一種檢測水中聲場信息的方法、裝置及水下聲傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種檢測水中聲場信息的方法、裝置及水下聲傳感器，檢測方法包括以下步驟，1)選取光譜寬度在25nm以上，光強在1mW以上的光源，將其發出的光處理為高斯光；2)將所述高斯光通過第一偏振片，然后分光處理為水平和垂直偏振的兩個光分量，將其中一個光分量由探測臂光纖接收，將另一個光分量由參考臂光纖接收；3)將所述探測臂光纖內反射回的光分量和所述參考臂光纖內反射回的光分量進行耦合，然后通過第二偏振片后出射；4)通過光譜儀記錄所述出射光在所述探測臂光纖的探頭在水中探測到聲波前后的光譜中心波長變化；5)根據所述光譜中心波長變化計算水中聲場的聲壓大小。本發明具有較高的檢測靈敏度、能測較弱的聲場。
【專利說明】一種檢測水中聲場信息的方法、裝置及水下聲傳感器 【技術領域】
[0001] 本發明涉及海洋聲檢測技術領域，特別是涉及一種檢測水中聲場信息的方法、裝 置及水下聲傳感器。 【【背景技術】】
[0002] 海洋探測技術中水下聲探測主要是探測水中聲波的聲壓大小。現有的水下聲傳感 器一般是通過一些對壓力或者振動比較敏感的材料制成，其檢測靈敏度和精度可滿足一定 的應用場景，但如果水中聲場的聲壓較低時，對聲壓值的檢測效果不是十分理想。總體來 說，現有的檢測水中聲場的聲壓大小的方案，其靈敏度、精度以及檢測下限還需不斷提高。 【
【發明內容】
】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是：彌補上述現有技術的不足，提出一種檢測水中聲 場信息的方法、裝置及水下聲傳感器，具有較高的檢測靈敏度、能測較弱的聲場。
[0004] 本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決：
[0005] -種檢測水中聲場信息的方法，包括以下步驟，1)選取光譜寬度在25nm以上，光強 在lmW以上的光源，將其發出的光處理為高斯光;2)將所述高斯光通過第一偏振片，然后分 光處理為水平和垂直偏振的兩個光分量，將其中一個光分量由探測臂光纖接收，將另一個 光分量由參考臂光纖接收;所述探測臂光纖和所述參考臂光纖等長;3)將所述探測臂光纖 內反射回的光分量和所述參考臂光纖內反射回的光分量進行耦合，然后通過第二偏振片后 出射;所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夾角在85°~95°的范圍內，且不為90° ; 4)通過光譜儀記錄所述出射光在所述探測臂光纖的探頭在水中探測到聲波前后的光譜中 心波長變化;5)根據所述光譜中心波長變化計算水中聲場的聲壓大小。
[0006] -種檢測水中聲場信息的裝置，包括光源、光處理器件、第一偏振片、偏振分光棱 鏡、探測臂光纖、參考臂光纖、光譜儀和處理單元;所述光源的光譜寬度在25nm以上，光強在 lmW以上;所述光處理器件用于將所述光源發出的光處理為高斯光;所述高斯光通過第一偏 振片，然后由所述偏振分光棱鏡進行分光處理為水平和垂直偏振的兩個光分量，其中一個 光分量由所述探測臂光纖接收，另一個光分量由所述參考臂光纖接收;所述探測臂光纖和 所述參考臂光纖等長;所述探測臂光纖和所述參考臂光纖還用于將其內傳輸的光分量反射 回所述偏振分光棱鏡進行耦合，耦合后的光通過所述第二偏振片后出射;所述第一偏振片 和第二偏振片的偏振方向的夾角在85°~95°的范圍內，且不為90° ;所述光譜儀用于記錄所 述出射光在所述探測臂光纖的探頭在水中探測到聲波前后的光譜中心波長變化;所述處理 單元用于根據所述光譜中心波長變化計算水中聲場的聲壓大小。
[0007] -種用于如上所述的裝置中的水下聲傳感器，所述水下聲傳感器包括探測臂光纖 和參考臂光纖，所述探測臂光纖和參考臂光纖均包括光纖和探頭，所述探頭包括四分之一 波片和反射鏡;所述四分之一波片的光軸與豎直方向的夾角為45°，所述四分之一波片設置 在光纖的一個端面和所述反射鏡之間;所述反射鏡用于響應水中聲波。
[0008] 本發明與現有技術對比的有益效果是：
[0009] 本發明的檢測水中聲場信息的方法，光信號通過偏振分光處理分得水平偏振和垂 直偏振的兩束光分別作為測量光和參考光，分別由兩臂光纖接收。光在光纖內傳輸后反射 回，兩臂上傳輸的兩個光分量的相位差反映聲波大小信息。配合入射端設置的前選擇偏振 片，以及與入射端前選擇偏振片的偏振方向接近垂直的一個后選擇偏振片進行弱測量放大 處理，將相位差信息反映到出射光譜的中心波長移動上。通過測得出射光譜的中心波長變 化，就可以得到待探測的聲壓值。由于通過弱測量放大，因此可將相位的微弱信息放大處 理，從而可實現更高靈敏度的聲壓檢測，可對低聲壓的測量極限更高，能測更弱的聲場。 【【附圖說明】】
[0010] 圖1是本發明【具體實施方式】的檢測水中聲場信息時涉及的弱測量的原理示意圖；
[0011] 圖2是本發明【具體實施方式】的檢測水中聲場信息的裝置的結構示意圖；
[0012] 圖3是本發明【具體實施方式】中聲場引起的兩臂相位差變化圖；
[0013] 圖4是本發明【具體實施方式】中出射光的光譜中心波長隨相位差變化而移動的狀態 示意圖。 【【具體實施方式】】
[0014] 下面結合【具體實施方式】并對照附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0015] 本發明的構思是:設計了基于光干涉的弱測量系統，用光的偏振作為系統的本征 態，而高斯光束作為指針進行探測。弱值
通常是一個復數，其實部代表 時間信息（時域），而虛部則代表相位信息(頻域）。本發明選擇靈敏度較高的頻域弱測量的 方式，來測本征態的相位變化。本發明中，用于干涉的兩偏振光分量用偏振分光棱鏡分開， 這樣分得的水平偏振和垂直偏振的兩束光分量分別作為測量光和參考光。在探測臂上的探 頭隨著聲波而振蕩，從而使得兩臂的光程差發生變化，而引起兩個偏振光分量之間的相位 差。配合入射端的偏振片作為前選擇態，以及一個與入射端的前選擇偏振片的偏振方向接 近垂直的一個偏振片作為后選擇態，進行弱測量放大處理，可以將相位信息反映到出射光 譜的中心波長移動上。通過測得出射光譜的中心波長周期性振蕩，從而得到待探測的聲壓 值以及頻率信息。為了方便進行水下聲探測，本發明中設計了光纖式的邁克爾遜干涉，探測 臂的光纖探頭可以被浸入水中進行聲傳感檢測。
[0016] 本【具體實施方式】的檢測水中聲場信息的方法，包括以下步驟，
[0017] 1)選取光譜寬度在25nm以上，光強在lmW以上的光源，將其發出的光處理為高斯 光。
[0018] 2)將所述高斯光通過第一偏振片，然后分光處理為水平和垂直偏振的兩個光分 量，將其中一個光分量由探測臂光纖接收，將另一個光分量由參考臂光纖接收;所述探測臂 光纖和所述參考臂光纖等長。
[0019] 3)將所述探測臂光纖內反射回的光分量和所述參考臂光纖內反射回的光分量進 行耦合，然后通過第二偏振片后出射;所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夾角在 85°~95°的范圍內，且不為90°。
[0020] 該步驟中，第一偏振片和第二偏振片偏振方向的夾角在85°~95°的范圍內，且不 為90°，即兩個偏振態趨于相互垂直，從而構建弱測量系統。弱測量的核心是待測物理量對 系統產生一個微擾，這個微擾可以使得系統與探測儀器產生一個弱耦合，這樣經過測量后 系統的本征態會被分開而又不至于塌縮到其中的一個本征態。弱測量是將系統本征態分開 的一個物理過程，用一個指針態進行測量后，指針中蘊含的讀數稱為弱值。
[0021] 具體地，弱測量原理如圖1。系統的初態|ih> = a |〇>+0| 1>，引入指針態g (x )和時間演化算符U = eT1H A t，H = xP A，平移算符糾X + = p-Xx)。經過弱測量的 物理過程后，系統的態將演化為I W>=U|g(x)> |ih> = rlxPAAt|g(x)>(a|〇>+0| 1 >)=a|g+(x)>|〇>+0|g-(x)>|l >，其中本征態 |g±>=|g(x±T)>，T = xA t。由此看 出，當我們探測的量對系統進行微擾之后，系統的本征態產生了 t的分離，通過測得這個 T的值，我們就可以得到我們要探測的物理信息。然而，T的值小到不能使本征態完全分 開（否則就為量子強測量，系統將塌縮到其中一個本征態），因此需要將T進行放大后 通過其他的物理量間接測出。引入后選擇態，I如>=^|〇>+^|1>，則投影在后選擇態 測量后得到的態為/(I) =<。Ig(-T)>1K >=啡Ig+ > +/VIg >，取一級近似，得到 /(妗蘭< r, I (1 - 烈）1 g(功 >1 k >=< r, I% >乂1 -_"乃 I 扒>蘭< r,丨 p I 穿(4 此，在最后測量的指針態中蘊含了一個
，被稱之為弱值，弱值越大，物理 量T被放大的倍數越高。可以看出，弱值的公式中，分母表示前選擇與后選擇態的內積，兩個 態越趨近于正交，弱值就越大。因此，可以通過調節兩個態之間的夾角關系來控制放大倍 數。
[0022] 本【具體實施方式】的方案中，采用光的偏振作為系統的本征態。無論兩個偏振片怎 么設置，第一個偏振片的狀態對應前選擇態|隊>，第二個偏振片的狀態對應后選擇態Ife >。根據弱值公式
?當兩個態越趨于垂直，弱值的分母就越趨于〇,則弱 值就越大。弱值與最終直接測量的量是密切相關的，弱值越大最終測得的量就越大，就相當 于將原來直接測不到的量被放大的倍數越高。
[0023] 4)通過光譜儀記錄所述出射光在所述探測臂光纖的探頭在水中探測到聲波前后 的光譜中心波長變化。
[0024] 5)根據所述光譜中心波長變化計算水中聲場的聲壓大小。
[0025] 具體地，當探測臂上的探頭在水中探測到聲波后，會隨著聲波而振蕩，從而使得探 測臂和參考臂的光程差發生變化，引起其中傳輸的兩個偏振光分量之間的相位差。該相位 差通過兩個偏振片構成的弱測量系統放大，體現在出射光的光譜中心波長的移動變化。本 【具體實施方式】中，光譜中心波長移動變化SA與兩個偏振光分量之間的相位差妒的關系式 為：
[0027] 其中，人〇表示光源的中心波長，A A表示光源的帶寬；y =cosa sin(a+0)/sina cos(a+0)，其中，a為第一偏振片的偏振方向與豎直方向的夾角，Ji/2+0為第二偏振片的偏振 方向與豎直方向的夾角;x為標定的初始相位。
[0028] 當光譜儀檢測到光譜中心波長移動變化SA時，結合相關參數，代入上式，即可計算 得到兩個光分量的相位差妒。.然后根據兩個光分量的相位差妒與聲壓大小Po的關系，可計 算得到聲壓大小P〇的值。具體地，兩者之間的關系為：
[0030]其中，0表示所述兩個光分量的相位差;表示所述光源的中心波長;n為水的折 射率;x表示探測臂光纖內進行光反射時位移對聲波振動的響應參數；《為所述光譜中心波 長變化的周期性變化頻率，可從一段時間內測量到的光譜中心波長移動變化SA相對于時間 的變化曲線中得到。根據該式，即可根據相位差計算出聲壓大小。
[0031]此外，出射光譜中心波長是隨著聲場周期性振蕩的，因此其周期性振蕩頻率也揭 示了聲場的頻率信息。優選地，根據所述光譜中心波長變化SA的周期性變化頻率確定得到 水中聲場的頻率信息，從而本【具體實施方式】不僅僅可檢測得到水中聲場的聲壓大小的信 息，還能檢測得到聲場的頻率信息。
[0032]如圖2所示，為本【具體實施方式】中檢測水中聲場信息的裝置的結構示意圖。裝置包 括光源、光處理器件、第一偏振片、偏振分光棱鏡、探測臂光纖、參考臂光纖、光譜儀和處理 單元。
[0033]光源的光譜寬度在25nm以上，光強在lmW以上。本【具體實施方式】中選擇寬帶、高亮 度、高穩定性的SLD光源，中心波長為840nm。光源發出的光經過光處理器件（即圖中的高斯 濾光片1)成為高斯光束而作為探測指針。第一個偏振片2用來對入射光進行前選擇，選擇出 需要的初態。這個偏振片的偏振方向與豎直方向的夾角為a。偏振分光棱鏡（polar ized beam splitter，簡稱PBS)將入射光分成水平和垂直偏振的兩個光分量，經過兩個相同長度 的保偏光纖8和9傳播后，被其端口處的反射鏡5和7反射回PBS進行再次耦合。為了使得兩束 反射光經過PBS耦合后從與入射光傳播方向垂直的另一面出射，在兩個光纖端口處的探頭 中，反射鏡與光纖端面之間安裝有一個光軸與豎直方向夾角為45°的四分之一波片4和6。在 光束被耦合進光譜儀之前用第二偏振片3進行后選擇，第二偏振片3與豎直方向的夾角為V 2+0。第二偏振片3和第一偏振片2的偏振方向接近于垂直。具體地，接近垂直為兩個偏振方 向的夾角在85°~95°的范圍內，且不為90°。
[0034]圖2的裝置中，光源出口、高斯濾光片1、偏振分光棱鏡PBS以及兩個偏振片2和3可 按照調節好的位置封裝在一起。探測臂光纖和參考臂光纖可構成水下聲傳感器。
[0035]檢測裝置工作時，探測臂光纖的探頭被聲波振動之后會與參考臂光纖產生相位差
其中，n為水的折射率。A 1為聲壓產生的振動位移，A l=xPQC〇s( ?t)，x為裝 置中反射鏡的位移對聲波振動的響應參數。具體地，將反射鏡固定好之后，通過給一個已知 信息的振動，測得反射鏡的位移隨振動的響應曲線作為定標曲線，即可得到該響應參數。P = P〇COS( ?t)為聲波振幅，《為聲波頻率。根據上述關系，兩束偏振光之間的相位差識隨著 聲場會產生周期性變化，如圖3。也因此，光譜中心波長變化SA也是隨著聲場周期性變化的， 從光譜儀記錄的光譜中心波長變化隨時間的周期性變化曲線即可直接得到該頻率值。
[0036] 利用兩個偏振片構成的頻域弱測量的方法，兩束偏振光之間的相位差爐經過弱值 放大之后體現在出射光譜的中心波長的移動
其中，Im人"代表弱值的虛部，其中y =cosasin(a+0)/sinacos(a+0)，x為標定得到的系統 的初始相位差。
[0037] 因此，當聲壓使得兩個臂的相位差發生改變的時候，出射光譜的中心會發生變化， 如圖4。圖4中顯示了選取的5個時刻下測得的波長移動的情況。通過測量探測臂光纖的探頭 在水中探測到聲波前后的出射光的光譜的中心波長移動，結合上述相位差與光譜中心波長 移動的關系式，以及相位差與聲壓大小之間的關系，可以測到水中聲壓的大小。
[0038] 本【具體實施方式】中的檢測水中聲場信息的方法及裝置，基于弱測量測兩偏振分量 的相位差的方式來實現聲傳感檢測，光纖式的檢測系統可以進行水下探測。由于弱測量對 微小相位的靈敏反應，本【具體實施方式】中的檢測方法和檢測裝置可以探測極小聲壓的聲 場，實現新的聲壓探測下限，而且具有高精度。光纖式的檢測裝置方便進行水下探測，實現 低壓水聲檢測，尤其適用于海洋聲檢測領域，具有巨大的應用前景。
[0039] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下做出若干替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為 屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種檢測水中聲場信息的方法，其特征在于:包括以下步驟，1)選取光譜寬度在25nm 以上，光強在lmW以上的光源，將其發出的光處理為高斯光;2)將所述高斯光通過第一偏振 片，然后分光處理為水平和垂直偏振的兩個光分量，將其中一個光分量由探測臂光纖接收， 將另一個光分量由參考臂光纖接收;所述探測臂光纖和所述參考臂光纖等長;3)將所述探 測臂光纖內反射回的光分量和所述參考臂光纖內反射回的光分量進行耦合，然后通過第二 偏振片后出射;所述第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夾角在85°~95°的范圍內，且 不為90° ;4)通過光譜儀記錄所述出射光在所述探測臂光纖的探頭在水中探測到聲波前后 的光譜中心波長變化;5)根據所述光譜中心波長變化計算水中聲場的聲壓大小。2. 根據權利要求1所述的檢測水中聲場信息的方法，其特征在于：步驟5)中，根據出射 光的光譜中心波長變化計算出兩個光分量的相位差，然后根據所述相位差計算出所述聲壓 大小。3. 根據權利要求2所述的檢測水中聲場信息的方法，其特征在于:根據如下式子計算出 所述兩個光分量的相位差P其中，光譜儀測出 的光譜中心波長變化為心，將所述光源的中心波長作為λ〇,將所述光源的帶寬作為△ λ; γ = cosasin(a+0)/sinacos(a+0)，其中，α為所述第一偏振片的偏振方向與豎直方向的夾角， π/2+β為所述第二偏振片的偏振方向與豎直方向的夾角;X為標定的初始相位。4. 根據權利要求2所述的檢測水中聲場信息的方法，其特征在于:根據如下式子由所述 兩個光分量的相位差計算出所述聲壓大小Ρο:其中，f表示所述兩 個光分量的相位差;表不所述光源的中心波長;η為水的折射率;X表不探測臂光纖內進行 光反射時位移對聲波振動的響應參數；ω為所述光譜中心波長變化的周期性變化頻率。5. 根據權利要求1所述的檢測水中聲場信息的方法，其特征在于:還包括步驟6)，根據 所述光譜中心波長變化的周期性變化頻率確定得到水中聲場的頻率信息。6. 根據權利要求1所述的檢測水中聲場信息的方法，其特征在于：步驟1)中，所述光源 為SLD光源。7. -種檢測水中聲場信息的裝置，其特征在于:包括光源、光處理器件、第一偏振片、偏 振分光棱鏡、探測臂光纖、參考臂光纖、光譜儀和處理單元;所述光源的光譜寬度在25nm以 上，光強在lmW以上;所述光處理器件用于將所述光源發出的光處理為高斯光;所述高斯光 通過第一偏振片，然后由所述偏振分光棱鏡進行分光處理為水平和垂直偏振的兩個光分 量，其中一個光分量由所述探測臂光纖接收，另一個光分量由所述參考臂光纖接收;所述探 測臂光纖和所述參考臂光纖等長;所述探測臂光纖和所述參考臂光纖還用于將其內傳輸的 光分量反射回所述偏振分光棱鏡進行耦合，耦合后的光通過所述第二偏振片后出射;所述 第一偏振片和第二偏振片的偏振方向的夾角在85°~95°的范圍內，且不為90° ;所述光譜儀 用于記錄所述出射光在所述探測臂光纖的探頭在水中探測到聲波前后的光譜中心波長變 化;所述處理單元用于根據所述光譜中心波長變化計算水中聲場的聲壓大小。8. 根據權利要求7所述的檢測水中聲場信息的裝置，其特征在于:所述處理單元用于根 據出射光的光譜中心波長變化計算出兩個光分量的相位差，然后根據所述相位差計算出所 述聲壓大小。9. 根據權利要求7所述的檢測水中聲場信息的裝置，其特征在于:所述光處理器件為高 斯濾光片。10. -種用于權利要求7-9任一項所述的裝置中的水下聲傳感器，其特征在于:所述水 下聲傳感器包括探測臂光纖和參考臂光纖，所述探測臂光纖和參考臂光纖均包括光纖和探 頭，所述探頭包括四分之一波片和反射鏡;所述四分之一波片的光軸與豎直方向的夾角為 45°，所述四分之一波片設置在光纖的一個端面和所述反射鏡之間;所述反射鏡用于響應水 中聲波。
【文檔編號】G01H9/00GK105928605SQ201610377004
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】何永紅, 李東梅
【申請人】清華大學深圳研究生院