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1、安徽大学 硕士学位论文 白光干涉型光纤麦克风系统的研究 姓名：张成梅 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：甄胜来；俞本立 2010-05 摘 要 I 摘摘 要要 随着光纤传感技术的发展， 白光干涉型光纤麦克风传感技术也已经成为传感 领域研究的一个热点， 但文献中出现的白光干涉型光纤麦克风的相位灵敏度都不 是很理想。 本论文针对白光干涉型光纤麦克风的相位灵敏度问题进行了理论和实 验的研究，实现了使系统相位灵敏度处在2/最高相位灵敏度工作点的位置。 本论文利用白光干涉法，分别采用基于光纤波导调制器和基于 33 耦合器 的双路平衡检测的复合干涉仪结构，针对语音弱信号，提出了两种简单的电路解 调
2、方法， 这两种解调方法都实现了使系统处在最高相位灵敏度的相位工作点2/ 的位置。 第一章首先阐述了光纤麦克风的发展，并把光纤麦克风分为两类，分别介绍 了强度型光纤麦克风和干涉型光纤麦克风的工作原理， 同时就本论文主要内容作 了概述，介绍了本论文的创新之处。 第二章详细介绍了光干涉原理和光干涉的条件，然后介绍了白光干涉的原 理，这为后面第三章第四章白光干涉型光纤麦克风提供了理论基础。 第三章利用两个 22 耦合器搭建了一个马赫曾德尔和赛格纳克混合干涉 仪，用光纤波导调制器代替 PZT 调制，构造了一种新型的光纤麦克风系统。光 纤波导调制器的应用克服了 PZT 调制的高频限制和非线性效应，增加了系
3、统的 灵活性和频响范围。实验中，把信号发生器接在音箱上产生单频音，电路中采用 PGC 解调方法前部分的一个分支，实现了语音弱信号的保真拾取。 第四章在前几章的基础上， 采用 33 耦合器构建了一个双路平衡检测系统， 无需调制器外加高频载波调制，利用两路探测器组成双路平衡检测系统，使系统 相位灵敏度保持在最高点。同时，双路平衡检测降低了光源强度噪声和环境对系 统的干扰，调制器的去除既简化了光路和电路结构，又降低了系统的成本。 关键词关键词：白光干涉法 相位灵敏度 光纤干涉型 光纤麦克风 语音信号 白光干涉型光纤麦克风系统给的研究 II Abstract With the development
4、of optical fiber sensing technology，white light interferometric fiber-optic microphone has become a hot research focus in sensing field. However, the phase sensitivity of white-light interferometric fiber-optic microphone appeared in literature are not very good. We study the phase sensitivity of th
5、e white-light interferometric fiber-optic microphone from theory and experiment, accordingly the operating phase point of the system is maintained at2/, which is proved the phase point with the highest phase sensitivity. In this paper two simple circuit demodulations for weak voice signal have been
6、proposed by using white-light hybrid interferometer. The two hybrid interferometers are respectively based on fiber-optic waveguide modulator and a 33 coupler with dual balanced detection. The two demodulation methods achieve to make the system with the maximum phase sensitivity at the operating pha
7、se point2/. The first chapter describes the development of fiber-optic microphone, and the fiber-optic microphone is divided into two categories in this paper. One category is the intensity modulated fiber-optic microphone, the other microphone is interferometric fiber-optic microphone. We describe
8、the working principle of two fiber-optic microphones in detail. Meantime we introduce the main contents and innovation of this paper. In chapter II we introduce the principle of optical interference principle and optical interference conditions, and then introduce the principle of white light interf
9、erence, which provides a theoretical basis for the white-light interferometric fiber-optic microphone in chapter III and in chapter IV. In chapter III we study the fiber-optic microphone system theoretically and experimentally. The fiber-optic microphone system is based on a hybrid configuration of
10、Mach-Zehnder and Sagnac interferometer. In this system, fiber-optic waveguide modulator overcomes the limitation in high frequency and nonlinear effect of PZT modulation, improves the flexibility of the system and the frequency response range. The experimental results of the fiber-optic microphone s
11、ystem based on fiber waveguide modulator have been demonstrated that the simple circuit demodulation for the weak voice signal is feasible. In chapter IV a simple fiber white-light interferometric demodulation method is Abstract III presented and experimentally demonstrated. The balanced detection m
12、ethod is adopted in the experiment, the signal can be demodulated by subtracting the signals from the two detectors. The operating phase point of the system is maintained at2/, which is proved the phase point with the highest phase sensitivity. The theoretical analysis and experiment results demonst
13、rated that the simple demodulation method has good performance. Keywords: white-light interferometry, phase sensitivity, fiber-optic interference, fiber-optic microphone, speech signal 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 随着光纤传感技术的发展， 白光干涉型光纤麦克风传感技术也已经成为传感 领域研究的一个热点。白光干涉型光纤麦克风以光波为载体，以光纤为媒质，以 白光干涉为原理，感知外界声音
14、信号。它和传统的电磁式麦克风相比，具有体积 小，质量轻，灵敏度高，耐腐蚀，并且不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰等优点， 所以它可以完成电磁式麦克风很难甚至不能完成的任务1-4。比如：它可以在化 学或强电磁干扰环境的声场中精准探测， 并已经成功的应用在长距离野外传输管 线的安全监测中5等等。 白光干涉型光纤麦克风的发展开辟了声学测量的新天地， 扩大了声学研究的 视野和应用领域，受到国内外有关方面的关注。 1.2 光纤麦克风系统的概述光纤麦克风系统的概述 1991 年 D.Garthe 发表了一篇论文，这篇论文就是关于光纤麦克风的论文， 在该论文中 D.Garthe 从理论上介绍了几种光纤麦克风的实
15、现方法6。 上海科技大 学的周书铨在 1993 年给出了光纤微弯型光纤麦克风系统的理论模型和实验模 型，但是经过测试表明该系统的动态范围和频响范围都不是很理想7。1994 年 Jeff Bush 在 Fiber Optic and Laser Sensors 上发表了一篇论文 Low-Cost Fiber Optic Interferometric Microphones and Hydrophones8，他在传感结构上采用 Fabry-Perot 干涉仪结构，利用低成本双波长干涉解调技术实现了语音的拾取。继此之后，很 多人对光纤麦克风进行了深入的研究，如国内上海复旦大学的吴东方在 2007
16、年 连续发表几篇光纤麦克风系统的文章9,10。 目前在市场上有三个公司有光纤麦克风的产品，一种是以色列的 Phone-Or 公司生产的光纤麦克风，其主要应用在室内监测，该产品图如图 1.1 所示；第二 种是深圳明鑫科技发展有限公司生产的，其主要应用于医学领域，成品如图 1.2 所示；另外一种是桂林光比特科技有限公司生产的，成品如图 1.3 所示。 白光干涉型光纤麦克风系统的研究 2 图 1.1 以色列的 Phone-Or 公司生产的光纤麦克风产品图 图 1.2 深圳明鑫科技发展有限公司生产的光纤麦克风产品图 图 1.3 桂林光比特科技有限公司生产的产品图 按照光纤麦克风的实现方法，这里我们可以把光纤麦克风分为两大类：一类 是强度型光纤麦克风， 它是利用光纤中光强的变化来还原声音信号的一种光纤传 感器；另一类是干涉型光纤麦克风，它是利用声压改变探测光的光程，从而使干 涉条纹发生变化，通过相位解调技术来还原声音信号的一种光纤传感器。 第一章 绪论 3 1.3 强度型光纤麦克风系统强度型光纤麦克风系统 在强度型光纤麦克风中，光纤不起传感的作用
