一种干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法与流程

1.本发明涉及水听器校准领域，具体而言，涉及一种干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法。


背景技术：

2.光纤水听器是一种用于测量水下声信号的新型传感器，相比压电型水听器具有探测灵敏度高、抗电磁干扰能力强、易于水下大规模成阵等优点，广泛应用于海洋资源勘探、海洋噪声测量、水下目标探测等领域。根据工作原理，光纤水听器可分为干涉型、强度型、光栅型，其中，干涉型光纤水听器最为成熟且已广泛应用。为保证光纤水听器测量水下声信号的准确、一致，提升其在水声工程应用中的性能，须对光纤水听器灵敏度进行出厂校准及使用中的定期校准。
3.自由场校准是水听器在常用频段的主要校准方法，分为比较法和绝对法两种校准方式。比较法通过与标准水听器的测量结果对比，利用标准水听器的灵敏度计算待测水听器的灵敏度，其优点是校准过程方便快捷，但不是原级校准方法，测量不确定度较大，难以适用水下精密测量场景。绝对法又包含互易法和激光法：互易法是水听器校准长期使用的一种基准级方法，优点在于技术成熟度高、测量稳定性好，缺点是不直接复现声压量值，校准过程须多次测量不同换能器对的电转移阻抗，涉及换能器和水听器的往复安装和测试，操作繁琐，对被校水听器的结构有一定要求，在光纤水听器校准上有较大限制，应用难度很大；而激光法直接复现水中声压量值并溯源至激光波长，校准过程简易便捷、可操作性强，测量不确定度更小，十分适合光纤水听器的绝对校准。


技术实现要素：

4.本发明的目的包括，提供一种干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法，其用于对光纤水听器的自由场相移灵敏度进行绝对校准，能够降低测量不确定度，进一步提升光纤水听器的测量及水下探测能力；同时，该校准方法步骤简单、操作便捷，可方便地完成光纤水听器的绝对校准，在待测水听器数量较多时优势更为明显。
5.本发明的实施例可以这样实现：
6.本发明实施例提供一种干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法，用于对干涉型光纤水听器自由场相移灵敏度进行绝对校准，所述方法包括：
7.利用激光干涉系统复现水下声压量值；
8.获取所述光纤水听器的输出相移；
9.根据所述声压量值和所述输出相移，计算所述光纤水听器相移灵敏度。
10.进一步地，在可选的实施例中，在所述利用激光干涉系统复现水下声压量值的步骤中：
11.通过信号源和功率放大器激励水声发射换能器，使所述水声发射换能器辐射脉冲正弦信号，在消声水槽内产生自由场声场；
12.将反光透声薄膜放置在所述自由场声场中；
13.调整激光测量光束、所述水声发射换能器的声中心、所述反光透声薄膜的中心，使三者位于同一水平面上，以使所述激光测量光束能够垂直入射所述反光透声薄膜，其中，所述激光测量光束垂直射入所述反光透声薄膜后沿原路返回，所述激光测量光束与所述水声发射换能器的声束共线。
14.进一步地，在可选的实施例中，所述利用激光干涉系统复现水下声压量值的步骤包括：
15.激励所述水声发射换能器，使其辐射的脉冲正弦信号在消声水槽内产生自由场声场，所述反光透声薄膜在所述声场的作用下振动，且所述反光透声薄膜的振动速度即为水质点的振速；
16.通过激光系统发出所述激光测量光束，所述激光测量光束垂直射入所述反光透声薄膜沿原路返回后，与所述激光系统内部的参考光发生干涉，得到多普勒频移值和振速值
17.根据水的密度、水中声速、水的等效折射系数以及所述振速值，计算所述水下声压量值。
18.进一步地，在可选的实施例中，在所述得到多普勒频移值和振速值的步骤中，通过将干涉后的信号经过零点或反正切解调方法，得到所述多普勒频移值和所述振速值
19.进一步地，在可选的实施例中，在所述根据水的密度、水中声速、水的等效折射系数以及所述振速值，计算所述水下声压量值的步骤中，通过以下公式计算所述水下声压量值，式中，ρ为水的密度，c为水中声速，n
*
为水的等效折射系数。
20.进一步地，在可选的实施例中，所述反光透声薄膜的厚度应远小于激光波长，例如15μm、宽度在4mm
–
5mm之间，且所述反光透声薄膜的表面镀有十纳米级厚度的金属层，保证激光发生良好反射。
21.进一步地，在可选的实施例中，在所述获取所述光纤水听器的输出相移的步骤中：
22.在完成声压复现后，将所述反光透声薄膜从水中取出；
23.将待校准的所述光纤水听器放置在所述消声水槽内，并使所述光纤水听器的声中心与所述反光透声薄膜的测量点重合。
24.进一步地，在可选的实施例中，使所述光纤水听器的声中心与所述反光透声薄膜的测量点重合的步骤包括：在所述消声水槽的侧壁设置辅助激光定位笔，并使所述辅助激光定位笔发出的辅助光束与激光测量光束在薄膜测量点相交，以相交点作为标注点；
25.参考所述标注点放置所述光纤水听器，以使所述光纤水听器的声中心与所述标注点重合。
26.进一步地，在可选的实施例中，所述获取所述光纤水听器的输出相移的步骤包括：
27.激励所述水声发射换能器，使其辐射的脉冲正弦信号在所述消声水槽内产生自由场声场，使所述光纤水听器在所述声场的作用下输出信号；
28.解调所述输出信号，获得所述光纤水听器的输出相移。
29.进一步地，在可选的实施例中，所述根据所述声压量值和所述输出相移，计算所述光纤水听器相移灵敏度的步骤中，根据以下公式得到灵敏度：
[0030][0031]
式中，为所述光纤水听器的输出相移，p为所述光纤水听器所在位置的水下声压量值。
[0032]
本发明提供的干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法具有以下有益效果：(1)能够对光纤水听器的自由场相移灵敏度进行绝对校准，突破互易法在光纤水听器绝对校准中的应用限制，缩短光纤水听器所测量值的溯源链，能够将光纤水听器的测量不确定度从当前比较法的1db减小到0.5db及以下，进一步提升光纤水听器的测量及水下探测能力；(2)该方法的校准步骤与操作过程具有和比较法同等的便捷度，只需将多个待校光纤水听器先后放置在水声场中预先标记的声压复现点，并利用激光干涉系统定期核查该标记点的声压稳定性，即可方便地完成光纤水听器的绝对校准，在待测水听器数量较多时优势更为明显。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0034]
图1为本发明具体实施例所述的干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法的流程示意图；
[0035]
图2为实现本发明具体实施例所述的干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法的校准装置示意图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以用各种不同的配置来布置和设计。
[0038]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
[0040]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
[0041]
本实施例提供了一种干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法，其用于对光纤水听器的自由场相移灵敏度进行绝对校准，能够降低测量不确定度，进一步提升光纤水听器的测量及水下探测能力；同时，该校准方法步骤简单、操作便捷，可方便地完成光纤水
听器的绝对校准，在待测水听器数量较多时优势更为明显。
[0042]
请参阅图1，干涉型光纤水听器的自由场激光绝对校准方法包括以下步骤。需要指出的是，图2示出的校准装置可以用于实施该校准方法。对于该校准装置来说，主要包含激光测量水下薄膜振动及振速解调系统、光纤水听器输出相位解调系统两部分。如图2所示，硬件系统包括左上方的激光干涉测量系统、右上方的消声水槽、右下方的光纤水听器相位解调机箱。
[0043]
步骤s100：利用激光干涉系统复现水下声压量值；
[0044]
在可选的实施例中，在利用激光干涉系统复现水下声压量值的步骤s100中，包括以下步骤s101、步骤s102和步骤s103，用于装配调节各相关部件。
[0045]
步骤s101：通过信号源和功率放大器激励水声发射换能器，使水声发射换能器辐射脉冲正弦信号，在消声水槽内产生自由场声场。
[0046]
步骤s102：将反光透声薄膜放置在自由场声场中。
[0047]
需要指出的是，反光透声薄膜的厚度应远小于声波波长、声阻抗与水接近。在本发明实施例中，反光透声薄膜的厚度为15μm、宽度在4mm
–
5mm之间，且反光透声薄膜的表面镀有十纳米级厚度的金属层，以保证激光发生良好反射。
[0048]
可选地，反光透声薄膜为条状bopet聚酯薄膜。
[0049]
步骤s103：调整激光测量光束、水声发射换能器的声中心、反光透声薄膜的中心，使三者位于同一水平面上，以使激光测量光束能够垂直入射反光透声薄膜中心，其中，激光测量光束垂直射入反光透声薄膜后沿原路返回，激光测量光束与水声发射换能器的声束共线。
[0050]
需要说明的是，水声发射换能器在信号源和功率放大器激励下辐射某一频率的脉冲正弦信号，在消声水槽内产生自由场声场。将一个厚度远小于声波波长、声阻抗与水接近的反光透声薄膜放置在声场中，与发射换能器的距离应满足远场条件。激光干涉系统放置于水槽外，发出的测量光束垂直通过水槽壁上的光学窗口进入水中。调整激光测量光束、发射换能器声中心、薄膜中心的相对位置使其在同一水平面，且激光光束垂直入射到薄膜中心并反射后沿原路返回，其光束延长线同样能够经过发射换能器声中心，以保证测量光束与声束共线。
[0051]
基于上述调节好的装置，上述利用激光干涉系统复现水下声压量值的步骤s100包括以下子步骤。
[0052]
子步骤s110：激励水声发射换能器，使其辐射脉冲正弦信号，在消声水槽内产生自由场声场，反光透声薄膜在声场的作用下振动，且反光透声薄膜的振动速度即为水质点的振速；
[0053]
子步骤s120：通过激光干涉系统发出激光测量光束，激光测量光束垂直射入反光透声薄膜沿原路返回后，与激光干涉系统内部的参考光发生干涉，得到多普勒频移值和振速值
[0054]
可选地，在得到多普勒频移值和振速值的步骤s120中，可以通过将干涉后的信号经过零点或反正切解调方法，得到多普勒频移值和振速值
[0055]
同时，也需要指出的是，对于振速值的准确解调可以优选iso标准中给出的抗低频
干扰能力较强的过零点信号解调算法，通过高速采样激光干涉仪输出的多普勒信号并搜索过零点值，经时间间隔及频移计算可得振速值。其中，为进一步减小噪声和干扰影响，本发明可选的实施例中，可以在解调算法软件中设计增益经校准的带通滤波器，该滤波器也可用到光纤水听器输出信号的解调处理中。
[0056]
在本发明实施例中，在声场作用下，薄膜完全跟随水质点运动，薄膜振动速度即为水质点(或声质点)振速。激光系统发出的测量光在薄膜振动状态下被调制，携带多普勒频移信息的测量光返回后，与激光系统内部的参考光发生干涉，干涉后的信号经过零点或反正切等解调方法处理后得到多普勒频移值和振速值考虑到水中的声光效应，通过激光干涉系统得的振速与薄膜(或水质点)振速u存在关系式n
*
为水的等效折射系数，一般可将其近似为1.01，低频时须根据情况具体计算。
[0057]
子步骤s130：根据水的密度、水中声速、水的等效折射系数以及振速值，计算水下声压量值。
[0058]
进一步地，在可选的实施例中，在根据水的密度、水中声速、水的等效折射系数、以及振速值，计算水下声压量值的步骤中，通过以下公式及振速值，计算水下声压量值的步骤中，通过以下公式计算水下声压量值，式中，ρ为水的密度，c为水中声速，n
*
为水的等效折射系数。
[0059]
步骤s200：获取光纤水听器的输出相移；
[0060]
在可选的实施例中，在获取光纤水听器的输出相移的步骤中，包括以下步骤s201和步骤s202，用于装配调节各相关部件。
[0061]
步骤s201：在完成声压复现后，将反光透声薄膜从水中取出；
[0062]
步骤s202：将待校准的光纤水听器放置在消声水槽内，并使光纤水听器的声中心与反光透声薄膜的测量点重合。
[0063]
可选地，使光纤水听器的声中心与反光透声薄膜的测量点重合的步骤s202中，可以先在消声水槽的侧壁设置辅助激光定位笔，并在辅助激光定位笔发出的辅助光束与激光测量光束在薄膜上的相交点作为标注点；再参考标注点放置光纤水听器，以使光纤水听器的声中心与标注点重合。
[0064]
基于上述步骤s201和步骤s202所装配好的装置，在本发明实施例中，获取光纤水听器的输出相移的步骤s200包括以下子步骤。
[0065]
子步骤s210：激励水声发射换能器，使其辐射的脉冲正弦信号在消声水槽内产生自由场声场，使光纤水听器在声场的作用下输出信号；
[0066]
子步骤s220：解调输出信号，获得光纤水听器的输出相移。
[0067]
需要指出的是，光纤水听器输出信号解调可根据工作频率选择较为成熟的pgc解调法或3
×
3耦合器解调法。
[0068]
在本发明实施例中，利用激光和薄膜完成声压复现后，将薄膜从水中取出，待校光纤水听器放置在水声场中，水听器声中心与薄膜测量点完全重合。此处，薄膜测量点位置可通过在水槽侧壁设置辅助激光定位笔，辅助光束与激光测量系统光束在薄膜上的相交点作为标注。光纤水听器在声场作用下，经过敏感光纤臂的信号相位发生变化，与参考光纤臂的信号在光纤耦合器发生相干混合，光电检测器转换后输出的信号中将包含声场引起的光相移，对此输出信号进行解调即可获得光纤水听器输出相移
[0069]
步骤s300：根据声压量值和输出相移，计算光纤水听器相移灵敏度。
[0070]
进一步地，在可选的实施例中，根据声压量值和输出相移，计算光纤水听器相移灵敏度的步骤中，根据以下公式得到灵敏度：
[0071][0072]
式中，为光纤水听器的输出相移，p为光纤水听器所在位置的水下声压量值，灵敏度m0的单位为rad/pa。
[0073]
通过上述步骤s100至步骤s300可以完成光纤水听器的绝对校准。本发明实施例：(1)将激光干涉测量水下声压的方法成功应用到光纤水听器自由场校准，解决了现有光纤水听器采用比较法校准不确定度较大的问题，填补了光纤水听器绝对法校准的计量空白；(2)声压复现过程中，在仿真研究和实验测量的指导下，给出了适合目标频段的薄膜材料、形状及尺寸，以确保薄膜完全跟随水质点振动，有助于减小声压复现及水听器校准的测量不确定度。
[0074]
需要指出的是，目前光纤水听器自由场校准通过与标准水听器比较来实现，经过两级溯源到水声基准，测量不确定度大。而本发明用激光干涉测量系统和感知水声场振动的薄膜代替标准水听器，可将声压量溯源至激光波长，不再依赖标准水听器，直接实现光纤水听器灵敏度到基准的溯源，测量不确定度大幅减小，有助于提高光纤水听器的测量精度，对光纤水听器在水声测量与海洋目标探测、资源勘探中的进一步应用有重要推动作用。同时，依据仿真研究和实验测量，给出了一种适合目标频段的用于感知水下声场振动的薄膜材料、形状及尺寸选择，所复现的声压值与经过水声互易基准校准的水听器进行了比较，结果等效一致，验证了所复现声压值的准确性、及进一步应用到光纤水听器校准的可行性，有助于推动激光干涉法水声新计量基准的建立。
[0075]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。