處等效輸入噪聲壓譜級為35db。

可以理解的是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對本發(fā)明的技術(shù)方案及發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。