新型光纤双FP腔声传感器研究

Optic fiber microphones based on Fabry-Perot cavity have wide application in industry and military because of their advantages of simple architecture, high sensitivity, and immune to electromagnetic wave. So they become a hot point of the researches on acoustic sensors. However, they have a bad stability owing to the working point drifts with ambient condition fluctuations. To address this problem, the present method is to compensate the working point drifts by tuning light wavelength. It needs a tunable light and a feedback circuit. This method obviously is not for practical application because of comprehensive technology and high cost. In this project, we have proposed a novel optic fiber dual Fabry-Perot cavity based acoustic sensor that can thoroughly overcome the bad stability in theory. To validate the proposal, we will conduct the following researches. (1) A theoretical model of the optic fiber dual Fabry-Perot cavity based acoustic sensor will be deduced, and the architecture of the sensor will be optimized. (2) A method to depress the light coupling in the dual Fabry-Perot cavity will be proposed. (3) The optimal MEMS fabrication route will be studied, and the sensor sample will be fabricated. (4) The software and hardware for signal processing and algorithm will be designed, and the performance of the sample sensors will be tested. This project is a foundation on developing high performance acoustic sensors.

光纤FP腔声传感器结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰，在工业、军事等领域应用前广阔，已成为声传感领域的研究热点之一。现有的光纤FP腔声传感器稳定性差，究其原因是工作点受环境影响易于漂移。虽然有人提出利用波长补偿法能够抑制工作点漂移，但需要反馈电路和可调谐光源，技术复杂、成本高，不利于应用。针对上述问题，我们提出一种新型光纤双FP腔声传感器设计方案，这种双FP腔结构理论上能够彻底克服光纤FP腔声传感器稳定性差的缺点。本项目将实验验证该设计方案的可行性，为此将研究如下主要内容：（1）建立理论模型，优化设计光纤双FP腔声传感器结构；（2）研究双FP腔结构的腔-腔光串扰耦合抑制方法；（3) 开展双FP腔MEMS工艺研究，确定最佳制作工艺路线，制作出传感器原型器件；(4) 设计信号处理与算法软件和相应电路，建立测试平台，进行器件综合性能的测试。通过本项目实施为研制高性能声传感器奠定基础。

光纤FP腔声传感器具有灵敏度高、结构简单、抗电磁干扰、传输损耗低等优点，在工业及军事领域应用前景广阔，成为声传感器的研究热点和发展方向。然而常规的光纤FP腔声传感器，要求静态腔长对应的相位为正交相位点，即工作点，工作点受温度影响会发生显著的漂移，这导致其热稳定性差，使声传感器的性能劣化，限制了其实用化。为了解决这一关键问题，本项目创造性的采用光纤双FP腔技术方案，通过双光纤形成高度差，与敏感声波的振膜形成光纤双FP腔，通过正交信号解调算法，获得声波信号。该方案克服了常规单FP腔声传感器性能受温度影响发生显著劣化的致命缺陷，该传感器可在-20ºC到80ºC这一温度范围内可靠的工作，这为光纤FP腔声传感器的实用化奠定了坚实的基础。本项目对光纤双FP腔声传感器进行了理论分析，建立了包含力、声、光、电等参数的综合模型，并对振膜的振动模态进行了有限元分析，确定了优化的结构参数；采用先进的3D设计手段，建立了光纤双FP腔声传感器的数字化模型，在设计中充分考虑现有的加工技术和加工工艺基础，以及制作组装的可行性和方便程度；实现了精密测量FP腔腔长的算法，该算法通过拟合干涉光谱，从而获得精确的腔长值，基于该算法实现的程序也是测试环节必要的工具，极大的提高测试效率；建立了一套同时测试光纤声传感器的光信号、电信号的测试分析方法，基于该方法，建立了一套研究光纤FP腔声传感器的光电联合测试平台，利用建立的光电联合测试平台，有力的支持了光纤双FP腔制作工艺研究，以及光纤声传感探头的温度特性研究。本项目研制了光纤双FP腔声传感器，其关键性能指标为：灵敏度：≥200mV/Pa，频率响应范围：250Hz~4kHz，本底噪声：≤30dB(A)，动态范围：30dB(A)~110dB。本项目研制的光纤声传感在军事上能应用于声探测装备，针对低空、慢速、小体积军事目标，可成倍提高现有装备探测距离，提升装备的性能；在工业上能够在复杂电磁环境下可靠的拾声波信号，具有不可替代性，如电力系统状态声监测应用。