一种DFB光纤激光器型光纤麦克风及其分布式阵列装置 (一)技术领域
本发明涉及一种DFB光纤激光器型光纤麦克风及其分布式阵列装置，属光纤传感和光纤通信技术领域。
(二)背景技术
传感器作为测控系统中对象信息的入口，在现代化事业中发挥着越来越重要的作用。国内外已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。然而，电子基的传感器体积大，易受电磁干扰，传感部件有电流与电压的存在，这大大限制了其应用范围，例如大型机电设备在工作时会产生强电磁场及存在易燃、易爆气体的场所。因此体积小、抗电磁干扰能力强、易于多点复用、传感组件探头不需带电的光纤光栅传感器正成为研究的热点。在煤矿、电厂等一些有大型机电设备或含易燃、易爆气体的场所，利用电子设备通话受电磁干扰严重且具有极大的危险性。因此为这些场所设计一种内部工作人员向外部通话的光纤麦克风设备是亟需的。光纤光栅传感器作为光纤麦克风，从工作方式分有两种类型：强度调制型和波长调制型。期刊【警察技术】2004，第6期，作者为伊小素、吴先所写的“光纤麦克风传声技术”文章中第3-4页记载了现有的光纤麦克风，主要包括强度型光纤麦克风和基于FBG的光栅型光纤麦克风。强度型光纤麦克风是利用传输光强的变化同声音变化的一致制作而成的光纤麦克风，这种光纤麦克风结构简单，解调方法相对容易，但也存在着精度低，受外界干扰大的严重问题，且灵敏度较低。基于FBG的光栅型光纤麦克风，是利用声波应变造成光纤布拉格光栅(FBG)的改变，使光栅反射谱漂移，宽带光入射光栅的反射波长随之漂移，将波长信号进行调制解调，提取声波信号，实现麦克风功能。这种光纤麦克风灵敏度较强度型光纤麦克风高出很多，但基于宽带光的功率，这种光栅型麦克风无法长距离传输信号，且不易于形成阵列。
(三)发明内容
为克服现有技术的缺陷和不足，解决在一些特殊场合如煤矿、电厂等有大型机电设备或含易燃、易爆气体的场所的通信困难问题，本发明设计了一种DFB光纤激光器型光纤麦克风及其分布式阵列装置。
本发明的技术方案是采用如下方式来实现的：
一种DFB光纤激光器型光纤麦克风，包括LD泵浦光源、DFB光纤激光器、相位干涉仪、解调仪、波分复用器、隔离器，其特征在于将内部写有非对称π相移光纤光栅的铒、镱共掺光纤的DFB光纤激光器作为外部声音信号的接受和转换装置即光纤麦克风，DFB光纤激光器光纤的两端作为光纤麦克风的两个输出入端口，其一端连接波分复用器，波分复用器另一端分别经由光纤连接LD泵浦光源和隔离器，隔离器另一端经由光纤连接相位干涉仪，相位干涉仪另一端由光纤连接解调仪。
本发明的光纤麦克风的工作过程如下：首先打开LD泵浦光源，使泵浦光通过波分复用器进入光纤麦克风中的DFB光纤激光器内，DFB光纤激光器产生波长为布拉格波长的激光。DFB激光器一端输出的激光通过波分复用器，依次进入隔离器、相位干涉仪、解调仪。当有人使用该光纤麦克风说话时，DFB光纤激光器内部的光纤光栅受声波应变的作用，布拉格波长产生漂移，DFB光纤激光器产生的激光的波长做同样漂移。载有声波信号的激光通过相位干涉仪作相位调制，然后通过解调仪解调出声波信号，并还原成使用光纤麦克风说话的人的声音，实现光纤麦克风的麦克风作用。
本发明的光纤麦克风主要是基于分布式反馈(Distributed feedback)光纤激光器的原理。所选用的DFB光纤激光器是内部写有非对称π相移光纤光栅的铒、镱共掺光纤，当有泵浦光作用于光纤光栅时，光纤光栅中将产生波长为布拉格波长的激光。由于DFB光纤激光器采取铒、镱共掺，因此其输出激光波长位于C波段。当有声波作用于光纤光栅时，光栅因声波的作用产生轴、横向应变和弹光效应。光纤光栅的周期和折射率将发生变化。公式(1)和(2)给出了光纤光栅的周期和折射率随外部应力变化的情况，
λB＝2neffΛ (1)
ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (2)
其中λB：布拉格波长neff：光纤有效折射率Λ：光栅周期
根据公式1、2，光栅的布拉格波长随之漂移Δλ，输出激光的波长也将同样漂移Δλ。DFB光纤激光器的单纵模、窄带宽特性使其对应变具有极高的灵敏度，因此可用作鉴别声波作用的传感器。载有声波信号的激光，通过相位干涉仪的相位调制，并通过解调仪的解调，将激光中的声波信号完整提取出来。光纤光栅周期数量地增多将提高传感器对应变的灵敏度，因此光栅长度可根据具体应用场所而定。而相移在光纤光栅中的位置将影响增益因子和光纤两端输出光强的比例。为了更利于光纤麦克风的应用，选择合适相移位置使DFB光纤激光器朝向泵浦光源一端输出光强为最大值。
本发明涉及的光纤麦克风能够形成分布式阵列，主要包括串联、并联连接两种方式形成光纤麦克风的分布式阵列。且只需要一个高功率LD泵浦光源。如果需要形成一个光纤麦克风的分布式阵列，只需根据所要设置的光纤麦克风的数量选择一定数量的波分复用器和解调仪。这些光纤麦克风的初始布拉格波长必须有一定的间隔(如附图3所示)，以便实现波分复用和避免相互干饶。根据C波段密集波分复用器可分信道的数量，并考虑避免不同光纤麦克风激光信号之间的相互干扰。我们选择它们的间隔在4nm左右，因此光纤麦克风分布式阵列中光纤麦克风的数量N最多是8个。
一种利用串联连接方式形成的光纤麦克风分布式阵列装置，包括LD泵浦源、DFB光纤激光器、相位干涉仪、解调仪、波分复用器、隔离器，其特征在于将DFB光纤激光器作为外部声音信号的接受和转换装置即光纤麦克风，2-8个光纤麦克风串联在一起组成串联光纤麦克风阵列，串联光纤麦克风阵列的一端连接波分复用器，波分复用器另一端分别经由光纤连接LD泵浦源和隔离器，隔离器另一端经由光纤连接相位干涉仪，相位干涉仪另一端由光纤连接C波段密集波分复用器，C波段密集波分复用器分别经由光纤同串联声光转换器阵列中相对应的解调仪相连接；每个DFB光纤激光器光纤的两端作为光纤麦克风声光转换器的两个输出入端口。
串联光纤麦克风分布式阵列装置的工作过程如下：首先打开LD泵浦光源，使泵浦光通过波分复用器依次进入每一个光纤麦克风内部的DFB光纤激光器内，DFB光纤激光器内部产生的波长为布拉格波长的激光。由于所选用的每一个DFB光纤激光器的光纤光栅周期长度有一定差值，它们的布拉格波长有一定的间隔，所以产生的激光波长也有同等间隔。因此这N个波长有一定间隔的激光能够实现波分复用，并且每个DFB光纤激光器产生的激光彼此都在对方的透明域内，即一个光纤激光器产生的激光都能在反射很小的情况下从另外的光纤激光器中透射过去。这样，N个激光器产生的激光通过波分复用器依次进入隔离器、相位干涉仪，进入C波段密集波分复用器，分成N路光分别进入N个解调仪。当有人使用其中一个声光转换器说话时，DFB激光器内部的光纤光栅受声波应变的作用，布拉格波长产生漂移，DFB激光器产生的激光的波长做同样漂移。将载有声波信号的激光通过相位干涉仪作相位调制，然后通过解调仪解调出声波信号，并还原成使用光纤麦克风说话的人的声音，实现这一路声光转换器的麦克风作用。由于不同声光转换器之间互不干扰，所以N路声光转换器可同时实现麦克风作用。
一种利用并联连接方式形成的光纤麦克风分布式阵列装置，包括LD泵浦源、DFB光纤激光器、相位干涉仪、解调仪、波分复用器、隔离器，其特征在于将DFB光纤激光器作为外部声音信号的接受和转换装置即光纤麦克风，2-8个光纤麦克风和对应的波分复用器相连接后并联在一起组成并联光纤麦克风及波分复用器阵列，上述阵列中的波分复用器一方面经光纤和对应的耦合器连接后共同接在LD泵浦源上，另一方面经光纤和C波段密集波分复用器连接；C波段密集波分复用器另一端经由光纤连接到隔离器，隔离器另一端经由光纤连接相位干涉仪，相位干涉仪另一端由光纤连接到另一相同C波段密集波复用器，经C波段密集波复用器分离出不同波长的激光信号，由光纤连接到各自的解调仪，经解调仪解调出各自的声波信号；每个DFB光纤激光器光纤的两端作为光纤麦克风的两个输出入端口。
并联光纤麦克风分布式阵列装置的工作过程如下：首先打开LD泵浦光源，使泵浦光通过耦合器、波分复用器，分别进入每一个光纤麦克风，每个光纤麦克风内部的DFB光纤激光器产生波长为布拉格波长的激光。由于所选用的每一个光纤麦克风内部DFB光纤激光器的光纤光栅周期长度有一定差值，所以它们的布拉格波长有一定间隔，故产生的激光波长也有同等间隔。因此这N个波长有一定间隔的激光能够实现波分复用。这样，N个激光器产生的激光依次通过隔离器、C波段密集波分复用器，进入一根光纤传输并通过隔离器、相位干涉仪，再次进入一个C波段密集波分复用器，分成N路光分别进入N个解调仪。当有人使用其中一个声光转换器说话时，DFB光纤激光器内部的光纤光栅受声波应变的作用，布拉格波长产生漂移，DFB光纤激光器产生的激光的波长做同样漂移。将载有声波信号的激光通过相位干涉仪作相位调制，然后通过解调仪解调出声波信号，并还原成使用光纤麦克风说话的人的声音，实现这一路声光转换器的麦克风作用。由于不同声光转换器之间互不干扰，所以N路声光转换器可同时实现麦克风作用。
本发明光纤麦克风具有广泛的应用范围，可以在电磁干扰强、易燃易爆、保密要求高的场所，如煤矿、电厂、核电站、化工厂等，实现内部向外部通信。其内部的DFB光纤激光器属于波长调制型光纤传感器，具有比较高的灵敏度，较大的动态范围，很高的精度，非常小的体积。光纤麦克风可以根据具体地点选择不同封装，以进行防震、防潮、防污染等。该发明抗电磁干扰能力强、易于多点复用、传感组件探头不带电，故使用安全。
(四)附图说明
图1是本发明DFB光纤激光器型光纤麦克风的结构示意图。
其中：1、LD泵浦光源，2、光纤麦克风，3、波分复用器，4、隔离器，5、相位干涉仪，6、解调仪，7、光纤。
图2是本发明光纤麦克风的DFB光纤激光器型光纤麦克风的结构示意图。
其中：8、LD泵浦光，9、左端输出的激光，10、右端输出的激光，11、非对称π相移光纤光栅，12、铒、镱共掺光纤，13、光纤麦克风的封装盒。
图3是本发明光纤麦克风分布式阵列中DFB光纤激光器的布拉格波长，由图中可知光纤麦克风分布式阵列中的DFB激光器的布拉格波长之间存在有一定的间隔。
图4是光纤麦克风的串联分布式阵列装置的示意图。
其中：1、LD泵浦光源，2、光纤麦克风，3、波分复用器，4、隔离器，5、相位干涉仪，7、光纤，14、串联光纤麦克风阵列，15、解调仪组，16、C波段密集波分复用器。
图5是光纤麦克风的并联分布式阵列装置的示意图。
1、LD泵浦光源，2、光纤麦克风，3、波分复用器，4、隔离器，5、相位干涉仪，7、光纤，16、C波段密集波分复用器，17、并联光纤麦克风及波分复用器阵列，18、耦合器，19、解调仪组，
(五)具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：其实现装置包括LD泵浦源、光纤麦克风2、
本发明实施例如图1-2所示，一种DFB光纤激光器型光纤麦克风，包括LD泵浦光源1、DFB激光传感器、波分复用器3、隔离器4、相位干涉仪5、解调仪6，其特征在于将内部写有非对称π相移光纤光栅的铒、镱共掺光纤的DFB光纤激光器作为外部声音信号的接受和转换装置即光纤麦克风2，DFB光纤激光器光纤的两端作为光纤麦克风2的两个输出入端口，其一端连接波分复用器3，波分复用器3另一端分别经由光纤7连接LD泵浦光源1和隔离器4，隔离器4另一端经由光纤7连接相位干涉仪5，相位干涉仪5另一端由光纤7连接解调仪6。
一种利用串联连接方式形成的光纤麦克风分布式阵列装置，如图3-4所示，包括LD泵浦源1、光纤麦克风2、波分复用器3、隔离器4、相位干涉仪5、解调仪6，其特征在于将DFB光纤激光器作为外部声音信号的接受和转换装置即光纤麦克风2，3个光纤麦克风2串联在一起组成串联光纤麦克风阵列14，串联光纤麦克风阵列14的一端连接波分复用器3，波分复用器3另一端分别经由光纤7连接LD泵浦源1和隔离器4，隔离器4另一端经由光纤7连接相位干涉仪5，相位干涉仪5另一端由光纤7连接C波段密集波分复用器16，C波段密集波分复用器16分别经由光纤同串联声光转换器阵列14中相对应的解调仪相连接；多个解调仪组成解调仪组15，每个解调仪分别对应各自光纤麦克风，每个DFB光纤激光器光纤的两端作为光纤麦克风的两个输出入端口。
一种利用并联连接方式形成的光纤麦克风分布式阵列装置，如图3、5所示，包括LD泵浦光源1、光纤麦克风2、相位干涉仪5、解调仪、波分复用器3、隔离器4，其特征在于将DFB光纤激光器作为外部声音信号的接受和转换装置即光纤麦克风2，3个光纤麦克风2和对应的波分复用器3相连接后并联在一起组成并联声光转换器及波分复用器阵列17，上述阵列中的波分复用器3一方面经光纤和对应的耦合器18连接后共同接在LD泵浦源1上，另一方面经光纤和C波段密集波分复用器16连接；C波段密集波分复用器16另一端经由光纤7连接到隔离器4，隔离器4另一端经由光纤7连接相位干涉仪5，相位干涉仪5另一端由光纤7连接到另一个C波段密集波分复用器16，经此C波段密集波分复用器16分离出不同波长的激光信号，由光纤7连接到各自的解调仪，经解调仪解调出各自的声波信号，DFB光纤激光器光纤的两端作为光纤麦克风2的两个输出入端口。
实施例2：
同实施例1，只是其中的利用串联连接方式形成的光纤麦克风分布式阵列装置中的光纤麦克风和对应的解调仪组15中解调仪的个数分别为8个；利用并联连接方式形成的光纤麦克风分布式阵列装置中的光纤麦克风和对应的波分复用器、耦合器18及解调仪组19中解调仪的个数分别为8个。
本发明实施例中的LD泵浦光源选用980nmLD泵浦光源，波分复用器选用980/1550WDM，相位干涉仪选用非平衡MZ干涉仪，解调仪采用optiphase公司的OPD4000相位解调仪和放音装置如音响、喇叭。非平衡MZ相位干涉仪上用压电陶瓷与偏振控制仪进行相位补偿和偏振态控制以提高精度。