一种基于激光横向位移探测声信号装置及其方法

技术领域

本发明属于传声器技术领域，具体涉及一种基于激光横向位移探测声信号装置及其方法。

背景技术

激光光束位移测量技术属于光学精密测量的重要分支。主要应用于原子力显微镜，光镊空间自由通信，精确制导，引力波探测。随着精密测量、目标识别和光斑位置测量等多场景应用需求增多，现有的电子传声器测量方法无法满足非接触高作用距离隐蔽性强的应用场景。

现阶段，目前测量物体表面的振动特性方法大体可分为接触式测量和非接触式两类。其中接触式测量主要是在被测物表面安装加速度传感器等，传统接触式测量在传递和探测声信号时，会使用电子式传声器，该传声器具有声电换能原理，然而在一些特殊的环境中，想要避免电磁干扰，提高换能效率，且实现非接触式的测量，需要声光换能。声波是一种物质波，其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质(固体，液体，气体)中的多样表现形式。非接触式测量中，主要用光束来携带质点的振动信息，尤其利用红外光探测可以提高探测的隐蔽新和抗干扰性，在声学的研究领域中，声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目标的测探、准确识别、定位声波要利用声波信号在弹性介质内的传播变化的规律。声音属于微压动态信号，要想测量声音信号，可以通过监测频率或声压来实现。现阶段，环境对目标的声学属性识别带来了困难。而且探测系统光路冗余，安装相对复杂。

上述研究现状表明，现有的测量物体表面的振动特性方法存在以下两方面不足：

接触式测量限制了测量设备与被测物体的距离，引入电磁干扰，非接触测量探测系统光路冗余，安装相对复杂，探测精度受限。

综上所述，我们认为在换能方法中，传声器的声光换能与光路的反射调制声信号的方法是提高目标探测的精度和换能效率的途径之一。因此，本发明方法通过设计一种基于激光横向位移探测声信号的装置，可实现利用激光回波振动特性基于光束的横向位移对微弱的声信号进行目标探测，借此非接触的隐蔽性强的实时测量的光电目标特征识别。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光横向位移探测声信号装置及其方法，以克服现有方法的不足之处。

本发明所采用的技术方案：一种基于激光横向位移探测声信号装置，包括激光器、第一高反镜、第二高反镜、聚焦透镜、波片、分束器、光功率计、第三高反镜、聚焦透镜、镀金大振膜、四象限探测器、PC端显示器、NI采集板卡、信号源、喇叭、示波器；所述1064nm的光纤激光器置于平台上，将其携带的光学耦合头固定，在激光器出光的同一方向的直线上放置第一高反镜，放置角度与光路方向呈45度角，光的位置在第一高反镜的中心，第一高反镜2反射光路距离在其20cm处放第二高反镜，使光路45度入射到第二高反镜，光的位置在第二高反镜的中心，在第二高反镜的反射光路方向依次放置聚焦透镜、波片、分束器，第三高反镜，在分束器的光学中心垂直于光路的方向放置光功率计，第三高反镜的放置在分束器后面，第三高反镜与这条路上的前端的光路呈45度角，在经过第三高反镜后的光路方向上安装聚焦透镜与镀金大振膜，所述镀金大振膜与前端的光路呈45度角，所述四象限探测器安装在光路经过镀金大振膜反射后的光路的方向上，并用三根BNC线缆将四象限探测器11的x，y，sum的输出连到示波器的的输入端口，再通过BNC线将四象限探测器11的x通道输出到NI板卡的采集端口，NI板卡与PC显示器连接；喇叭的纸盆朝向镀金大振膜放置，使两者的中心在一条直线上；用BNC线与信号源的CH1输出端口相连；

本发明使用基于激光横向位移探测声信号装置进行探测声信号的方法，步骤如下：

步骤1：激光器出来的光通过第一高反镜、第二高反镜进行光路准直后通过聚焦透镜聚焦，波片、分束器进行分束，一束打进光功率计监测光功率的稳定性，另一束经过第三高反镜反射、聚焦透镜聚焦后打到镀金大振膜中心；通过信号源输出单频信息或扫频信息驱动喇叭使镀金大振膜表面振动，使其反射面上由于受迫振动携带有振动源的信息；

步骤2：准直和聚焦激光器出来的高斯光束，调整系统中的第一高反镜、第二高反镜的左右和俯仰，在示波器上观测由四象限探测器x,y,sum对应的三个输入通道的变化，调整致x，y通道不突变，sum为光全部打到探测器光敏面的光电流大小，此时光全部打到了四象限探测器的光敏面上，调整过程先将激光挡住用示波器的光标标定x,y原始位置，再观测不挡光时x,y恢复到光标的位置，sum在示波器显示其光功率的sum为光全部打到探测器光敏面的光电流大小；

步骤3：经过镀金大振膜反射的光携带了声源的信息，反射光由四象限探测器接收采集并转化为电信号，同时用BNC线缆将四象限探测器的x通道输出到NI板卡的采集通道，并将结果显示在与NI板卡连接的PC显示器观测采集到的数据；

步骤4：当一束光以45角入射时，镀金大振膜受迫振动导致光束在空间的横向位置发生变化，在某一时刻镀金大振膜的垂直于其表面的振动方向上的位移为z，四象限探测器可以通过光电转换出光束的横向位移，镀金大振膜的振动位移为z与光束光束的横向位移相等；

步骤5：对光束的横向位移和镀金大振膜的振动位移z关系进行解释，Q为NI板卡显示在PC显示器上的采集单频信号时的峰值点处的噪声功率谱的绝对值，噪声功率谱的绝对值反应光束横向位移的信息，d＝q*(10

步骤6：所述产生单频信号的喇叭为声源，喇叭振动产生的声压与其由信号源输入的驱动电压成正比，p＝k*U，其中p为喇叭的声压，U为喇叭的驱动电压，k为声源的增益；根据步骤4所述方法，从图4拟合处的线型，计算得到的d与喇叭驱动电压成近似正比关系，得出镀金大振膜的位移z与声源喇叭的驱动电压成近似正比例关系，也就是镀金大振膜的位移z与声源喇叭的声压成近似正比例关系。从而能获知目标的声学振幅特征；

步骤7：镀金大振膜的振动原理，受迫振动为利用声源作用于系统，维持系统振动，其中驱动力频率为声源对应的频率，固有频率为系统不受外力时振动的频率，固有频率是系统的固有属性；振膜面上任意一点的振动方程如下：

质点的振动方程：

可以得出只要声源驱动的时间足够长，让振动频率等于驱动力频率,可以达到稳态

稳态的振动方程：

ξ＝ξ

振幅ξ

步骤8：振膜的理论，用于优化反射面镀金大振膜

振膜固有频率预紧力公式：

其中2.405根据第一类贝塞尔函数的根推导得出，T称为为单位厚度的面内力及预张力，h为薄膜的厚度，ρ为振膜材料的密度，hρ为单位面积质量，R为振膜半径；

直径和厚度是决定固有频率的因素，对于完整膜片，采用厚度h和半径R两个几何参数进行分析；两者都决定了基频f和膜片的中心变形y(p)；一般情况下，根据(4)，中心变形y(p)与响应灵敏度有关，灵敏度由S

其中μ，E,f

频率f和中心位移y(p)相乘，得到

其中α和β是受膜片材料弹性模量、泊松比和密度影响的等效系数；在某一频率f下，根据式(5)，寻找引起中心适当变形y(p)的R和h值，相当于寻找R/h的合适比值；

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明针对实际场景中四象限采集到的光电信息数据，携带的激光回波的信号，基于激光横向位移对声信号的探测，从中可以提取到反射面的振动信息从而提取到声源的振动谱，根据振动谱的不同可以识别目标声源；

(2)本发明提出红外光1064nm的窄带宽光纤激光器作为光源，红外光有极强的隐蔽性。对该方法加以完善，将会在战场指挥、精确制导、战场侦察等领域得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的一种基于激光横向位移探测声信号的装置的光路示意图；

图2为本发明实施例1中步骤3中四象限探测器光敏面原理图；

图3为本发明实施例1中的数据采集板卡采集到的2740Hz(主频峰值最高)的单频数据；

图4为本发明实施例1中步骤8振膜位移和声源驱动电压的关系。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实施例所述一种基于激光横向位移探测声信号装置，包括激光器1、第一高反镜2、第二高反镜3、聚焦透镜4、波片5、分束器6、光功率计7、第三高反镜8、聚焦透镜9、镀金大振膜10、四象限探测器11、PC端显示器12、NI采集板卡13、信号源14、喇叭15、示波器16；其特征在于：所述1064nm的光纤激光器1置于平台上，将其携带的光学耦合头固定，在激光器1出光的同一方向的直线上放置第一高反镜2，放置角度与光路方向呈45度角，光的位置在第一高反镜2的中心，第一高反镜2反射光路距离在其20cm处放第二高反镜3，使光路45度入射到第二高反镜3，光的位置在第二高反镜3的中心，在第二高反镜3的反射光路方向依次放置聚焦透镜4、波片5、分束器6，第三高反镜8，在分束器6的光学中心垂直于光路的方向放置光功率计7，第三高反镜8的放置在分束器6后面，第三高反镜8与这条路上的前端的光路呈45度角，在经过第三高反镜8后的光路方向上安装聚焦透镜9与镀金大振膜10，所述镀金大振膜10与前端的光路呈45度角，所述四象限探测器11安装在光路经过镀金大振膜10反射后的光路的方向上，并用三根BNC线缆将四象限探测器11的x，y，sum的输出连到示波器的16的输入端口，再通过BNC线将四象限探测器11的x通道输出到NI板卡13的采集端口，NI板卡13与PC显示器12连接；喇叭15的纸盆朝向镀金大振膜放置，使两者的中心在一条直线上；用BNC线与信号源14的CH1输出端口相连；

使用上述基于激光横向位移探测声信号装置进行探测声信号的方法，步骤如下：

步骤1：激光器1出来的光通过第一高反镜2、第二高反镜3进行光路准直后通过聚焦透镜4聚焦，波片5、分束器6进行分束，一束打进光功率计7监测光功率的稳定性，另一束经过第三高反镜8反射、聚焦透镜9聚焦后打到镀金大振膜10中心；通过信号源14输出单频信息或扫频信息驱动喇叭15使镀金大振膜10表面振动，使其反射面上由于受迫振动携带有振动源的信息；

步骤2：准直和聚焦激光器1出来的高斯光束，调整系统中的第一高反镜2、第二高反镜3的左右和俯仰，在示波器上观测由四象限探测器11x,y,sum对应的三个输入通道的变化，调整致x，y通道不突变，sum为光全部打到探测器光敏面的光电流大小，此时光全部打到了四象限探测器11的光敏面上，调整过程先将激光挡住用示波器16的光标标定x,y原始位置，再观测不挡光时x,y恢复到光标的位置，sum在示波器16显示其光功率的sum为光全部打到探测器光敏面的光电流大小；

步骤3：经过镀金大振膜10反射的光携带了声源的信息，反射光由四象限探测器11接收采集并转化为电信号，同时用BNC线缆将四象限探测器11的x通道输出到NI板卡13的采集通道，并将结果显示在与NI板卡13连接的PC显示器12观测采集到的数据；

步骤4：当一束光以45角入射时，镀金大振膜10受迫振动导致光束在空间的横向位置发生变化，在某一时刻镀金大振膜10的垂直于其表面的振动方向上的位移为z，四象限探测器11可以通过光电转换出光束的横向位移，镀金大振膜10的振动位移为z与光束光束的横向位移相等；

步骤5：对光束的横向位移和镀金大振膜10的振动位移z关系进行解释，Q为NI板卡13显示在PC显示器12上的采集单频信号时的峰值点处的噪声功率谱的绝对值，噪声功率谱的绝对值反应光束横向位移的信息，d＝q*(10

步骤6：所述产生单频信号的喇叭15为声源，喇叭15振动产生的声压与其由信号源14输入的驱动电压成正比，p＝k*U，其中p为喇叭的声压，U为喇叭的驱动电压，k为声源的增益；根据步骤4所述方法，从图4拟合处的线型，计算得到的d与喇叭15驱动电压成近似正比关系，得出镀金大振膜10的位移z与声源喇叭15的驱动电压成近似正比例关系，也就是镀金大振膜(10)的位移z与声源喇叭15的声压成近似正比例关系。从而能获知目标的声学振幅特征；

步骤7：镀金大振膜10的振动原理，受迫振动为利用声源作用于系统，维持系统振动，其中驱动力频率为声源对应的频率，固有频率为系统不受外力时振动的频率，固有频率是系统的固有属性；振膜面上任意一点的振动方程如下：

质点的振动方程：

可以得出只要声源驱动的时间足够长，让振动频率等于驱动力频率,可以达到稳态。

稳态的振动方程：

ξ＝ξ

振幅ξ

步骤8：振膜的理论，用于优化反射面镀金大振膜10

振膜固有频率预紧力公式：

其中2.405根据第一类贝塞尔函数的根推导得出，T称为为单位厚度的面内力及预张力，h为薄膜的厚度，ρ为振膜材料的密度，hρ为单位面积质量，R为振膜半径；

直径和厚度是决定固有频率的因素，采用厚度h和半径R两个几何参数进行分析；两者都决定了基频f和膜片的中心变形y(p)；一般情况下，根据(4)，中心变形y(p)与响应灵敏度有关，灵敏度由S

其中μ，E,f

频率f和中心位移y(p)相乘，得到

其中α和β是受膜片材料弹性模量、泊松比和密度影响的等效系数；在某一频率f下，根据式(5)，寻找引起中心适当变形y(p)的R和h值，相当于寻找R/h的合适比值。