劉 彬， 董喜來(lái)， 褚興華， 鐘 志， 單明廣

（哈爾濱工程大學(xué)a.信息與通信工程學(xué)院；b.先進(jìn)船舶通信與信息技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引 言

聲信號(hào)源測(cè)向技術(shù)主要通過(guò)布置于空間中不同位置的聲傳感器組成陣列，通過(guò)陣元間接收信號(hào)的時(shí)延或相位差來(lái)確定聲信號(hào)源的方位。聲信號(hào)源測(cè)向精度主要受到時(shí)延或相位差的估計(jì)精度以及時(shí)延或相位差對(duì)波達(dá)方向角的靈敏度兩方面影響。當(dāng)陣列尺寸很小時(shí)，時(shí)延或相位差對(duì)波達(dá)方向角的靈敏度就會(huì)急劇降低，大大影響測(cè)向精度，這為聲測(cè)向設(shè)備的小型化提出了挑戰(zhàn)［1］。奧米亞棕蠅能以極小的兩耳間距（大約為0.5 mm）對(duì)叫聲波長(zhǎng)約為7 cm（頻率約為5 kHz）的宿主蟋蟀定向，定向誤差2°以內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，奧米亞棕蠅聲定位能力得益于其兩耳間角質(zhì)耦合，該結(jié)構(gòu)可以放大其兩耳接收信號(hào)的時(shí)延和幅值差，其等效于構(gòu)建了一個(gè)尺寸遠(yuǎn)大于真實(shí)陣列物理尺寸的虛擬陣列［2-3］，從而提高了陣列接收時(shí)延對(duì)波達(dá)方向角的靈敏度，得到了小尺寸條件下的高方位角分辨率［4-9］，為研究小型化聲測(cè)向陣系統(tǒng)提供了新思路。另一方面，陣元中采用的壓電式或者電容傳感器易受電磁干擾，且在高溫、高壓等惡劣環(huán)境下不能可靠工作，而EFPI光纖傳感器可以有效克服以上缺點(diǎn)，代替壓電式傳感器構(gòu)成陣元［10-11］。在光纖F-P腔式傳感器的測(cè)量系統(tǒng)中，解調(diào)技術(shù)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。強(qiáng)度解調(diào)技術(shù)具有精度高、速度快、硬件成本低等優(yōu)勢(shì)，非常適宜在高速動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量中的應(yīng)用。常用的方法有正交工作點(diǎn)［12-13］、正交相移解調(diào)技術(shù)［14-15］等。正交工作點(diǎn)法需要可調(diào)諧光源以保證較高的靈敏度，這就增加了系統(tǒng)硬件成本，且動(dòng)態(tài)范圍受限；而正交相移法需要保證入射光波長(zhǎng)與腔長(zhǎng)差精確匹配，這在實(shí)驗(yàn)中很難精確控制，進(jìn)而導(dǎo)致解調(diào)精度不高。

本文提出了一種基于EFPI光纖傳感器的仿生耦合相位差放大技術(shù)，用于提高小尺寸條件下的聲源測(cè)向精度。該方法首先通過(guò)EFPI光纖傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的動(dòng)態(tài)解調(diào)，該光纖聲傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；然后在傳統(tǒng)陣列測(cè)向的基礎(chǔ)上，引入奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)耦合機(jī)制，該耦合結(jié)構(gòu)可以放大陣列接收時(shí)延，提高時(shí)延對(duì)波達(dá)方向角的靈敏度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光電測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由DFB窄帶激光器、分光器、環(huán)形器、傳感器陣列、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)構(gòu)成。其中，DFB窄帶激光器發(fā)出的激光中心波長(zhǎng)為1 550 nm，經(jīng)過(guò)1×4分光器將光分為功率相近的四路光束，通過(guò)4路環(huán)形器將光入射到2個(gè)雙F-P腔EFPI光纖傳感器中，每?jī)陕饭庑盘?hào)用于探測(cè)一個(gè)光纖傳感器的響應(yīng)；然后由傳感器反射回的反射光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡采集得到樣本數(shù)據(jù)，最終由上位機(jī)解調(diào)得出F-P腔腔長(zhǎng)變化量，進(jìn)而恢復(fù)出原始聲信號(hào)。

由于空間尺寸受限，兩陣元間隔很近，因此兩陣元接收到的時(shí)域信號(hào)具有很小的時(shí)延。通過(guò)基于FFT在頻域?qū)崿F(xiàn)的奧米亞棕蠅仿生耦合算法，將兩陣元接收信號(hào)間的時(shí)延進(jìn)行放大，增大了陣列接收時(shí)延對(duì)信號(hào)源方位角的靈敏度，從而提高了角度分辨率。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 雙F-P腔直流補(bǔ)償正交相位解調(diào)

雙F-P腔EFPI光纖傳感器由兩條平行單模光纖端面和聲敏感膜片構(gòu)成，如圖2所示。兩條平行光纖與聲敏感膜片垂直對(duì)齊，兩個(gè)長(zhǎng)度不等的F-P腔腔長(zhǎng)分別為L(zhǎng)1和L2，L0是兩個(gè)空腔的腔長(zhǎng)差。其中，聲敏感膜片由PET材料制成，內(nèi)表面涂金以提高反射率。

首先利用圖3所示的雙F-P腔EFPI光纖傳感器，根據(jù)圖1所示的光電測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖搭建好光電測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中，在上位機(jī)中利用LabVIEW平臺(tái)嵌入Matlab的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲信號(hào)的恢復(fù)。

干涉信號(hào)可以表示為

式中：Ai是干涉條紋的直流分量；Bi是干涉條紋的可見(jiàn)度；n是EFPI腔中介質(zhì)的有效折射率，對(duì)于空氣介質(zhì)n＝1；Li是F-P腔的初始長(zhǎng)度；λ是入射光的波長(zhǎng)；ΔL（t）是由聲信號(hào)調(diào)制的腔長(zhǎng)變化量；β是兩路信號(hào)初始相位差。

根據(jù)雙光束干涉原理，Ai和Bi可表示為：

然后通過(guò)式（1）、（2）得到一對(duì)包含相位信息θt的正交信號(hào)：

最后，通過(guò)DCM算法或反正切（ATAN）算法提取所需相位信息θt，恢復(fù)原始聲信號(hào)。

2.2 奧米亞棕蠅仿生耦合放大機(jī)理

奧米亞寄生蠅的強(qiáng)大聽(tīng)覺(jué)能力是由其特殊的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)所帶來(lái)的。奧米亞寄生蠅聽(tīng)覺(jué)器官的耳膜系統(tǒng)與大部分的動(dòng)物不同，其兩耳之間存在一種特殊的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)鏈接鼓膜窩點(diǎn)，稱之為膜間橋。該結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性能夠使兩側(cè)的鼓膜振動(dòng)得以耦合。因此寄生蠅兩側(cè)鼓膜的振動(dòng)并非獨(dú)立的機(jī)械振動(dòng)，而是一種相互耦合的振動(dòng)。寄生蠅耳膜結(jié)構(gòu)的機(jī)械模型如圖4所示。兩側(cè)的鼓膜可視為彈性系數(shù)，分別為k1、k2，阻尼系數(shù)分別為c1、c2的剛性梁，而提供耦合的膜間橋則可以看做是一個(gè)彈性系數(shù)k3、阻尼系數(shù)c3的耦合系統(tǒng)。輸入的聲音信號(hào)x1、x2可簡(jiǎn)化為鼓膜窩點(diǎn)處的振幅。

依據(jù)圖4機(jī)械模型所建立的微分方程描述如下：

式中，x、y分別為輸入、輸出信號(hào)矩陣，

為方便分析，對(duì)整個(gè)耦合系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，求解每個(gè)輸出所對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。耦合網(wǎng)絡(luò)的模型為

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 EFPI傳感器解調(diào)實(shí)驗(yàn)

在雙F-P腔光纖傳感器中，需要使用光電探測(cè)器對(duì)多路干涉信號(hào)進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，所以本文設(shè)計(jì)了多路并行光電探測(cè)器來(lái)進(jìn)行干涉信號(hào)的采集，為后續(xù)根據(jù)干涉信號(hào)解調(diào)聲音信號(hào)做準(zhǔn)備。

對(duì)光信號(hào)的采集主要是通過(guò)光電二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。選用的光電二極管是InGaAs的PIN光電二極管，其型號(hào)為L(zhǎng)SIPD-L1。該光電二極管具有響應(yīng)率高、暗電流低的優(yōu)點(diǎn)。在中心波長(zhǎng)1 550 nm處，其響應(yīng)率為0.9 A/W；5 V電壓激勵(lì)時(shí)，暗電流為1 nA；光敏直徑為1 mm。設(shè)計(jì)過(guò)程中，在PIN光電二極管兩端施加-5 V電壓，當(dāng)光敏面被光照射時(shí)，二極管內(nèi)部的PN結(jié)中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，從而在外部產(chǎn)生光電流。但是，二極管輸出的光電流是十分微弱的，而且屬于電流信號(hào)，所以需要對(duì)其進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)合理的光電轉(zhuǎn)換電路將微弱的電流信號(hào)放大。

通過(guò)跨阻放大來(lái)實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)與電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于光電二極管輸出的電流很小，要使得所用運(yùn)放的偏置電流小于光電二極管輸出的光電流，否則就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放無(wú)法工作在線性區(qū)內(nèi)，不能給運(yùn)放提供直流工作點(diǎn)。所以，跨阻放大器選用的芯片為OPA657，其噪聲低，放大精度高，而且失調(diào)電壓和偏置電流低（具體電路見(jiàn)圖5）。

輸出電壓即為

式中，R1為放大電阻。

經(jīng)過(guò)跨阻放大器后得到的電壓信號(hào)仍然很小，而OP27具有低失調(diào)電壓和漂移特性，并且具有高速、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。所以選用芯片為OP27組成反相放大電路對(duì)其進(jìn)行二次放大，放大倍數(shù)為-R2/R3。

表1中總結(jié)了用于解調(diào)的F-P腔的其他參數(shù)。利用圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，將頻率為5 kHz的聲波應(yīng)用于傳感器。圖6分別繪制了傳感器采集到的干涉信號(hào)、李薩如圖、解調(diào)信號(hào)和功率譜密度。

表1 EFPI傳感器腔體的參數(shù)

2個(gè)F-P腔檢測(cè)到的2 ms干涉信號(hào)如圖6（a）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，信號(hào)明顯受到了噪聲干擾。繪制兩路信號(hào)的李薩如圖，如圖（b）所示。顯然，李薩如圖并不是一個(gè)圓形，說(shuō)明兩路信號(hào)之間沒(méi)有正交性。而李薩如圖的實(shí)心性表明這兩路信號(hào)之間的相位差并不恒定。圖6（c）為恢復(fù)出來(lái)的數(shù)據(jù)，在2 ms的時(shí)間區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定。圖6（d）顯示了解調(diào)信號(hào)的功率譜密度（PSD），證明了解調(diào)信號(hào)的頻率與聲音的應(yīng)用頻率一致。

3.2 小尺寸仿生耦合相位差放大

為了驗(yàn)證小尺寸陣條件下仿生耦合相位差放大算法的有效性，按照?qǐng)D1的二元陣光電測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了相位差放大綜合實(shí)驗(yàn)。

圖7是當(dāng)聲源垂直于傳感器陣列，無(wú)耦合和耦合后情況下陣列接收信號(hào)時(shí)延的對(duì)比結(jié)果。由圖（a）可見(jiàn)無(wú)耦合時(shí)，兩路信號(hào)之間相位差應(yīng)為0°，耦合后發(fā)現(xiàn)，相位差得到了放大，這是由于系統(tǒng)誤差導(dǎo)致聲波入射角并非0°，說(shuō)明在小角度情況下耦合算法依然可以放大相位差；由圖（b）可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)耦合時(shí)，陣列接收信號(hào)相位差或時(shí)延依然很??；而經(jīng)過(guò)仿生耦合放大之后，相位差得到了明顯的放大。因此，仿生耦合可以放大陣列接收信號(hào)時(shí)延，從而提高時(shí)延對(duì)方向角的靈敏度。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)聲測(cè)向陣傳感器在惡劣環(huán)境和小尺寸條件下工作不穩(wěn)定和失效的問(wèn)題，在傳統(tǒng)聲測(cè)向陣的電容式和壓電式聲傳感陣元基礎(chǔ)上提出采用雙F-P腔EFPI光纖傳感器，該光纖聲傳感器具有體積小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。根據(jù)小尺寸陣列接收時(shí)延對(duì)波達(dá)方向角靈敏度過(guò)低而失效的問(wèn)題，將奧米亞棕蠅耦合時(shí)延和幅值比放大機(jī)制引入到陣列系統(tǒng)中來(lái)，使用FFT在頻域和數(shù)字設(shè)備中快速實(shí)現(xiàn)各個(gè)陣元接收信號(hào)的耦合，使其陣列接收時(shí)延得到放大，從而在小尺寸條件下使得聲測(cè)向陣仍可以高精度地工作。