面向文博领域飞虫入侵声检测的高灵敏度光纤FP腔传感器研究

作     者：郭一霖 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵明富;罗彬彬;黄永光

授予年度：2024年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：光纤FP腔 声检测 自准直 文博 飞行昆虫 

摘      要：在文博领域,不同文物对光照条件要求不同,博物馆常采用低照度的形式保护文物免受光照的破坏。而博物馆大部分虫害,例如衣蛾幼虫、飞蚊等害虫基本上属于畏光类害虫,这类害虫会对馆藏文物产生一定的侵蚀与损坏。针对文博领域飞行昆虫的检测,提出一种膜片式非本征型光纤法布里-珀罗(Extrinsic fiber Fabry-Perot,EFPI)声学检测的方法。对飞蚊、飞蛾等飞行昆虫的翅膀振动频率进行检测,以此达到监控害虫,保护文物的目的。本文对传统的膜片式EFPI声学传感器结构进行改进,通过增加光纤准直器的方法制作了一种自准直光纤EFPI声学传感器,同时采用强度解调技术提高了传感器的声压灵敏度。本文的研究内容具体如下: (1)阐述了膜片式EFPI声学传感器的基本理论,EFPI干涉的基本原理,对声学薄膜的静态压力形变特性、频响特性进行了分析;仿真分析了薄膜端面反射率以及耦合系数对EFPI干涉光谱的影响,薄膜半径、厚度等参数对静态压力灵敏度以及谐振频率的影响,最后对光纤EFPI传感器的解调方法做了简单的介绍。 (2)首先介绍了渐变折射率多模光纤光场传输理论,利用渐变折射率多模光纤的自聚焦特性,将渐变折射率多模光纤准直器引入到光纤EFPI声学传感器中,设计了一种自准直光纤EFPI声学传感器。为了更直观地展示渐变折射率多模光纤的准直效果,使用Rsoft软件进行仿真,比较了准直前后出射光的场分布,仿真结果表明渐变折射率多模光纤的准直效果非常显著;最后对传感器的结构、制作流程进行了详细的介绍。 (3)首先对比了带有准直器和未带有准直器的光纤EFPI声学传感器的干涉条纹可见度以及自由光谱范围;其次,搭建实验系统,通过标准声级计的标定,对所制作的光纤EFPI声学传感器的声压灵敏度、频率响应、最小可探测声压、声学指向性等关键参数进行了测试,同时对比了准直前后传感器的声压灵敏度、频率响应等参数。结果表明,带有准直器的EFPI声学传感器由于具有更好的干涉条纹可见度以及自由光谱范围,其声压灵敏度优于未带准直器的EFPI声学传感器;在测试的频率段范围内,传感器的声压灵敏度;在声学指向性实验中,传感器的声学灵敏度类似于心型指向,在传感器的正前方,其对声信号的灵敏度非常高;对于来自传感器后方的声音,它具有非常好的屏蔽作用,能有效降低环绕声和反射回来的声信号。 (4)首先测试了传感器的变频响应特性,接着搭建了虫害模拟实验系统,介绍了文博领域常见的三种虫害及其它们飞行时的声学频率特征,针对虫害飞行时其翅膀振动的声学频率特征,利用蓝牙音箱进行了模拟实验。对蓝牙音响模拟的飞蚊飞行时的翁叫声、苍蝇撞击灯泡的撞击声进行了测试。结果表明:传感器可以检测到飞蚊飞行时的翁叫声以及苍蝇撞击灯泡声;此外,对采集到的信号进行FFT变换后,传感器能够检测到苍蝇飞行时的200 Hz特征频率,这表明传感器在根据苍蝇的飞行特征频率进行识别时具有潜在的应用价值,同时也表明在文博领域通过光纤EFPI声传感器进行害虫声检测具有可行性。