本發(fā)明涉及一種寬帶超聲檢測系統(tǒng)及方法，尤其是涉及一種基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的聲電型換能器技術(shù)規(guī)范，工藝成熟，使用方便，然而其在某些惡劣環(huán)境下難以正常工作，如探測化學(xué)或者電磁環(huán)境中或者高強(qiáng)度的聲場等。而光纖聲傳感器，由于制作材料絕緣，能抗電磁干擾，且材料抗壓能力強(qiáng)，靈敏度高，耐腐蝕等特點，越來越受人關(guān)注。此外，隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，其成本也在不斷降低，易復(fù)用，具有很高的性價比，是傳統(tǒng)聲電型換能器的理想替代品。然而，大多數(shù)文章并未關(guān)注光纖本身聲學(xué)上的一些特性對聲場測量造成的影響，尤其是基于有源光纖光柵的超聲檢測系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的泵浦、有源光纖光柵、耦合器、轉(zhuǎn)換采集器和解調(diào)器，所述的泵浦發(fā)出泵浦光，有源光纖光柵接收泵浦光并激發(fā)產(chǎn)生反射激光，耦合器將反射激光進(jìn)行耦合產(chǎn)生多路具有相位差的耦合激光，所述的轉(zhuǎn)換采集器將多路具有相位差的耦合激光分別轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)電信號并存儲，所述的解調(diào)器對多路光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到超聲信號大小。

所述的耦合器包括依次連接的2*2耦合器和3*3耦合器，2*2耦合器輸入端連接有源光纖光柵，2*2耦合器輸出端連接3*3耦合器輸入端，3*3耦合器輸出端連接轉(zhuǎn)換采集器；

所述的2*2耦合器接收反射激光并生成兩路相位差為π的第一耦合激光，3*3耦合器接收兩路第一耦合激光并生成三路兩兩之間相位差為2π/3的第二耦合激光。

所述的轉(zhuǎn)換采集器包括依次連接的光電轉(zhuǎn)換器和采集卡，所述的光電轉(zhuǎn)換器連接耦合器，所述的采集卡連接調(diào)節(jié)器，光電轉(zhuǎn)換器將多路具有相位差的激光分別轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)電信號，采集卡采集光強(qiáng)電信號并存儲。

所述的解調(diào)器為labview解調(diào)器。

一種采用上述基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行超聲檢測的方法，該方法包括如下步驟：

(1)將有源光纖光柵置于待測量的超聲場中，泵浦發(fā)出波長為λ1的泵浦光；

(2)有源光纖光柵接收泵浦光并激發(fā)產(chǎn)生波長為λ2的反射激光；

(3)耦合器接收反射激光并耦合產(chǎn)生多路具有相位差的耦合激光；

(4)轉(zhuǎn)換采集器將多路耦合激光轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)電信號并存儲；

(5)解調(diào)器根據(jù)多路耦合激光對應(yīng)的光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)計算得到超聲信號大小。

所述的步驟(3)具體為：首先2*2耦合器接收有源光纖光柵的反射激光并耦合產(chǎn)生兩路相位差為π的第一耦合激光，然后3*3耦合器接收兩路第一耦合激光并生成三路兩兩之間相位差為2π/3的第二耦合激光；

進(jìn)而，步驟(4)轉(zhuǎn)換采集器將三路兩兩之間相位差為2π/3的第二耦合激光轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)電信號并存儲，步驟(5)解調(diào)器根據(jù)3路光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到超聲信號大小。

步驟(5)解調(diào)器根據(jù)3路光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到超聲信號大小具體方法為：

(a)將3路光強(qiáng)電信號去除直流分量得到交流分量s1、s2和s3，s1、s2和s3分別對時間t求導(dǎo)得到s1′、s2′和s3′；

(b)求取s1＝s1′·(s2′-s3′)、s2＝s2′·(s1′-s3′)、s3＝s3′·(s1′-s2′)；

(c)求取s＝s1+s2+s3；

(d)根據(jù)下式求取有源光纖光柵在待測量的超聲場中的中心波長的改變量δλb：

其中，ne為有源光纖光柵的有效折射率，d為2*2耦合器輸出臂的臂長差，λb為有源光纖光柵的中心波長；

(e)根據(jù)δλb得到超聲信號大小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過采用有源光纖光柵對超聲場進(jìn)行檢測，降低了無源光纖光柵傳感器的透射光波的波長線寬，使得傳感靈敏度更高；

(2)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶超聲檢測，其聲場破壞性小、抗電磁干擾、耐高壓且最高檢測頻率可達(dá)14mhz；

(3)本發(fā)明通過2個耦合器對有源光纖光柵的反射激光進(jìn)行耦合得到3路相位差為2π/3的第二耦合激光，將第二耦合激光轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)電信號，進(jìn)而對光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到有源光纖光柵在待測量的超聲場中的中心波長的改變量δλb，進(jìn)而根據(jù)δλb獲取超聲信號大小，經(jīng)過解調(diào)后的光強(qiáng)電信號已經(jīng)與光強(qiáng)直流信號無光，這說明這樣一種解調(diào)方式，可以無視激光源的功率波動，對光源的穩(wěn)定性要求較低，從而可以大大減小解調(diào)系統(tǒng)在光源部分的成本。此外，由于和光源光強(qiáng)無關(guān)，這樣一種解調(diào)方法和紋影法類似，可以成為一種絕對的定量測量方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測方法的流程框圖。

圖中，1為泵浦、2為有源光纖光柵、3為2*2耦合器、4為3*3耦合器、5為光電轉(zhuǎn)換器、6為采集卡、7為解調(diào)器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例

如圖1所示，一種基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次連接的泵浦1、有源光纖光柵2、耦合器、轉(zhuǎn)換采集器和解調(diào)器7，泵浦1發(fā)出泵浦光，有源光纖光柵2接收泵浦光并激發(fā)產(chǎn)生反射激光，耦合器將反射激光進(jìn)行耦合產(chǎn)生多路具有相位差的耦合激光，轉(zhuǎn)換采集器將多路具有相位差的耦合激光分別轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)電信號并存儲，解調(diào)器7對多路光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到超聲信號大小。

耦合器包括依次連接的2*2耦合器3和3*3耦合器4，2*2耦合器3輸入端連接有源光纖光柵2，2*2耦合器3輸出端連接3*3耦合器4輸入端，3*3耦合器4輸出端連接轉(zhuǎn)換采集器；

2*2耦合器3接收反射激光并生成兩路相位差為π的第一耦合激光，3*3耦合器4接收兩路第一耦合激光并生成三路兩兩之間相位差為2π/3的第二耦合激光。

轉(zhuǎn)換采集器包括依次連接的光電轉(zhuǎn)換器5和采集卡6，光電轉(zhuǎn)換器5連接耦合器，采集卡6連接調(diào)節(jié)器，光電轉(zhuǎn)換器5將多路具有相位差的激光分別轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)電信號，采集卡6采集光強(qiáng)電信號并存儲。

解調(diào)器7為labview解調(diào)器。

如圖2所示，一種采用上述基于有源光纖光柵的寬帶超聲檢測系統(tǒng)進(jìn)行超聲檢測的方法，該方法包括如下步驟：

a1：將有源光纖光柵2置于待測量的超聲場中，泵浦1發(fā)出波長為λ1的泵浦光；

a2：有源光纖光柵2接收泵浦光并激發(fā)產(chǎn)生波長為λ2的反射激光；

接下來，耦合器接收反射激光并耦合產(chǎn)生多路具有相位差的耦合激光，具體包括：

a3：2*2耦合器3接收有源光纖光柵2的反射激光并耦合產(chǎn)生兩路相位差為π的第一耦合激光；

a4：3*3耦合器4接收兩路第一耦合激光并生成三路兩兩之間相位差為2π/3的第二耦合激光；

a5：光電轉(zhuǎn)換器5將三路兩兩之間相位差為2π/3的第二耦合激光轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)電信號；

a6：采集卡6采集步驟a5中光強(qiáng)電信號并存儲；

a7：解調(diào)器7根據(jù)3路光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到超聲信號大小.

步驟a7中解調(diào)器7根據(jù)3路光強(qiáng)電信號進(jìn)行解調(diào)得到超聲信號大小具體方法為：

(a)將3路光強(qiáng)電信號去除直流分量得到交流分量s1、s2和s3，s1、s2和s3分別對時間t求導(dǎo)得到s1′、s2′和s3′；

(b)求取s1＝s1′·(s2′-s3′)、s2＝s2′·(s1′-s3′)、s3＝s3′·(s1′-s2′)；

(c)求取s＝s1+s2+s3；

(d)根據(jù)下式求取有源光纖光柵2在待測量的超聲場中的中心波長的改變量δλb：

其中，ne為有源光纖光柵2的有效折射率，d為2*2耦合器3輸出臂的臂長差，λb為有源光纖光柵2的中心波長；

(e)根據(jù)δλb得到超聲信號大小。

上述(d)中公式可以根據(jù)下述方式推演得到：

有源光纖光柵2激發(fā)產(chǎn)生的反射激光進(jìn)入2*2耦合器3后，其輸出光可以有耦合模方程解得。設(shè)2*2耦合器3中兩路光纖中的耦合方程為：

其中，β1和β2為兩路光纖中的光傳播常數(shù)，與光波長及折射率有關(guān)，k12和k21為耦合系，a1和a2為耦合器兩路光纖中傳播的光復(fù)振幅，j表示虛部。

假設(shè)k12＝k21＝k，β1＝β2＝β，則可化簡為：

解式(1.2)方程組可得：

其中，c1、c2、c3、c4為任意常數(shù)。

代入邊界條件，即在z＝0處有：

可以解得c1＝c3，c4＝-c2，則：

則式(1.1)可以改寫為：

當(dāng)只有一路光纖有光輸入時，2*2耦合器3的輸出光為：

當(dāng)分光比相同時，有：

則2*2耦合器3輸出方程為：

其中，l＝π/4k為2*2耦合器3光耦合長度，wray為輸入光角頻率，a1(0)為輸入光振幅。由式(1.9)可知，當(dāng)只有一路光輸入且分光比相同時，2*2耦合器3的兩路輸出光之間會產(chǎn)生90°相位差。

2*2耦合器3的兩路輸出光進(jìn)入3*3耦合器4后，其輸出光同樣可以用耦合模方程解得。

設(shè)3*3耦合器4耦合方程為：

解方程(1.10)，可得：

代入邊界條件：

可得：

其中，m＝(e^j3kz-1)/(e^j3kz+2)。

當(dāng)分光比相同時，可以解得：

則可以解得：

則式(1.10)可以改寫為：

將2*2耦合器3的兩路輸出光作為3*3耦合器4的兩路輸入光輸入1、3通道：

則3*3耦合器4的三路輸出光復(fù)振幅為：

則輸出光光強(qiáng)為：

其中，v為進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換器5的直流電壓，而k為光電轉(zhuǎn)換器5的放大倍數(shù)。

由于在聲壓擾動下，光纖光柵傳感器發(fā)出的光波長會有變化，而這一變化會在3*3耦合器4的1、3輸入端產(chǎn)生一定的相位差，加上2*2耦合器3自身在輸出端產(chǎn)生的90°相位差，1、3輸入端相位差有：

其中，d為2*2耦合器3輸出臂的臂長差，則式(1.19)可以改寫為：

由式(1.21)可得，3*3耦合器4的三路輸出光強(qiáng)之間的相位差為120°。

利用三角函數(shù)關(guān)系式：

將式(1.21)中的三個等式相加并乘以1/3可以得到直流信號v，減去式(1.21)后得：

式(1.23)對時間t求導(dǎo)，可以得到：

式中：

將三路信號每一路信號乘以另外兩路信號導(dǎo)數(shù)的差，得到：

將式(1.25)三式相加，可得：

將式(1.26)除以式(1.23)中三式的平方和再除以可得：

再對式(1.27)進(jìn)行積分，可以得到δλb，而δλb與聲信號相關(guān)，故可以通過這種解調(diào)方法得到聲場的信號。

由式(1.27)可以看出，經(jīng)過解調(diào)后的信號已經(jīng)與光強(qiáng)直流信號無光，這說明這樣一種解調(diào)方式，可以無視激光源的功率波動，對光源的穩(wěn)定性要求較低，從而可以大大減小解調(diào)系統(tǒng)在光源部分的成本。此外，由于和光源光強(qiáng)無關(guān)，這樣一種解調(diào)方法和紋影法類似，可以成為一種絕對的定量測量方法。