本發(fā)明涉及光纖超聲傳感，尤其涉及一種基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、膜片型光纖法布里-珀羅(f-p)超聲傳感系統(tǒng)靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是當(dāng)前局部放電超聲信號(hào)檢測(cè)的研究熱點(diǎn)，包括光纖f-p超聲傳感器和解調(diào)系統(tǒng)兩部分，當(dāng)外界超聲信號(hào)作用于傳感膜片時(shí)，會(huì)造成f-p腔腔長(zhǎng)或腔內(nèi)介質(zhì)折射率等物理量發(fā)生變化，進(jìn)一步引起干涉光信號(hào)的反射光強(qiáng)和反射光譜發(fā)生變化，通過(guò)解調(diào)算法找到這些變化量與待測(cè)信號(hào)之間的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量。不同的解調(diào)系統(tǒng)關(guān)注到的信息不同，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇。目前，常用的解調(diào)系統(tǒng)主要分為強(qiáng)度解調(diào)和相位解調(diào)。其中，基于橢圓擬合(ef)和微分交叉相乘(dcm)算法的雙波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單且數(shù)據(jù)處理速度快，在光纖f-p傳感器解調(diào)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于超聲信號(hào)在空氣中衰減速度快，作用在空氣耦合傳感器上的聲信號(hào)通常較小，兩路干涉信號(hào)的李薩如圖常為短弧信號(hào)而非形成閉合橢圓，傳統(tǒng)基于最小二乘擬合法(lsm)的ef算法對(duì)短弧信號(hào)的擬合精度較低。

2、因此，有必要提供一種基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱超聲信號(hào)的高精度解調(diào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)。

2、本發(fā)明提供的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、光纖f-p超聲傳感器、密集波分復(fù)用器、光電探測(cè)器、光電探測(cè)器、adc數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)處理單元。

3、優(yōu)選的，所述寬帶光源發(fā)出的平坦寬帶光信號(hào)波長(zhǎng)范圍為1535nm～1565nm，平均功率約為30mw。

4、優(yōu)選的，所述的光纖環(huán)形器中共有三個(gè)端口：1端口、2端口和3端口，寬帶光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光信號(hào)通過(guò)1端口進(jìn)入光纖環(huán)形器，由2端口注入光纖f-p超聲傳感器，并在f-p腔內(nèi)發(fā)生干涉，干涉光信號(hào)由2端口返回光纖環(huán)形器后通過(guò)3端口進(jìn)入密集波分復(fù)用器。

5、優(yōu)選的，所述的密集波分復(fù)用器可以將寬帶光信號(hào)分離成兩路不同波長(zhǎng)的窄帶光信號(hào)，各通道之間的隔離度大于40db，通道帶寬不超過(guò)0.4nm，通道1和通道2輸出的光信號(hào)波長(zhǎng)分別為1549.32nm和1557.36nm。

6、優(yōu)選的，聲壓較小的聲信號(hào)作用于光纖f-p超聲傳感器時(shí)，返回的兩路干涉信號(hào)李薩如圖為短弧信號(hào)，無(wú)法構(gòu)成完整橢圓。

7、優(yōu)選的，所述光電探測(cè)器和光電探測(cè)器兼顧高帶寬與低噪聲特點(diǎn)，其轉(zhuǎn)化增益可調(diào)，3db帶寬最高可達(dá)510khz，噪聲等效功率為17.6pw/hz1/2，可探測(cè)的光波長(zhǎng)范圍為800～1800nm。

8、優(yōu)選的，所述adc數(shù)據(jù)采集卡用于將光電探測(cè)器和光電探測(cè)器輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)，adc數(shù)據(jù)采集卡雙通道并行處理數(shù)據(jù)，采用usb2.0方式通信，量化位數(shù)為16bit，各通道采樣率可調(diào)，最高可達(dá)1mhz，輸入量程為±10v。

9、優(yōu)選的，所述系統(tǒng)通過(guò)列文伯格-馬夸爾特方法對(duì)橢圓擬合過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，以解決傳統(tǒng)橢圓擬合算法對(duì)短弧信號(hào)的參數(shù)擬合誤差較大的問(wèn)題。

10、與相關(guān)技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)具有如下有益效果：

11、本發(fā)明提供一種基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)：

12、1、本發(fā)明聯(lián)合使用寬帶光源和密集波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)兩路窄帶光信號(hào)的波分復(fù)用，避免使用兩路窄帶光源及耦合器的使用，大大降低了雙波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)的硬件復(fù)雜程度；

13、2、本發(fā)明中的兩路窄帶干涉光信號(hào)波分復(fù)用，光電轉(zhuǎn)化和模數(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程中兩路信號(hào)同步處理，克服時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)受時(shí)隙分割影響無(wú)法實(shí)現(xiàn)高頻超聲信號(hào)解調(diào)的缺陷；

14、3、本發(fā)明通過(guò)lmm-ef算法修正傳統(tǒng)lsm-ef算法對(duì)短弧信號(hào)擬合誤差較大的問(wèn)題，減小擬合得到的橢圓參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間的誤差，進(jìn)一步提升雙波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)對(duì)微小聲信號(hào)的解調(diào)精度；

15、4、本發(fā)明克服傳統(tǒng)多波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)要求各路干涉信號(hào)相位差保持正交或反相的限制條件，在不改變解調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)多種腔長(zhǎng)光纖f-p超聲傳感器的高精度解調(diào)。

技術(shù)特征：

1.一種基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于：所述的解調(diào)系統(tǒng)包括寬帶光源(1)、光纖環(huán)形器(2)、光纖f-p超聲傳感器(3)、密集波分復(fù)用器(4)、光電探測(cè)器(5)、光電探測(cè)器(6)、adc數(shù)據(jù)采集卡(7)和信號(hào)處理單元(8)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述寬帶光源(1)發(fā)出功率為30mw、波長(zhǎng)范圍為1535nm～1565nm的寬帶光信號(hào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖環(huán)形器(2)中共有三個(gè)端口，其中，一個(gè)端口用于寬帶光源(1)發(fā)出的連續(xù)寬帶光信號(hào)通過(guò)此端口進(jìn)入光纖環(huán)形器(2)，一個(gè)端口用于注入光纖f-p超聲傳感器(3)，另外一個(gè)端口用于干涉光信號(hào)通過(guò)此端口進(jìn)入密集波分復(fù)用器(4)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述密集波分復(fù)用器(4)將光纖f-p超聲傳感器(3)返回的寬帶干涉光信號(hào)濾波為兩路窄帶干涉光信號(hào)，各通道之間的隔離度大于40db，通道帶寬不超過(guò)0.4nm，窄帶光信號(hào)的中心波長(zhǎng)分別為1549.32nm和1557.36nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，聲壓較小的聲信號(hào)作用于光纖f-p超聲傳感器(3)時(shí)，返回的兩路干涉信號(hào)李薩如圖為短弧信號(hào)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述光電探測(cè)器(5)和光電探測(cè)器(6)兼顧高帶寬與低噪聲特點(diǎn)，其轉(zhuǎn)化增益可調(diào)，3db帶寬最高可達(dá)510khz，噪聲等效功率為17.6pw/hz1/2，可探測(cè)的光波長(zhǎng)范圍為800～1800nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述adc數(shù)據(jù)采集卡(7)用于將光電探測(cè)器(5)和光電探測(cè)器(6)輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)，adc數(shù)據(jù)采集卡(7)雙通道并行處理數(shù)據(jù)，采用usb2.0方式通信，量化位數(shù)為16bit，各通道采樣率可調(diào)，最高可達(dá)1mhz，輸入量程為±10v。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于lmm-ef的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)使用列文伯格-馬夸爾特方法對(duì)橢圓擬合過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光纖超聲傳感技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于LMM?EF的光纖超聲傳感器解調(diào)系統(tǒng)。所述解調(diào)系統(tǒng)聯(lián)合使用寬帶光源和密集波分復(fù)用器實(shí)現(xiàn)兩路窄帶光信號(hào)的波分復(fù)用，通過(guò)列文伯格?馬夸爾特法對(duì)橢圓擬合過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，引入N階單位矩陣I和阻尼系數(shù)α，根據(jù)Jacobian矩陣與橢圓方程的近似程度更新α值，提高二階導(dǎo)數(shù)穩(wěn)定性以大幅降低擬合過(guò)程中病態(tài)問(wèn)題的發(fā)生，使擬合的迭代方式介于牛頓法和梯度下降法之間。通過(guò)最小化數(shù)據(jù)點(diǎn)與函數(shù)之間誤差的平方和實(shí)現(xiàn)兩路干涉信號(hào)李薩如圖的橢圓擬合，提高橢圓擬合算法對(duì)短弧信號(hào)的擬合精度，改善傳統(tǒng)基于橢圓擬合算法的雙波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)不適用于弱聲信號(hào)解的問(wèn)題，擴(kuò)大光纖F?P超聲傳感技術(shù)的探測(cè)范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：黃懌,張麗娜,王廷云,鄧傳魯,胡程勇,張小貝,張琦
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9