一种基于激光多普勒测振的数字水听器及测振方法
阅读说明：本技术 一种基于激光多普勒测振的数字水听器及测振方法 (Digital hydrophone based on laser Doppler vibration measurement and vibration measurement method ) 是由 陆海丰 朱中华 吴雷 陈伟 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于激光多普勒测振的数字水听器及测振方法,其技术方案要点是：包括外壳、隔音层、空气仓、振膜、镜头、光波导芯片、激光器、光电转换模块、处理芯片组成：所述外壳、所述空气仓和所述振膜组成声波探头；所述镜头起准直作用,从光波导将探测光引出并平行出射到所述振膜上；所述光波导芯片上集成了探测干涉仪,在厘米级大小的所述光波导芯片内实现多路分光/分波、合光/合波和相位控制功能；所述光电转换模块将干涉后光学信号转换为电信号供后续采集、处理、分析使用；所述处理芯片上集成有采集单元、处理单元、分析单元、控制单元和通讯单元；基于激光多普勒测振的数字水听器具有噪声小、灵敏度高的优点。(The invention discloses a digital hydrophone based on laser Doppler vibration measurement and a vibration measurement method, and the technical scheme is as follows: including shell, puigging, air storehouse, vibrating diaphragm, camera lens, optical waveguide chip, laser instrument, photoelectric conversion module, processing chip constitution: the shell, the air chamber and the diaphragm form a sound wave probe; the lens has a collimation effect, and the detection light is led out from the optical waveguide and parallelly emitted to the vibrating diaphragm; the optical waveguide chip is integrated with a detection interferometer, and the functions of multi-path light splitting/splitting, light combining/combining and phase control are realized in the centimeter-sized optical waveguide chip; the photoelectric conversion module converts the interfered optical signal into an electric signal for subsequent acquisition, processing and analysis; the processing chip is integrated with an acquisition unit, a processing unit, an analysis unit, a control unit and a communication unit; the digital hydrophone based on the laser Doppler vibration measurement has the advantages of low noise and high sensitivity.)
技术领域
本发明涉及水深探测领域，特别涉及一种基于激光多普勒测振的数字水听器及测振方法。
背景技术
声纳设备则是海上军事领域的“顺风耳”，能够在远距离侦听到潜艇、舰船等发出的声音。但是随着水声对抗与反对抗技术的发展，特别是安静型潜艇的出现，其噪声频率降低到了百赫兹左右，噪声水平甚至低于海洋背景噪声，传统的压电水听器就显得颇为力不从心。
近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤水听器作为一种新型水声探测器件，其灵敏度可以到达-140dBrad/μPa(2021年文献‘Distributed optical fiber hydrophonebased onΦ-OTDR and its field test’相移灵敏度-146dB rad/μPa与2009年‘带空气腔芯轴型光纤水听器特性研究’相移灵敏度-153dB rad/μPa差别不大)，能够实现上百公里的远距离信号传输，这些技术优点使得光纤水听器发展迅速。但光纤水听器因为偏振衰落等原因噪声偏大(高相干度激光器输出的偏振光经过长距离单模光纤传输、低双折射率光路和光纤干涉仪中由于光纤微弯、扭曲、环境变化等影响使偏振态随机变化，这使得光纤水听器中光的干涉不稳定，特别当两束干涉光偏振态正交时，输出信号的可见度为零，这时传感信号完全消失)，同时其灵敏度很难进一步提升，亟需新的技术手段来进一步提升探测灵敏度和信噪比。
综合而言，目前光纤水听器较压电式水听器优势明显，但其噪声大且灵敏度提升遭遇瓶颈，其主要缺陷如下：噪声大，因为偏振衰落，传输过程会逐步放大噪声；灵敏度提升慢；虽然光纤水听器有各种增敏结构，但最终探测的还是光纤自身的变化量，受光纤材质本身性质所限定，目前灵敏度已接近极限(杨氏模量越小振动越敏感)，故需要寻求其它方法、结构、材料来提升灵敏度。
发明内容
针对背景技术中提到的问题，本发明的目的是提供一种基于激光多普勒测振的数字水听器及测振方法，以解决背景技术中提到的问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于激光多普勒测振的数字水听器，包括外壳、隔音层、空气仓、振膜、镜头、光波导芯片、激光器、光电转换模块、处理芯片组成：所述外壳、所述空气仓和所述振膜组成声波探头；所述镜头起准直作用，从光波导将探测光引出并平行出射到所述振膜上；所述光波导芯片上集成了探测干涉仪，在厘米级大小的所述光波导芯片内实现多路分光/分波、合光/合波和相位控制功能；所述光电转换模块将干涉后光学信号转换为电信号供后续采集、处理、分析使用；所述处理芯片上集成有采集单元、处理单元、分析单元、控制单元和通讯单元。
较佳的，所述激光器为普通线宽激光器。
较佳的，所述保护壳为金属材质，所述保护壳的外表附着有机防腐材料。
较佳的，所述振膜为声敏材料。
较佳的，所述外壳整体为圆柱胶囊结构。
较佳的，所述激光器发出探测光路和参考光路，所述探测光路和所述参考光路经过光电转换模块后连接至所述采集单元，所述采集单元连接有所述处理单元，所述处理单元连接有音频输出，所述探测光路连接有准直镜头，所述准直镜头连接有振动探头。
本发明还提供了一种基于激光多普勒测振的数字水听器的测振方法，包括以下步骤：
S1、激光器出射激光，分束到探测光路和参考光路；
S2、探测光束经准直镜头平行出射到弹性振膜上，探测光束经过弹性振膜散射原路返回到光波导芯片上；
S3、外界声波传导到弹性振膜上，振动信息被散射光束所携带，最后在光波导芯片上进行干涉，干涉后入射到光电转换模块上，转换为电信号；
S4、通过专用芯片的采集单元采集并处理分析，通过一系列算法解析出声波信号，最后变成数字信号通过信号线传出。
综上所述，本发明主要具有以下有益效果：
1.本发明采用调频连续波相干解调，有着极高的灵敏度，采用通讯常用激光器即可，不需要窄线宽光源，大大降低成本；
2.本发明利用独特光学技术设计优化的光波导芯片，实现传感信号处理发射和接受过程的集成化、小型化，因为光波导保偏效果很好(60dB以上)，系统噪声低至
3.本发明采集处理部分采用专用芯片，可大幅降低体积和功耗，功耗可低至10mW；
4.本发明直接探测振膜处振动，振膜杨氏模量小，同等声强震动幅度大，系统灵敏度最高可达-80dB rad/μPa。
附图说明
图1是本发明的系统原理图；
图2是本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参考图1和图2，一种基于激光多普勒测振的数字水听器，包括外壳、隔音层、空气仓、振膜、镜头、光波导芯片、激光器、光电转换模块、处理芯片组成：所述外壳、所述空气仓和所述振膜组成声波探头；所述镜头起准直作用，从光波导将探测光引出并平行出射到所述振膜上；所述光波导芯片上集成了探测干涉仪，在厘米级大小的所述光波导芯片内实现多路分光/分波、合光/合波和相位控制功能；所述光电转换模块将干涉后光学信号转换为电信号供后续采集、处理、分析使用；所述处理芯片上集成有采集单元、处理单元、分析单元、控制单元和通讯单元。
参考图1和图2，一种基于激光多普勒测振的数字水听器，激光器出射激光，分束到探测光路和参考光路(含延迟线，补偿参考臂与探测臂的不一致)，探测光束经准直镜头平行出射到弹性振膜上，光束经过振膜散射原路返回到光波导芯片上，外界声波传导到振膜上，振动信息就会被散射光束所携带，最后在光波导芯片上进行干涉，干涉后入射到光电转换模块上，转换为电信号，通过专用芯片的采集单元采集并处理分析，通过一系列算法解析出声波信号，最后变成数字信号通过信号线传出。目前性能较高的是光纤水听器，通过光纤探测声波，本质是声波传导到探测光纤上，导致光纤发生应变，进而改变待探测量。而本方案通过测量弹性振膜的振动来探测声波，因为薄膜的杨氏模量远小于光纤，所以同等声压下变化幅度更大。光纤杨氏模量73GPa，聚乙烯3GPa，二者相差20多倍，同时薄膜厚度比光纤更薄，与声场接触面更大，实际相位灵敏度远远大于光纤传感器。实测在1000Hz、60dB下，聚乙烯薄膜振动幅值200nm,而玻璃板只有1nm(二者同尺寸)，换算为相位灵敏度差46dB；同时本方案系统噪声10pm左右，因为水听器输出为数字信号，且不会因为传输距离的延长而增加噪声，从而实现高灵敏、低噪声输出。
其中，所述激光器为普通线宽激光器；普通线宽激光器基本上能够满足线宽＜1nm，波长为红外波段，波长在1310nm/1550nm；具有较好的适应性。
其中，所述保护壳为金属材质，所述保护壳的外表附着有机防腐材料；有机防腐材料可为橡胶、PVC等。
其中，所述振膜为声敏材料；声敏材料具有杨氏模量低，对声音振动敏感的优点。
其中，所述外壳整体为圆柱胶囊结构；该结构具有很强的抗水压能力。
其中，所述隔音层可以屏蔽声波对参考光路的影响，同时可以避免反向声波传导到振膜，导致振动相消降低灵敏度。
其中，所述激光器发出探测光路和参考光路，所述探测光路和所述参考光路经过光电转换模块后连接至所述采集单元，所述采集单元连接有所述处理单元，所述处理单元连接有音频输出，所述探测光路连接有准直镜头，所述准直镜头连接有振动探头。
其中，本实施例采用调频连续波相干解调，有着极高的灵敏度，采用通讯常用激光器即可，不需要窄线宽光源，大大降低成本；利用独特光学技术设计优化的光波导芯片，实现传感信号处理发射和接受过程的集成化、小型化，因为光波导保偏效果很好(60dB以上)，系统噪声低至本发明采集处理部分采用专用芯片，可大幅降低体积和功耗，功耗可低至10mW；本发明直接探测振膜处振动，振膜杨氏模量小，同等声强震动幅度大，系统灵敏度最高可达-80dBrad/μPa。
实施例2
一种基于激光多普勒测振的数字水听器的测振方法，包括以下步骤：
S1、激光器出射激光，分束到探测光路和参考光路；
S2、探测光束经准直镜头平行出射到弹性振膜上，探测光束经过弹性振膜散射原路返回到光波导芯片上；
S3、外界声波传导到弹性振膜上，振动信息被散射光束所携带，最后在光波导芯片上进行干涉，干涉后入射到光电转换模块上，转换为电信号；
S4、通过专用芯片的采集单元采集并处理分析，通过一系列算法解析出声波信号，最后变成数字信号通过信号线传出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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