一種利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于光纖傳感及信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)包括：寬光譜光源、光纖干涉系統(tǒng)、傳感光纖、光電檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)處理平臺(tái)；傳感光纖利用全光纖傳感探頭構(gòu)成光纖聲傳感器陣列，利用波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的同時(shí)采集；光源發(fā)出的光輸入光纖干涉系統(tǒng)，施加于傳感光纖上的信號(hào)經(jīng)過(guò)干涉系統(tǒng)進(jìn)行干涉，經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)后采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)接收到的聲信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源位置信息，顯示聲源位置坐標(biāo)。光纖聲傳感器陣列由基于Sagnac環(huán)的干涉光路構(gòu)成，或者由基于反饋式的干涉光路構(gòu)成。本發(fā)明確定聲源位置,具有探測(cè)聲音頻帶寬,抗電磁干擾，耐腐蝕等特點(diǎn),可用于探測(cè)低空飛行物及水下潛艇等。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光纖傳感及信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種利用光纖探測(cè)聲源位置 的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，雷達(dá)面臨著電子干擾、反福射導(dǎo)彈、低空突防和隱身技術(shù)等威脅。武裝直 升機(jī)和精確制導(dǎo)巡航導(dǎo)彈等低空飛行目標(biāo)能夠在150mW下高度的雷達(dá)盲區(qū)活動(dòng)，地面常規(guī) 雷達(dá)探測(cè)低空目標(biāo)有其固有的弱點(diǎn)，使雷達(dá)控制的防空系統(tǒng)很難有效地發(fā)揮作用，對(duì)要點(diǎn) 防御系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。2011年5月2號(hào)美國(guó)利用超低空飛行的4架隱身武裝直升機(jī)深入 己基斯坦內(nèi)部擊斃本-拉登事件，足W證明超低空突防的有效性。面對(duì)超低空飛行武器的威 脅，聲陣列無(wú)源定位技術(shù)再度引起人們的廣泛重視，并不斷取得新的進(jìn)展。聲測(cè)定位技術(shù)具 有通視條件好、不受煙霧阻擋、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)，特別是對(duì)于超近距離的雷達(dá)盲區(qū)，可W彌 補(bǔ)雷達(dá)探測(cè)的不足，因此在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，有很好的發(fā)展?jié)摿??；诠饫w聲傳 感器構(gòu)成的陣列即是一個(gè)能有效實(shí)現(xiàn)聲陣列無(wú)源定位的方式。另外，我國(guó)有漫長(zhǎng)的海岸線(xiàn)、 眾多的港口、迂闊的海疆，而且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)集中在沿海，因此大力發(fā)展反潛戰(zhàn)系統(tǒng)，對(duì)于 防止敵人潛艇水下入侵和潛艇導(dǎo)彈的突襲，保衛(wèi)神圣的海疆和社會(huì)主義建設(shè)具有重要的戰(zhàn) 略意義。
[0003] 本發(fā)明基于波分復(fù)用的光纖干設(shè)系統(tǒng)，利用光纖環(huán)作為聲音探測(cè)器，完成對(duì)聲源 的定位。由于光纖耐腐蝕、抗電磁干擾的特性及探測(cè)頻帶寬等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，利用本發(fā)明構(gòu)造的 聲源位置探測(cè)系統(tǒng)性能將優(yōu)于傳統(tǒng)麥克風(fēng)陣列。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單有效的探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明提供的探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)，利用光纖技術(shù)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，具 體包括:寬光譜光源、光纖干設(shè)系統(tǒng)、傳感光纖、光電檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)處理平臺(tái)。其 中，傳感光纖用于聲信號(hào)的采集，該傳感光纖利用全光纖傳感探頭構(gòu)成光纖聲傳感器陣列， 利用波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的同時(shí)采集;工作時(shí)，光源發(fā)出的光輸入光纖干設(shè)系統(tǒng)，使得 施加于傳感光纖上的信號(hào)經(jīng)過(guò)干設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行干設(shè)，經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)后采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，經(jīng) 計(jì)算機(jī)中信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)多路接收到的聲信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源位置信息，在顯示聲源 位置坐標(biāo)。
[0006] 本發(fā)明提出的光纖聲傳感器陣列，是基于波分復(fù)用的，其結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。
[0007] 圖2為基于Sagnac環(huán)的干設(shè)光路構(gòu)成的光纖聲傳感器陣列，它包括:寬光譜光源1， 3X3光纖禪合器2(其有四個(gè)端口3、4、11、12)，延遲光纖線(xiàn)圈5,作為探頭的傳感光纖(傳感光 纖采用雙對(duì)稱(chēng)繞法在聚四氣乙締空屯、圓柱上繞制成的光纖線(xiàn)圈）陣列8、9、10、……，S個(gè)波 分復(fù)用器件6、7、13,多路同步光電探測(cè)器14和信號(hào)處理終端15。其中，光纖禪合器2的端口 11輸入端口，接收寬光譜光源1發(fā)出的光;端口 12為輸出端口，依次與波分復(fù)用器件13、多路 同步光電探測(cè)器14和信號(hào)處理終端15連接;光纖禪合器2的端口 3連接延遲光纖線(xiàn)圈5,延遲 光纖線(xiàn)圈5連接波分復(fù)用器件6;光纖禪合器2的端口 4連接波分復(fù)用器件7;波分復(fù)用器件6 與波分復(fù)用器件7之間并聯(lián)傳感光纖陣列，從而構(gòu)成多個(gè)Sagnac環(huán)路。
[0008] 采用Sagnac環(huán)路的光纖聲傳感器陣列的光路特征是：寬光譜光源1發(fā)出的光由光 纖禪合器2的端口 11進(jìn)入3X3光纖禪合器2，經(jīng)過(guò)該光纖禪合器2被分為兩束光，分別經(jīng)過(guò)端 口3、4,在Sagnac環(huán)中沿順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行傳輸;經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器件6、7,由于波 分復(fù)用器件6、7的存在，運(yùn)兩束光都會(huì)按照波長(zhǎng)分成多路，分別進(jìn)入多個(gè)傳感光纖8、9、10 等，在每個(gè)傳感光纖線(xiàn)圈中傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)都互不相同，即每個(gè)Sagnac環(huán)回路中傳輸?shù)墓?的波長(zhǎng)不同；當(dāng)有聲信號(hào)作用在某傳感光纖線(xiàn)圈（如傳感光纖線(xiàn)圈8)上時(shí)，在其中傳輸?shù)墓?會(huì)受到相位調(diào)制，且相位調(diào)制幅度與施加的聲壓信號(hào)成正比。由于延時(shí)光纖線(xiàn)圈5的存在， 沿順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒獾竭_(dá)傳某感光纖線(xiàn)圈（如傳感光纖線(xiàn)圈8)的時(shí)間 不同，即受到相位調(diào)制的時(shí)間不同。所W當(dāng)運(yùn)兩束光回到光纖禪合器2時(shí)，具有一定的相位 差，從而在其中發(fā)生干設(shè)。其他每個(gè)Sagnac環(huán)回路中傳輸?shù)墓舛冀?jīng)過(guò)了相似的過(guò)程發(fā)生干 設(shè)，所W在光纖禪合器2的輸出端12會(huì)得到各個(gè)波長(zhǎng)的干設(shè)光信號(hào)。干設(shè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)波分復(fù) 用器件13后按照相應(yīng)的波長(zhǎng)分成多路，各路干設(shè)光信號(hào)分別被多路同步光電探測(cè)器14接 收，然后輸入到信號(hào)處理終端15,對(duì)多路干設(shè)信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得聲源的位置信息。
[0009] 圖3為基于反饋式的干設(shè)光路構(gòu)成的光纖聲傳感器陣列，它包括寬光譜光源16， 3X3光纖禪合器17 (其有四個(gè)端口 18、19、31、32 )，2X2光纖禪合器23 (其有S個(gè)端口 21、22、 24)，延遲光纖線(xiàn)圈20，作為探頭的傳感光纖陣列26、27、28、……，反射鏡30,=個(gè)波分復(fù)用 器件25、29、33，多路同步光電探測(cè)器34和信號(hào)處理終端35;其中，3X3光纖禪合器17的端口 31為輸入端口，接收寬光譜光源16發(fā)出的光;端口 32為輸出端口，依次連接波分復(fù)用器件 33、多路同步光電探測(cè)器34和信號(hào)處理終端35;3X3光纖禪合器17的端口 18連接延遲光纖線(xiàn) 圈20,延遲光纖線(xiàn)圈20連接2X2光纖禪合器23的端口 21,3X3光纖禪合器17的端口 19連接2X2 光纖禪合器23的端口 22; 2X2光纖禪合器23的端口 24連接波分復(fù)用器件25;波分復(fù)用器件25 與波分復(fù)用器件29之間并聯(lián)傳感光纖陣列26、27、28、……；波分復(fù)用器件29與反射鏡30連 接。
[0010] 采用反饋式結(jié)構(gòu)的光纖聲傳感器陣列的光路特征是：寬光譜光源16由端口 31進(jìn)入 3X3光纖禪合器17,經(jīng)過(guò)分光，光纖禪合器17的端口 18的分光經(jīng)過(guò)延時(shí)光纖20進(jìn)入2X2光纖 禪合器23，端口 18的分光直接進(jìn)入光纖禪合器23;光從光纖禪合器23的端口 24出來(lái)后通過(guò) 波分復(fù)用器件25分成多路，分別進(jìn)入傳感光纖陣列26、27、28、……，感應(yīng)外界聲信號(hào)，然后 經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器件29合成一束，之后經(jīng)過(guò)反射鏡30,從反射鏡反射回的光依次經(jīng)過(guò)波分復(fù) 用器件29,光纖傳感陣列26、27、28、……，波分復(fù)用器件25,然后通過(guò)端口 24進(jìn)入2X2光纖禪 合器23，之后通過(guò)端口 22和端口 19進(jìn)入3X3光纖禪合器17，形成順時(shí)針?lè)较虻南喔晒猓涣硪?路相干經(jīng)過(guò)3X3光纖禪合器17后，從端口 19和端口 22進(jìn)入2X2光纖禪合器23，再由端口 24通 過(guò)波分復(fù)用器件25,光纖傳感陣列26、27、28、……，波分復(fù)用器件29，經(jīng)反射鏡30后再回到 光纖禪合器23,然后通過(guò)端口 21、延時(shí)光纖20、端口 18進(jìn)入光纖禪合器17,形成逆時(shí)針?lè)较?的相干光;兩束相干光在光纖禪合器17中發(fā)生干設(shè)，將攜帶有聲音信號(hào)引起的相位變化的 干設(shè)光信號(hào)由端口32輸出，輸出的干設(shè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器件33后按照相應(yīng)的波長(zhǎng)分成 多路，各路干設(shè)光信號(hào)分別被光電探測(cè)器34接收，然后輸入到信號(hào)處理終端35，對(duì)多路干設(shè) 信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得聲源的位置信息。
[0011] 當(dāng)光纖傳感陣列周?chē)新曉磿r(shí)，各個(gè)光纖聲傳感探頭接收到的聲音信號(hào)之間會(huì)有 一定時(shí)間差，根據(jù)聲音信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差(TDOA)可W對(duì)聲源進(jìn)行定位。選擇一路信號(hào)作為 參考信號(hào)，通過(guò)互相關(guān)函數(shù)來(lái)計(jì)算每路信號(hào)與參考信號(hào)的時(shí)間延遲。在計(jì)算互相關(guān)函數(shù)之 前還可W加入歸一化和濾波的處理，從而使互相關(guān)估計(jì)得到的時(shí)延值更準(zhǔn)確。另外，在信號(hào) 處理中也可W采用波束形成技術(shù)(如自適應(yīng)濾波等）W及高分辨率譜估計(jì)技術(shù)(如MUSIC算 法)來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列定位。如果是對(duì)多聲源定位的情況，可W通過(guò)特征子空間類(lèi)算法來(lái)得到聲源 數(shù)目的信息。
[0012] 本發(fā)明中，圖2和圖3中左邊虛線(xiàn)框內(nèi)可W做成一個(gè)模塊，右邊虛線(xiàn)框內(nèi)的光纖傳 感探頭陣列可W做在一個(gè)支架上，便于自由布設(shè)。本發(fā)明中利用多路信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差來(lái) 進(jìn)行定位，可W不用解調(diào)干設(shè)光信號(hào)，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。此外，還可W通過(guò)選擇不同的接收信 號(hào)作為參考信號(hào)進(jìn)行多次計(jì)算，增加定位結(jié)果的可靠性。本發(fā)明中的光纖傳感探頭具有耐 腐蝕、抗電磁干擾的特性及探測(cè)頻帶寬等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而且不易被探測(cè)，對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)接 收，可W應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0014] 圖2是基于Sagnac環(huán)的光纖聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖3是基于反饋式的光纖聲傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的傳感探頭排列結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中采集到的8路聲音信號(hào)片段。
[0018] 圖6是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中8路信號(hào)經(jīng)過(guò)歸一化和濾波處理后的信號(hào)片段。
[0019] 圖7是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中對(duì)聲源位置的定位結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 在本實(shí)施例中，利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括光 源、光纖干設(shè)系統(tǒng)、光纖傳感探頭、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理平臺(tái)。所用的光源為 電子集團(tuán)總公司44研究所生產(chǎn)的S03-B型超福射發(fā)光管(SLD)型寬光譜穩(wěn)定光源，工作中屯、 波長(zhǎng)為1550nm。光纖干設(shè)系統(tǒng)中所用的光纖禪合器為武漢郵電研究院生產(chǎn)的單模光纖禪合 器。光電探測(cè)器為44所生產(chǎn)的型號(hào)為GT322C500的InGaAs光電探測(cè)器。所用的光纖為美國(guó)康 寧公司生產(chǎn)的G652型單模光纖。光源與干設(shè)系統(tǒng)、干設(shè)系統(tǒng)與探測(cè)器的連接方式是FC/PC跳 線(xiàn)連接。數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)化tional Instruments公司的型號(hào)為9234的采集卡。信號(hào)處理 平臺(tái)用LabVIEW語(yǔ)言搭建。
[0021] 本實(shí)施方式采用圖2所示光路結(jié)構(gòu)，采用8路波分復(fù)用系統(tǒng)，8個(gè)光纖傳感探頭擺成 如圖4所示的圓形陣列。本實(shí)施方式中采用基于到達(dá)時(shí)間差的方法對(duì)單一聲源進(jìn)行定位，采 用互相關(guān)函數(shù)法對(duì)接收到的8路信號(hào)之間的時(shí)間差進(jìn)行估計(jì)。通過(guò)遞推相減的方法將求解 聲源位置的方程組化成非齊次線(xiàn)性方程組，然后由此解得聲源的位置。具體計(jì)算過(guò)程如下：
[0022] 光纖聲傳感器接收到的聲信號(hào)模型描述如下：
[0023] xi(t) = ais(t-Tij)+ni(t) (I)
[0024] 其中，s(t)表示聲源信號(hào)，ai是聲波傳播的衰減因子(在后面的計(jì)算中，我們假設(shè)曰1 =1)，了^為各傳感探頭之間的時(shí)延，山(*)為噪聲。兩麥克風(fēng)的接收信號(hào)^(*)和^(*)的互相 關(guān)函數(shù)為：
[0025]
(2)
[00%]其中，E表示卷積。將(1)代入(2)式，并進(jìn)行展開(kāi)可得：
[0027]
巧)
[002引在噪聲較低的情況下，（3)式中的后S項(xiàng)可W忽略，即：
[0029]
口）
[0030] 由（4)式可得，當(dāng)Xi(t)和Xj(t)的互相關(guān)函數(shù)取最大值時(shí)，Rss(T-Tij)也取最大值， 又因?yàn)镽ss(T-Tij)^Rss(O),所W當(dāng)Rss(T-Tij)取最大值時(shí)有T = Tij,互相關(guān)函數(shù)的最大值對(duì) 應(yīng)的T即為兩路信號(hào)的時(shí)延T。因此，根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的峰值即可W得出兩麥克風(fēng)接收信號(hào) 之間的時(shí)延。
[0031] 將第i個(gè)聲傳感探頭所處的空間位置的坐標(biāo)表示為(Xl，yl，Zl)，聲源位置的坐標(biāo)為 (x，y，z)，聲速為c，聲音從聲源傳播至第i個(gè)聲傳感探頭的時(shí)間為tl。選擇第l路信號(hào)作為參 考信號(hào)，對(duì)第i路信號(hào)，有：
[0032] (4)
[0033] 為傳感探頭陣列的中屯、圓半徑，n為麥克風(fēng) 個(gè)數(shù)。Tl為第i路信號(hào)與第1路信號(hào)之間的時(shí)延值，由互相關(guān)估計(jì)所得，當(dāng)i = l時(shí)，Ti = 〇。
[0034] 則對(duì)第i路和第i+1路信號(hào)，有：
[0035]
(6)
[0036] 將(6)中的兩式相減可得：
[00371
巧）
[0038]對(duì)i = l，2,…，7,分別進(jìn)行上述操作，可得到7個(gè)形如（7)式的式子，將其化成矩陣 形式為：
[0039]
(8)
[0040] 通過(guò)求解非齊次線(xiàn)性方程組即可得到x、y和ti的值，再根據(jù)
可W求出Z的值，由此即得到了聲源位置的坐標(biāo)(x，y，z)。運(yùn)種計(jì)算方法中可W通過(guò)改變程 序中的參數(shù)Xl、yl、Zl，對(duì)陣列中不同的麥克風(fēng)數(shù)量及分布角度的情形很方便地進(jìn)行擴(kuò)展。需 要注意的是，當(dāng)Ti+i-Ti = 〇(i = l，2,…，7)時(shí)，由（8)式無(wú)法解得ti的值。此時(shí)聲源位于麥克風(fēng) 陣列圓環(huán)的中軸線(xiàn)上（即x = y = 0)，可W通過(guò)改變陣形或者采用其他方法重新計(jì)算得出聲 源位置的Z坐標(biāo)的值。
[0041] 在上述計(jì)算過(guò)程中，選擇第1路接收信號(hào)作為參考信號(hào)，同理可W選擇其他路信號(hào) 作為參考信號(hào)，可W求出8次估計(jì)聲源的位置，對(duì)運(yùn)些結(jié)果取平均，可W得到多次判斷平均 的聲源位置結(jié)果。
[0042] 本實(shí)施方式中，采集到的采集到的8路聲音信號(hào)圖像片段如圖5所示。圖6是本發(fā)明 【具體實(shí)施方式】中采集到的8路信號(hào)經(jīng)過(guò)歸一化和濾波處理后的圖像片段。本實(shí)施方式中，在 空間一位置發(fā)出了一個(gè)聲音信號(hào)，其定位結(jié)果如圖7所示。圖中Al，A2,…，A8分別為8個(gè)光纖 傳感探頭在空間坐標(biāo)軸中的位置。在陣列上方圓環(huán)中軸線(xiàn)附近給定一聲源，由之前所述算 法計(jì)算得到目標(biāo)聲源的坐標(biāo)值為(0.6,1.7,9.8)，單位為cm,與實(shí)際聲源位置相符。由此可 知，本發(fā)明系統(tǒng)可W測(cè)得聲源的位置信息，具有實(shí)用性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)，其特征在于，具體包括：寬光譜光源、光纖干涉 系統(tǒng)、傳感光纖、光電檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)處理平臺(tái)；其中，傳感光纖用于聲信號(hào)的采 集，該傳感光纖利用全光纖傳感探頭構(gòu)成光纖聲傳感器陣列，利用波分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路光信 號(hào)的同時(shí)采集;工作時(shí)，光源發(fā)出的光輸入光纖干涉系統(tǒng)，使得施加于傳感光纖上的信號(hào)經(jīng) 過(guò)干涉系統(tǒng)進(jìn)行干涉，經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)后采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)中信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)多 路接收到的聲信號(hào)進(jìn)行處理，得到聲源位置信息，在顯示聲源位置坐標(biāo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖聲 傳感器陣列，是基于波分復(fù)用的，具體由基于Sagnac環(huán)的干涉光路構(gòu)成，它包括：寬光譜光 源（1)，3X3光纖耦合器(2)，其有四個(gè)端口（3、4、11、12)，延遲光纖線(xiàn)圈（5)，作為探頭的傳感 光纖陣列(8、9、10、……），三個(gè)波分復(fù)用器件(6、7、13)，多路同步光電探測(cè)器（14)和信號(hào)處 理終端（15);其中，3X3光纖耦合器(2)的第一端口（ 11)為輸入端口，接收寬光譜光源（1)發(fā) 出的光，其第二端口（12)為輸出端口，依次與第三波分復(fù)用器件（13)、多路同步光電探測(cè) 器（14)和信號(hào)處理終端（15)連接；3X3光纖耦合器（2)的第三端口（3)連接延遲光纖線(xiàn)圈 (5)，延遲光纖線(xiàn)圈（5)連接第一波分復(fù)用器件(6) ;3X3光纖耦合器2的第四端口（4)連接第 二波分復(fù)用器件(7);第一波分復(fù)用器件(6)與第二波分復(fù)用器件(7)之間并聯(lián)傳感光纖陣 列（8、9、10、......），從而構(gòu)成多個(gè)Sagnac環(huán)路； 采用Sagnac環(huán)路的光纖聲傳感器陣列的光路是：寬光譜光源（1)發(fā)出的光由3X3光纖耦 合器(2)的第一端口（11)進(jìn)入3X3光纖耦合器(2)，經(jīng)過(guò)該3X3光纖耦合器(2)被分為兩束光， 分別經(jīng)過(guò)其第三端口（3)、第四端口（4)，在Sagnac環(huán)中沿順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行傳 輸;經(jīng)過(guò)第一波分復(fù)用器件(6)、第一波分復(fù)用器件(7)，由于第一波分復(fù)用器件(6)、第一波 分復(fù)用器件（7)的存在，這兩束光都會(huì)按照波長(zhǎng)分成多路，分別進(jìn)入傳感光纖陣列（8、9、 10、……），在每個(gè)傳感光纖線(xiàn)圈中傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)都互不相同，即每個(gè)Sagnac環(huán)回路中傳 輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)不同；當(dāng)有聲信號(hào)作用在某傳感光纖線(xiàn)圈上時(shí)，在其中傳輸?shù)墓鈺?huì)受到相位 調(diào)制，且相位調(diào)制幅度與施加的聲壓信號(hào)成正比；由于延時(shí)光纖線(xiàn)圈（5)的存在，沿順時(shí)針 方向和逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬墒獾竭_(dá)傳某感光纖線(xiàn)圈的時(shí)間不同，即受到相位調(diào)制的時(shí)間 不同；當(dāng)這兩束光回到3X3光纖耦合器(2)時(shí)，具有一定的相位差，從而在其中發(fā)生干涉；其 他每個(gè)Sagnac環(huán)回路中傳輸?shù)墓舛冀?jīng)過(guò)相似的過(guò)程發(fā)生干涉;在3X3光纖耦合器(2)的輸出 端口（12)得到各個(gè)波長(zhǎng)的干涉光信號(hào);干涉光信號(hào)經(jīng)過(guò)第三波分復(fù)用器件（13)后按照相應(yīng) 的波長(zhǎng)分成多路，各路干涉光信號(hào)分別被多路同步光電探測(cè)器（14)接收，然后輸入到信號(hào) 處理終端(15)，對(duì)多路干涉信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得聲源的位置信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖聲傳 感器陣列，是基于波分復(fù)用的，具體由基于反饋式的干涉光路構(gòu)成，它包括寬光譜光源 (16)，3X3光纖耦合器（17)，其有四個(gè)端口（18、19、31、32)，2X2光纖耦合器(23)，其有三個(gè)端 口（ 21、22、24)，延遲光纖線(xiàn)圈（20)，作為探頭的傳感光纖陣列（26、27、28、……），反射鏡 (30)，三個(gè)波分復(fù)用器件（25、29、33)，多路同步光電探測(cè)器（34)和信號(hào)處理終端（35);其 中，3X3光纖耦合器（17)的第一端口（31)為輸入端口，接收寬光譜光源（16)發(fā)出的光，第二 端口（32)為輸出端口，其依次連接第三波分復(fù)用器件（33)、多路同步光電探測(cè)器(34)和信 號(hào)處理終端(35) ; 3X3光纖耦合器（17)的第三端口（ 18)連接延遲光纖線(xiàn)圈（20)，延遲光纖線(xiàn) 圈（20)連接2X2光纖耦合器(23)的第一端口（21)，3X3光纖耦合器（17)的第四端口（19)連接 2X2光纖耦合器(23)的第二端口（22) ;2X2光纖耦合器(23)的第三端口（24)連接第一波分復(fù) 用器件(25);第一波分復(fù)用器件(25)與第二波分復(fù)用器件(29)之間并聯(lián)傳感光纖陣列(26、 27、28、……）;第二波分復(fù)用器件(29)與反射鏡(30)連接； 采用反饋式結(jié)構(gòu)的光纖聲傳感器陣列的光路是：寬光譜光源（16)由3X3光纖耦合器 (17) 的第一端口（31)進(jìn)入3X3光纖耦合器（17)，經(jīng)過(guò)分光，3X3光纖耦合器（17)的第三端口 (18) 的分光經(jīng)過(guò)延時(shí)光纖（20)進(jìn)入2X2光纖耦合器（23)，3X3光纖耦合器（17)的第四端口 (19) 的分光經(jīng)過(guò)2X2光纖耦合器（23)的第二端口（22)直接進(jìn)入2X2光纖耦合器（23);光從 2X2光纖耦合器(23)的第三端口（24)出來(lái)后通過(guò)第一波分復(fù)用器件（25)分成多路，分別進(jìn) 入傳感光纖陣列(26、27、28、……），感應(yīng)外界聲信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)第二波分復(fù)用器件(29)合成 一束，之后經(jīng)過(guò)反射鏡(30)，從反射鏡反射回的光依次經(jīng)過(guò)第二波分復(fù)用器件(29)，光纖傳 感陣列（26、27、28、……），第一波分復(fù)用器件（25)，然后通過(guò)2X2光纖耦合器(23)的第三端 口（24)進(jìn)入2X2光纖耦合器(23)，之后通過(guò)2X2光纖耦合器(23)的第二端口（22)和3X3光纖 耦合器（17)的第四端口（19)進(jìn)入3X3光纖耦合器（17)，形成順時(shí)針?lè)较虻南喔晒?；另一路?干經(jīng)過(guò)3X3光纖耦合器（17)后，從3X3光纖耦合器（17)的第四端口（19)和2X2光纖耦合器 (23)的第二端口（22)進(jìn)入2X2光纖耦合器(23)，再由2X2光纖耦合器(23)的第三端口（24)通 過(guò)第一波分復(fù)用器件(25)，光纖傳感陣列（26、27、28、……），第二波分復(fù)用器件(29)，經(jīng)反 射鏡(30)后再回到2X2光纖耦合器(23)，然后通過(guò)2X2光纖耦合器(23)的第一端口（21)、延 時(shí)光纖(20)、3X3光纖耦合器（17)的第三端口（ 18)進(jìn)入3X3光纖耦合器（17)，形成逆時(shí)針?lè)?向的相干光;兩束相干光在3X3光纖耦合器(17)中發(fā)生干涉，將攜帶有聲音信號(hào)引起的相位 變化的干涉光信號(hào)由3X3光纖耦合器（17)的第二端口（32)輸出，輸出的干涉光信號(hào)經(jīng)過(guò)第 三波分復(fù)用器件(33)后按照相應(yīng)的波長(zhǎng)分成多路，各路干涉光信號(hào)分別被光電探測(cè)器(34) 接收，然后輸入到信號(hào)處理終端（35)，對(duì)多路干涉信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，獲得聲源的位置信 息。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的利用光纖探測(cè)聲源位置的系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)光纖傳感 陣列周?chē)新曉磿r(shí)，各個(gè)光纖聲傳感探頭接收到的聲音信號(hào)之間會(huì)有一定時(shí)間差，根據(jù)聲 音信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差可以對(duì)聲源進(jìn)行定位:選擇一路信號(hào)作為參考信號(hào)，通過(guò)互相關(guān)函數(shù) 來(lái)計(jì)算每路信號(hào)與參考信號(hào)的時(shí)間延遲;在計(jì)算互相關(guān)函數(shù)之前加入歸一化和濾波的處 理，使互相關(guān)估計(jì)得到的時(shí)延值更準(zhǔn)確。
【文檔編號(hào)】G01S5/16GK106019228SQ201610520140
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】吳紅艷, 王翦, 賈波
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)