基于EFPI光纤传感器的仿生耦合相位差放大

刘 彬， 董喜来， 褚兴华， 钟 志， 单明广

（哈尔滨工程大学a.信息与通信工程学院；b.先进船舶通信与信息技术工信部重点实验室，哈尔滨 150001）

0 引 言

声信号源测向技术主要通过布置于空间中不同位置的声传感器组成阵列，通过阵元间接收信号的时延或相位差来确定声信号源的方位。声信号源测向精度主要受到时延或相位差的估计精度以及时延或相位差对波达方向角的灵敏度两方面影响。当阵列尺寸很小时，时延或相位差对波达方向角的灵敏度就会急剧降低，大大影响测向精度，这为声测向设备的小型化提出了挑战［1］。奥米亚棕蝇能以极小的两耳间距（大约为0.5 mm）对叫声波长约为7 cm（频率约为5 kHz）的宿主蟋蟀定向，定向误差2°以内。研究发现，奥米亚棕蝇声定位能力得益于其两耳间角质耦合，该结构可以放大其两耳接收信号的时延和幅值差，其等效于构建了一个尺寸远大于真实阵列物理尺寸的虚拟阵列［2-3］，从而提高了阵列接收时延对波达方向角的灵敏度，得到了小尺寸条件下的高方位角分辨率［4-9］，为研究小型化声测向阵系统提供了新思路。另一方面，阵元中采用的压电式或者电容传感器易受电磁干扰，且在高温、高压等恶劣环境下不能可靠工作，而EFPI光纤传感器可以有效克服以上缺点，代替压电式传感器构成阵元［10-11］。在光纤F-P腔式传感器的测量系统中，解调技术是系统实现的关键。强度解调技术具有精度高、速度快、硬件成本低等优势，非常适宜在高速动态信号测量中的应用。常用的方法有正交工作点［12-13］、正交相移解调技术［14-15］等。正交工作点法需要可调谐光源以保证较高的灵敏度，这就增加了系统硬件成本，且动态范围受限；而正交相移法需要保证入射光波长与腔长差精确匹配，这在实验中很难精确控制，进而导致解调精度不高。

本文提出了一种基于EFPI光纤传感器的仿生耦合相位差放大技术，用于提高小尺寸条件下的声源测向精度。该方法首先通过EFPI光纤传感器实现对声信号的动态解调，该光纤声传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可实现多路复用等独特优势；然后在传统阵列测向的基础上，引入奥米亚棕蝇听觉耦合机制，该耦合结构可以放大阵列接收时延，提高时延对波达方向角的灵敏度。

1 系统结构

光电测量系统结构示意图如图1所示。系统由DFB窄带激光器、分光器、环形器、传感器阵列、光电探测器、数据采集卡和上位机构成。其中，DFB窄带激光器发出的激光中心波长为1 550 nm，经过1×4分光器将光分为功率相近的四路光束，通过4路环形器将光入射到2个双F-P腔EFPI光纤传感器中，每两路光信号用于探测一个光纤传感器的响应；然后由传感器反射回的反射光经过光电探测器将光信号转换为电信号，由数据采集卡采集得到样本数据，最终由上位机解调得出F-P腔腔长变化量，进而恢复出原始声信号。

由于空间尺寸受限，两阵元间隔很近，因此两阵元接收到的时域信号具有很小的时延。通过基于FFT在频域实现的奥米亚棕蝇仿生耦合算法，将两阵元接收信号间的时延进行放大，增大了阵列接收时延对信号源方位角的灵敏度，从而提高了角度分辨率。

2 实验原理

2.1 双F-P腔直流补偿正交相位解调

双F-P腔EFPI光纤传感器由两条平行单模光纤端面和声敏感膜片构成，如图2所示。两条平行光纤与声敏感膜片垂直对齐，两个长度不等的F-P腔腔长分别为L1和L2，L0是两个空腔的腔长差。其中，声敏感膜片由PET材料制成，内表面涂金以提高反射率。

首先利用图3所示的双F-P腔EFPI光纤传感器，根据图1所示的光电测量系统结构示意图搭建好光电测量系统实验装置，进行数据采集。然后通过数据采集设备将数据发送到上位机中，在上位机中利用LabVIEW平台嵌入Matlab的方式，实现对声信号的恢复。

干涉信号可以表示为

式中：Ai是干涉条纹的直流分量；Bi是干涉条纹的可见度；n是EFPI腔中介质的有效折射率，对于空气介质n＝1；Li是F-P腔的初始长度；λ是入射光的波长；ΔL（t）是由声信号调制的腔长变化量；β是两路信号初始相位差。

根据双光束干涉原理，Ai和Bi可表示为：

然后通过式（1）、（2）得到一对包含相位信息θt的正交信号：

最后，通过DCM算法或反正切（ATAN）算法提取所需相位信息θt，恢复原始声信号。

2.2 奥米亚棕蝇仿生耦合放大机理

奥米亚寄生蝇的强大听觉能力是由其特殊的听觉系统所带来的。奥米亚寄生蝇听觉器官的耳膜系统与大部分的动物不同，其两耳之间存在一种特殊的皮质结构链接鼓膜窝点，称之为膜间桥。该结构的机械特性能够使两侧的鼓膜振动得以耦合。因此寄生蝇两侧鼓膜的振动并非独立的机械振动，而是一种相互耦合的振动。寄生蝇耳膜结构的机械模型如图4所示。两侧的鼓膜可视为弹性系数，分别为k1、k2，阻尼系数分别为c1、c2的刚性梁，而提供耦合的膜间桥则可以看做是一个弹性系数k3、阻尼系数c3的耦合系统。输入的声音信号x1、x2可简化为鼓膜窝点处的振幅。

依据图4机械模型所建立的微分方程描述如下：

式中，x、y分别为输入、输出信号矩阵，

为方便分析，对整个耦合系统的传递函数进行分析，求解每个输出所对应的传递函数。耦合网络的模型为

3 实验分析

3.1 EFPI传感器解调实验

在双F-P腔光纤传感器中，需要使用光电探测器对多路干涉信号进行光-电转换，所以本文设计了多路并行光电探测器来进行干涉信号的采集，为后续根据干涉信号解调声音信号做准备。

对光信号的采集主要是通过光电二极管来实现。选用的光电二极管是InGaAs的PIN光电二极管，其型号为LSIPD-L1。该光电二极管具有响应率高、暗电流低的优点。在中心波长1 550 nm处，其响应率为0.9 A/W；5 V电压激励时，暗电流为1 nA；光敏直径为1 mm。设计过程中，在PIN光电二极管两端施加-5 V电压，当光敏面被光照射时，二极管内部的PN结中电子在电场作用下运动，从而在外部产生光电流。但是，二极管输出的光电流是十分微弱的，而且属于电流信号，所以需要对其进行处理，设计合理的光电转换电路将微弱的电流信号放大。

通过跨阻放大来实现电流信号与电压信号的转换。设计过程中，由于光电二极管输出的电流很小，要使得所用运放的偏置电流小于光电二极管输出的光电流，否则就会导致运放无法工作在线性区内，不能给运放提供直流工作点。所以，跨阻放大器选用的芯片为OPA657，其噪声低，放大精度高，而且失调电压和偏置电流低（具体电路见图5）。

输出电压即为

式中，R1为放大电阻。

经过跨阻放大器后得到的电压信号仍然很小，而OP27具有低失调电压和漂移特性，并且具有高速、低噪声的优点。所以选用芯片为OP27组成反相放大电路对其进行二次放大，放大倍数为-R2/R3。

表1中总结了用于解调的F-P腔的其他参数。利用图1所示的实验装置，将频率为5 kHz的声波应用于传感器。图6分别绘制了传感器采集到的干涉信号、李萨如图、解调信号和功率谱密度。

表1 EFPI传感器腔体的参数

2个F-P腔检测到的2 ms干涉信号如图6（a）所示。可以发现，信号明显受到了噪声干扰。绘制两路信号的李萨如图，如图（b）所示。显然，李萨如图并不是一个圆形，说明两路信号之间没有正交性。而李萨如图的实心性表明这两路信号之间的相位差并不恒定。图6（c）为恢复出来的数据，在2 ms的时间区间内保持稳定。图6（d）显示了解调信号的功率谱密度（PSD），证明了解调信号的频率与声音的应用频率一致。

3.2 小尺寸仿生耦合相位差放大

为了验证小尺寸阵条件下仿生耦合相位差放大算法的有效性，按照图1的二元阵光电测量系统结构示意图搭建了实验平台，进行了相位差放大综合实验。

图7是当声源垂直于传感器阵列，无耦合和耦合后情况下阵列接收信号时延的对比结果。由图（a）可见无耦合时，两路信号之间相位差应为0°，耦合后发现，相位差得到了放大，这是由于系统误差导致声波入射角并非0°，说明在小角度情况下耦合算法依然可以放大相位差；由图（b）可以发现，无耦合时，阵列接收信号相位差或时延依然很小；而经过仿生耦合放大之后，相位差得到了明显的放大。因此，仿生耦合可以放大阵列接收信号时延，从而提高时延对方向角的灵敏度。

4 结 语

针对传统声测向阵传感器在恶劣环境和小尺寸条件下工作不稳定和失效的问题，在传统声测向阵的电容式和压电式声传感阵元基础上提出采用双F-P腔EFPI光纤传感器，该光纤声传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可实现多路复用等独特优势。根据小尺寸阵列接收时延对波达方向角灵敏度过低而失效的问题，将奥米亚棕蝇耦合时延和幅值比放大机制引入到阵列系统中来，使用FFT在频域和数字设备中快速实现各个阵元接收信号的耦合，使其阵列接收时延得到放大，从而在小尺寸条件下使得声测向阵仍可以高精度地工作。