摘要
由于具有耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度、低成本等优势，光纤传感器在 众多领域有着广泛的应用。光纤声传感是光纤传感的一个重要的分支，各类强 度调制型结构、光纤干涉仪、光时域反射仪、光纤光栅等基本结构都可以应用 于声传感中，目前光纤声传感研究热点以及主要的进步方向包括:增加灵敏度、 提高动态范围、改善频率响应;抑制噪声，改善信噪比;光学结构的创新;声 源的空间定位与分布式定位。本文主要研究干涉式光纤声音监听与定位系统中 的关键技术，涉及了上述四方面的研究热点及进步方向，具体包括: 通过理论与实验的手段对干涉式光纤声传感器中的各类噪声及其分布规律 进行了研究，发现了散粒噪声是干涉式光纤声传感器用于微弱声音传感时噪声 不稳定的主要来源。因此针对散粒噪声随干涉仪工作点变化的规律，提出了微 弱声音解调算法，并对该算法做了自适应性研究。该算法不仅适用于工作点稳 定的干涉式光纤传感系统，也适用于任何用于微弱信号传感的工作点不稳定的 干涉式光纤传感系统。以迈克尔逊干涉仪为例，对该算法进行了计算机仿真研 究，并且与经典的反三角函数法进行了对比，发现微弱声音解调算法能够实现 更稳定的本底噪声，并且能够带来4 dB的信噪比提升。 提出了一种单向环形萨格纳克干涉光路，这种传感光路具有频率响应与扰 动发生位置无关的特点，将其与直线形萨格纳克光路进行融合，提出了一种新 型双波长非对称双萨格纳克光路，根据该光路结构提出了相应的时延估计定位 算法，形成了一种新型的光纤传感分布式定位技术，可以用于分布式的声音定 位。并且发现了使用时延估计定位算法的同类双波长系统中可能存在的时间移 位误差问题，通过对该问题的分析，说明了双波长非对称双萨格纳克分布式定 位技术能够实现较高定位精度的原因，以及对时间移位误差问题提出了可能的 解决思路。在该技术的基础上进行了敲击定位的测试，在50 km传感光纤长度 上的定位误差为±10m。 在上述关键技术的基础上提出了干涉式光纤声音监听与定位系统，该系统 将单点式声音监听与分布式声音传感定位融合在一起，同时满足了重点位置声 音监听与分布式定位的应用需求。设计了一种单点声音探头，它在6000 Hz以 下频率响应较平坦，灵敏度在-120～-110 dB@1 rad/μPa之间，在频率为1000 Hz、声压级为75 dBZ条件下信噪比为55 dB,具有较好的声音质量，能够实现 语音识别。使用微弱声音解调算法进行声音监听时，其本底噪声波动性不到2 dB,噪声稳定性相对于反三角函数法提高了 8 dB。分布式声音定位方面，当传 感光缆为30 km时，在地埋场景下定位误差为±300 m,在依附围栏场景下对于 光缆来说的定位误差为±30 m,对于围栏来说的定位误差为±5 m。 本文主要创新点包括:提出了微弱声音解调算法，提出了将短时能量法应 用于提取散粒噪声的特征参数;提出了单向环形萨格纳克光路，以及双波长非 对称双萨格纳克分布式定位技术。发现了使用时延估计定位法的分布式定位系 统中存在的时间移位误差问题，并给出了可能的解决方案;提出了干涉式光纤 声音监听与定位系统，并提出了一种单点声音探头的设计方案。进行了将光纤 声音传感与语音识别技术结合在一起的尝试。
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