一種高靈敏度的光纖Sagnac干涉型聲音傳感技術研究

熊 杰， 周 洋

(1. 中國鐵路總公司 科技和信息化部， 北京 100844； 2. 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044)

光纖傳感作為一門新型的傳感技術，與傳統傳感技術相比，具有抗電磁干擾、靈敏度高、傳感距離遠、可分布式布設等優點，光纖傳感系統在振動監測、位移監測、溫度監測等諸多領域受到廣泛關注[1-3]。

按照信號調制量的不同，光纖傳感器可以分為3類：強度型、相位型和波長型，其中相位型傳感器具有傳感靈敏度高的特點，非常適合對微小振動信號的檢測[4-5]。Sagnac干涉系統[6-7]具有互易式結構，采用裸光纖制作干涉傳感單元，聲波的振動將改變傳感單元的光相位信息，光電轉換后利用音頻處理系統可還原聲音信號。

1 Sagnac干涉型聲音傳感原理

光纖Sagnac干涉原理見圖1[8-9]。由光源發出的光，經過耦合器后，被分為兩路相干光。傳感光纖的兩端分別接在耦合器右端的兩個輸出端口，從而構成一個光纖環路，稱為Sagnac干涉環。兩路相干光注入光纖環路的兩端，分別沿著環路的順時針方向和逆時針方向傳輸，并再次通過光耦合器到達光電探測器。順時針與逆時針兩束光在耦合器相遇后將產生干涉，干涉強度由兩束光的相位差決定[10]。當光纖受到外部信號微擾時，干涉強度發生變化，通過檢測干涉強度的變化即可實現對外部信號的傳感[11-12]。

圖1 Sagnac光纖干涉原理圖

光波通過長度為l的光纖，相位延遲為

Φ=β×l

( 1 )

式中:β為光波在光纖中的傳播常數，β=nk0，其中n為纖芯折射率，k0為光在真空中的波數，k0=2π/λ0，λ0為光在真空中的波長。

將式( 1 )微分可得

ΔΦ=Δ(βl)=βl(Δl/l)+

l(?β/?n)Δn+l(?β/?a)Δa

( 2 )

式( 2 )中第一項表示傳感光纖長度變化引起的相位差(應變效應或熱脹效應)；第二項為傳感光纖折射率變化引起的相位差(彈光效應或熱光效應)；第三項為傳感光纖芯徑變化引起的相位差(泊松效應)，由于其值相對較小，一般可忽略不計，式( 2 )可轉化為

ΔΦ=βl(Δ/l)+l(?β/?n)Δn=

βl(Δl/l)+lΔβ=ΔΦl+ΔΦn

( 3 )

式中:ΔΦl為由傳感光纖長度變化引起的相位差；ΔΦn為傳感光纖折射率變化引起的相位差。

在光纖干涉環上施加均勻振動信號P，調制光信號相位。分析可得

ΔΦ=ΔΦl+ΔΦn=-βP(1-2μ)l/E+

0.5lk0n3(P/E)(1-2μ)(p11+2p12)=

βlP(1-2μ)[n2(p11+2p12)/2-1]/E

( 4 )

式中:P為振動強度;l為傳感光纖長度且恒定不變;μ為光纖的泊松常數;p11、p12為彈光張量分量;E為光纖的彈性模量。

式( 4 )表明，在傳感光纖均勻受力的情況下，相位變化量正比于外界信號，振動信號P可以直接且動態地對傳感光纖中的光相位ΔΦ進行調制[13-14]。在光纖Sagnac干涉原理圖1中，兩列光在耦合器處干涉時，干涉光振幅分布是這兩列光波復數振幅的合成，即

E(z)=E1(z)+E2(z)

( 5 )

式中:E1(z)、E2(z)和E(z)分別為經過耦合器后的兩束光及干涉后的復數振幅。與之相對應的干涉光強度A為

A=E(z)·E*(z)=

[E1(z)+E2(z)][E1(z)+E2(z)]*=

( 6 )

式中:A1、A2分別為順時針、逆時針光的強度；ΔΦd為兩束光的相位差。

當兩相干光束的光強相等時，即A1=A2=A0時，式( 6 )變為

A=2A0(1+cos(ΔΦd))=4A0cos2(ΔΦd/2)

( 7 )

通過式( 7 )，建立起了輸出光強A與雙光束相位差ΔΦd之間的對應關系。聯立式( 4 )便可得到外界聲音信號與傳感系統輸出光強的關系。

2 Sagnac干涉型聲音傳感器系統

聲音傳感器是基于Sagnac光纖干涉結構實現的。在外界穩定條件下，光探測器檢測的光干涉強度恒定不變，但當傳感光纖被置于聲音場時，聲音信號調制光相位，從而使光干涉強度發生相應變化，通過對干涉信號的解調、光電轉換處理，可以實現聲音信號的還原[15]。

為了提高聲音傳感系統的靈敏度，本文提出將普通光纖繞制成光纖探頭感應線圈，將其置于測量點，采集外界聲音信號。光纖Sagnac干涉型聲音傳感器的系統框圖見圖2。相比于傳統環形Sagnac結構，由于感應線圈的存在，使得系統可以收集更微弱的外界震動信號，從而提高系統的靈敏度。

圖2 Sagnac干涉型聲音傳感器系統框圖

激光器發出的光信號經過2×2耦合器被分為兩束同頻﹑同相﹑相同強度的相干光，分別沿著光纖線路的順時針方向和逆時針方向傳輸，感應線圈作為光纖線路的一部分用來感知外界的聲音信號，兩束經過聲音信號作用之后的光在耦合器發生干涉，并經過光電探測器、電流/電壓(I/V)轉換器到達計算機上的音頻處理系統。

3 系統仿真與測試

3.1 聲音傳感仿真驗證

根據圖2的系統圖，使用MATLAB軟件對系統進行仿真驗證，為方便計算和對比，考慮到數值仿真時式( 4 )～ 式( 7 )中各常數取值只會影響輸出聲音信號的幅度差異，不影響歸一化幅度，故仿真時所有常數均取為1。

聲音傳感系統的主要功能是實現聲音的采集與還原，為檢測其聲音還原性能，使用一段音頻信號模擬外界振動信號，作為系統仿真驗證的輸入信號，對比原始音頻與系統輸出音頻的時域、頻域波形，驗證傳感系統對連續聲音信號采集的性能。仿真結果見圖3、圖4。在聲音波形顯示中，原始音頻信號長度近1 min，且為不斷循環的重復聲音，為了方便觀察，只取0～3 s的波形顯示；在頻譜顯示中，由于大部分能量集中在5 000 Hz以下，仿真結果只取0～5 000 Hz的范圍來顯示，頻譜圖中縱坐標代表原始信號中各個頻率分量的強度值。

圖3 音頻波形

圖4 音頻頻譜圖

仿真驗證中，將經過傳感系統后的信號再次輸出為音頻文件，能夠清晰地分辨輸出信號的曲調旋律等信息，并與輸入音頻信號一致。對比時域波形，兩者基本相同，存在微小的失真和底噪聲；從頻譜上來看，輸出信號在各頻點都存在幅度值，為系統中產生的白噪聲，輸出信號主要頻率成分與輸入信號相同。

3.2 聲音傳感測試驗證

測試環境中采用5 km G.652單模裸光纖，螺旋繞制成直徑約8 cm的圓柱形聲音傳感探頭并置于聲音場中。采用隨機音樂信號作為聲音源，其頻譜中大部分能量集中在20 kHz以內。光電探測器使用PIN光電二極管，輸出光電流經放大器放大后進入I/V轉換器。使用60 km左右長度的G.652單模光纖搭建實驗系統，測試光電探測器輸入光功率與I/V轉換器輸出電壓關系曲線，其測試結果見圖5。

圖5 光功率與電壓關系圖

圖5表明探測器在光功率為-50 dBm時仍有電壓響應，光功率大于-40 dBm時具有較好的響應度，仿真及實驗測試表明，通過使用G.652光纖繞制而成的感應線圈，獲得了較高的系統靈敏度，工作時光電探測器最低接收光功率為-40 dBm，光功率探測范圍為-40～-25 dBm。需要說明的是，聲音場中繞制傳感探頭的光纖長度與靈敏度直接相關。

將系統采集到的信號輸出送入計算機，通過音頻編輯軟件進行分析。為了驗證傳感系統對連續聲音信號采集的性能，選取某音樂信號作為被測聲源。利用音頻軟件處理得到音樂樣本與傳感系統采集的音樂信號波形、頻譜進行對比，見圖6、圖7。圖6中最大允許電平為衡量音樂強度的無量綱值，其值越大，相對音量越大。圖7中橫軸為時間，縱軸為頻率，代表不同時間點、不同頻率的強度值，顏色越深，則對應頻率成分聲音強度越大。圖7(a) 、圖7(b)中，音樂最高頻率大約為17 kHz，經過傳感系統后，由于系統噪聲的存在，導致在超過20 kHz的頻譜處仍存在頻率成分。

圖7 音樂頻譜

測試中，能夠清晰地聽到音樂的曲調、伴奏、歌詞等信息。對比時域波形，兩者基本相同，存在微小失真；從頻譜上來看，音樂樣本的截止頻率、傳感系統采集到的音樂信號在音頻處理軟件上的截止頻率均設置為22 kHz，傳感系統采集到的音樂信號在高頻處有微小失真。

4 結束語

本文構建了一種通過聲音信號調制光相位參數的高精度聲音傳感系統，該系統采用普通光纖繞制聲音感應線圈，基于光纖Sagnac干涉架構將光相位信息轉換為光干涉強度信息，實現對聲音信號的傳感和恢復。仿真及實驗測試結果表明，通過使用G.652普通光纖繞制而成的感應線圈，獲得了較高的系統靈敏度，工作時光電探測器最低接收光功率達到-40 dBm，并且能較好地還原聲音信號。由于光纖干涉傳感系統具有較好的抗電磁干擾性能，該聲音傳感系統在電磁干擾復雜的環境中有很大的應用價值。