光纤声波传感技术结合了声波检测与分析技术以及光纤传感的优势，近年来已被广泛应用于地震波检测、光纤水听器、无损探伤和结构健康监测等很多领域。光纤声波传感器具有抗电磁干扰、传播损耗低、信噪比大、灵敏度高、易于复用等显著优势，已成为当前的研究热点。声波是由发声体的振动在传播介质中传播引起，声波的频域非常广泛，其量级可由10-3Hz到109Hz，根据声波的频段可将声波分为次声(<20Hz)、可听声(20~20000Hz)、超声(>20kHz)。不同频段的声波测量的传感应用领域也不一样。次声探测主要用于自然灾害预警，如检测火山爆发、泥石流、海啸等的发生，还可用于监测核爆、地质勘探等领域；可听声是人耳能够听到的频段，当今环境噪音越来越大，已经受到了大家的广泛关注，为了改善人们生活的环境，可听段噪音监测显得尤为重要；超声探测则主要用于无损探测、超声成像等方面。
近年来，在光学与电子信息学院鲁平教授指导下，带领相关团队在高精度光纤声波传感技术领域开展了系统的研究工作，主要开展了光纤声波传感头的设计与制作，声波的探测和动态声信号解调的工作。对于光纤声波传感器，光纤本身不能作为敏感元件来感知声信号，通常需要一个换能器件，将声信号的变化转换为光参量的变化。目前最有效的换能器件则是弹性膜片，弹性膜片在微弱的压差变化下都会发生形变，再通过弹性膜片的形变改变光在光纤中的传播特性。传感膜片的换能特性将直接影响到光纤声波传感器的声学响应特性。
围绕涵盖低频次声的宽频声波探测，课题组提出了基于不同换能材料的外腔式FPI光纤声波传感测量。鲁平教授指导2013级博士生刘理提出了一种基于紫外胶薄膜的EFPI型低频声波传感器。提出利用液体表面张力制作声学薄膜，和传统薄膜制作工艺相比，流程简单、成本低廉、易于实现。利用此方法制作了厚度为2.2~6.4μm、直径为2.5mm的紫外胶薄膜，在湖北省计量测试技术研究院低频校准及测试平台测试了该声传感器的性能，其在1Hz~20kHz的宽频带内表现出了良好的声学响应特性，在1~2000Hz频率范围内响应非常平坦，灵敏度57.3mV/Pa，灵敏度抖动小于±1.5dB。在次声频段(1~20Hz)的最小可探测声压为11.2mPa/Hz1/2，在高频(10kHz)处最小可探测声压为52.4μPa/Hz1/2。这一工作〝UV Adhesive Diaphragm-Based FPI Sensor for Very-Low-Frequency Acoustic Sensing〞已发表在IEEE Photonics JournalVol.8, No.1, 6800709 (2016)。
此外，鲁平教授指导2012级博士生王顺提出了一种利用基于50μm厚聚合物薄膜和3μm厚铝膜构成的复合凸台型薄膜，与光纤端面构成的外腔式FP干涉结构实现了次声的高灵敏探测。该光纤声波传感器采用斜边解调方法对传感结构进行了声波信号的解调。所制备的光纤次声传感器的尺寸大小仅有1英寸，在湖北省计量测试技术研究院测试结果表明：该传感器实现了1-20Hz的低频次声探测，且灵敏度高达121mV/Pa。这一工作〝An Infrasound Sensor Based on Extrinsic Fiber-Optic Fabry–Perot Interferometer Structure〞已发表在IEEE Photonics Technology Letters Vol.28, No.11, 1264-1267 (2016)。
为了在低频段获得较为平坦的响应，课题组提出了采用透射式的光纤器件和低频响应平坦的换能材料，鲁平教授指导2015级博士生倪文军通过CO2激光器单边刻写细芯超长周期光纤光栅(TC-ULPFG)，通过强度解调的方法可获得1570nm处损耗峰的曲率灵敏度为97.77dB/m-1。此外，TC-ULPFG在曲率的监测过程中不会受到外界温度的交叉干扰，采用波长解调的方法获得其温度灵敏度为62.94pm/℃。将该高灵敏度曲率的光纤器件应用在PET薄膜换能的声波传感中，利用动态声信号的检测即为动态曲率调制的原理，可得到1.89V/Pa的超高声压灵敏度，并获得了1.94mPa/Hz1/2的最小可探测声压，且在低频段70~200Hz范围内响应平坦。这一工作〝Highly Sensitive Optical Fiber Curvature and Acoustic Sensor Based on Thin Core Ultralong Period Fiber Grating〞已发表在IEEE Photonics Journal Vol.9, No.2, 7100909 (2016)。
基于以上光纤式的声传感器的信号解调技术均采用较为传统的斜边解调和强度解调方法，然而传统的信号解调技术通常需要对传感光源进行精确的波长反馈控制，或在传感结构中增加额外的调制器，且外部环境的不稳定扰动也会使传感器发生信号衰落甚至失真。为了更加精确地解调声信号，课题组提出了光谱纹波解调和双波长解调等方法。
为了消除外界环境静态物理量对声信号测量的影响，鲁平教授指导2015级博士生傅鑫提出了一种基于扫描纹波谱自拟合差分算法的光纤声传感器新型解调方法。采用宽带光输入作为传感器光源，接收端通过波长扫描的方式获取传感光谱信息。当传感器受到声信号扰动时，传感光谱受到动态调制。通过波长扫描获取传感光谱时，不同波长处的光强在不同时刻获取而对应不同的光谱函数，扫描一周后形成带有纹波波形的光谱。通过对纹波光谱进行自拟合，并与自拟合曲线进行差分运算，根据光谱波长的实时扫描特性实现将声信号从光频域至时域的线性转化获取时域声信号。由于解调方法基于对光谱的实时扫描与自拟合差分处理，因此外部环境的随机扰动可以被隔绝，提高传感器工作稳定性。这一工作〝Spectrum interrogation of fiber acoustic sensor based on self-fitting and differential method〞已发表在Optics Express Vol.25, No.4, 4429-4437 (2017)。
为了提高解调的精度和防止外界环境干扰带来的测量偏差，鲁平教授指导2014级博士生廖浩提出了一种用于短腔长外腔法布里珀罗干涉型（EFPI）声波传感器的相位解调方法。宽带光源（ASE光源）发出的宽带光经过光纤环形器高精度EFPI传感头，传感头反射回的光经过多通道可调谐滤波器滤出两路具有固定波长间隔的单色光，两路单色光之间的波长差为EFPI干涉谱自由光谱范围的1/4，这样两路信号之间的相位差为90°。两路信号由采集卡采集后再经过优化的微分交叉相乘（DCM）方法实现声信号的实时相位解调。本解调方法能够适用于具有较短腔长的EFPI型声波传感器的相位解调，具有灵敏度高、动态范围大的特点，同时本解调方法能够有效抵御外界环境扰动，适用于具有不同腔长的EFPI型声波传感器，具有很好的适用性。这一工作〝Phase Demodulation of Short-Cavity Fabry–Perot Interferometric Acoustic Sensors With Two Wavelengths〞已发表在IEEE Photonics Journal Vol.9, No.2, 7102207(2017)。
鲁平教授课题组的以上研究工作得到了国家自然科学基金重大项目以及面上项目（61775070，61275083, 61290315，61290311）的资助。
