[發(fā)明專利]光纖Fabry-Perot水聽器任意工作點非線性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910403485.1
• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110044464B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王代華;王杰
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

本發(fā)明提供一種光纖Fabry?Perot水聽器任意工作點非線性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。所述方法包括以下步驟：1)獲取反射譜；2)調(diào)整激光器工作點，確定初始相位；3)反射譜相位轉(zhuǎn)換、曲線擬合及求解反函數(shù)；4)計算光相位的改變量，確定腔長變化量；5)根據(jù)耦合模型解調(diào)非線性聲壓。與現(xiàn)有線性解調(diào)方法相比，本發(fā)明提供的方法及系統(tǒng)在保證光纖Fabry?Perot水聽器聲壓解調(diào)范圍無理論上限和準(zhǔn)確解調(diào)的同時，還能克服相位模糊問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及光纖水聽器的聲壓解調(diào)技術(shù)。

背景技術(shù)

高強度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound,HIFU)技術(shù)是一種非侵入性的治療技術(shù)，它是將體外低能量超聲波聚焦于體內(nèi)靶區(qū)，在靶區(qū)產(chǎn)生瞬態(tài)高溫，達(dá)到消融組織的目的。而聲壓作為HIFU最為核心的一個參數(shù)，準(zhǔn)確測量與解調(diào)聲壓大小就顯得格外重要。由于HIFU聲場具有聲焦域尺寸小，高溫效應(yīng)，空化效應(yīng)，機械效應(yīng)等明顯特點，至今為止對聲壓的測量與解調(diào)還沒有一種完全理想的方法。光纖Fabry-Perot水聽器由于具有空間分辨率高、溫度不敏感、受聲場空化影響小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，是一種理想的聲壓測量傳感器。

目前，光纖Fabry-Perot水聽器主要采用最佳線性偏置點直接測量法進行聲壓的解調(diào)，這是一種線性的解調(diào)方法，其利用干涉信號的線性段將聲壓引起相位的變化轉(zhuǎn)化為線性的光強變化，從而實現(xiàn)聲壓解調(diào)。但是這種方法也存在如下缺點：1)由于線性范圍很窄，超過線性范圍之后解調(diào)出的聲壓明顯小于實際聲壓，導(dǎo)致計算誤差大；2)由于是一種線性的解調(diào)方法，干涉信號輸出存在上限，因此存在聲壓解調(diào)上限限制；3)存在相位模糊問題，即聲壓引起的相位變化在極值點附近時，光纖Fabry-Perot水聽器對相位的微小變化將極不敏感，相位的微小變化幾乎不引起干涉信號的變化，同時也不能確定相位的變化是增大還是減小。所以，受限于這三方面的問題，光纖Fabry-Perot水聽器采用最佳線性偏置點直接測量法進行聲壓解調(diào)時，受到極大的限制。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供一種光纖Fabry-Perot水聽器任意工作點非線性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)，其通過調(diào)整激光器工作點確定聲壓引起的Fabry-Perot腔的腔長變化量，結(jié)合光纖Fabry-Perot水聽器與聲場的耦合模型進行聲壓計算。一方面，該方法可以克服最佳線性偏置點直接測量法線性解調(diào)時存在聲壓解調(diào)上限的限制；另一方面，該方法比最佳線性偏置點直接測量法的準(zhǔn)確性更高；進一步，該方法還能克服相位模糊問題，即使得相位變化不會落在極值點附近。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案如下：

本發(fā)明提供的一種光纖Fabry-Perot水聽器任意工作點非線性聲壓解調(diào)方法，包括以下步驟：

1.獲取反射譜：關(guān)閉超聲換能器，保證超聲波未作用到所述光纖Fabry-Perot水聽器上，記錄系統(tǒng)輸出電壓V隨激光器波長λ變化的離散點數(shù)據(jù)，即反射譜。

2.調(diào)整激光器工作點，確定初始相位：對反射譜進行傅里葉變換，計算出Fabry-Perot腔腔長L，并調(diào)整激光器工作點。首先將工作點設(shè)置在反射譜中斜率最大的最佳線性偏置點處，如果聲壓引起的系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到當(dāng)前工作點的最大輸出電壓時，則將工作點位置下移或者上移；如果聲壓引起的系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到當(dāng)前工作點的最小輸出電壓時，則將工作點位置上移或下移。反復(fù)調(diào)整工作點，直到系統(tǒng)輸出電壓不在當(dāng)前工作點的最大輸出電壓或者最小輸出電壓附近。完成工作點設(shè)置后，根據(jù)確定超聲波未作用到光纖Fabry-Perot水聽器時的初相位φ₀，其中n_a為Fabry-Perot腔腔內(nèi)空氣折射率。

3.反射譜相位轉(zhuǎn)換、曲線擬合及求解反函數(shù)：根據(jù)將反射譜轉(zhuǎn)換為輸出電壓V與光相位φ的離散點數(shù)據(jù)，并進行最小二乘擬合，建立輸出電壓V與光相位φ的函數(shù)關(guān)系V(φ)，擬合形式為：