[發(fā)明專(zhuān)利]光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器的雙波長(zhǎng)非線(xiàn)性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910403491.7
• 申請(qǐng)日: 2019-05-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110044466B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王代華;王杰;吳軻
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01H9/00
• 分類(lèi)號(hào): G01H9/00
• 代理公司: 重慶華科專(zhuān)利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

本發(fā)明公開(kāi)了一種光纖Fabry?Perot水聽(tīng)器的雙波長(zhǎng)非線(xiàn)性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。其中方法包括以下步驟：1)獲取兩路反射譜；2)設(shè)置兩路激光器工作波長(zhǎng)，分別確定初始相位；3)反射譜相位轉(zhuǎn)換、曲線(xiàn)擬合及求解反函數(shù)；4)分別計(jì)算光相位的改變量，確定腔長(zhǎng)變化量；5)根據(jù)耦合模型解調(diào)非線(xiàn)性聲壓。本發(fā)明提供的光纖Fabry?Perot水聽(tīng)器的雙波長(zhǎng)非線(xiàn)性聲壓解調(diào)方法及系統(tǒng)具有無(wú)理論聲壓解調(diào)上限，解調(diào)精度高，克服相位模糊，解調(diào)靈活，能對(duì)解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)確性給予評(píng)價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

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

背景技術(shù)

高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound,HIFU)近年來(lái)在受到了廣泛關(guān)注，發(fā)展十分迅速。首先，HIFU可以作為醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的一種全新的研究平臺(tái)。其次，HIFU作為聲學(xué)領(lǐng)域里的極端條件，其在各領(lǐng)域的重大創(chuàng)新研究不亞于超高壓、超真空、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射、高低溫等已為我們所熟知的極端條件，其研究成果對(duì)推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。而聲壓作為HIFU最為核心的一個(gè)參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量與解調(diào)聲壓大小就顯得格外重要。

然而由于HIFU聲場(chǎng)具有聲焦域尺寸小，高溫效應(yīng)，空化效應(yīng)，機(jī)械效應(yīng)等明顯特點(diǎn)，至今為止對(duì)聲壓的測(cè)量與解調(diào)還沒(méi)有一種完全理想的方法。光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器由于具有空間分辨率高、溫度不敏感、受聲場(chǎng)空化影響小、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的聲壓測(cè)量傳感器。目前，光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器主要采用最佳線(xiàn)性偏置點(diǎn)直接測(cè)量法進(jìn)行聲壓的解調(diào)，這種是一種線(xiàn)性的解調(diào)方法，利用干涉信號(hào)的線(xiàn)性段將聲壓引起相位的變化轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性的光強(qiáng)變化，從而實(shí)現(xiàn)聲壓解調(diào)。但是這種方法也存在如下缺點(diǎn)：1)由于線(xiàn)性范圍很窄，超過(guò)線(xiàn)性范圍之后解調(diào)出的聲壓明顯小于實(shí)際聲壓，導(dǎo)致計(jì)算誤差大；2)由于是一種線(xiàn)性的解調(diào)方法，干涉信號(hào)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(wèn)題，即聲壓引起的相位變化在極值點(diǎn)附近時(shí)，光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器對(duì)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(hào)的變化，同時(shí)也不能確定相位的變化是增大還是減小；4)無(wú)法靈活解調(diào)，由于正負(fù)聲壓大小通常不對(duì)稱(chēng)，正負(fù)聲壓引起的腔長(zhǎng)增加量和腔長(zhǎng)減小量也不同，導(dǎo)致輸出信號(hào)差距較大；5)無(wú)法對(duì)解調(diào)出的聲壓結(jié)果的準(zhǔn)確性給予評(píng)價(jià)。受限于這五方面的問(wèn)題，光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器采用最佳線(xiàn)性偏置點(diǎn)直接測(cè)量法進(jìn)行聲壓解調(diào)時(shí)，受到極大的限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的不足，提供一種光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器的雙波長(zhǎng)非線(xiàn)性聲壓解調(diào)系統(tǒng)及方法，可以有效的改善上述問(wèn)題，具有無(wú)理論聲壓解調(diào)上限，解調(diào)精度高，克服相位模糊，解調(diào)靈活，能對(duì)解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)確性給予評(píng)價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的方案如下：

第一方面，本發(fā)明提供一種光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器的雙波長(zhǎng)非線(xiàn)性聲壓解調(diào)方法，本方法同時(shí)將兩束工作波長(zhǎng)不同的激光輸入光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器，兩路激光分別受到聲壓的調(diào)制，分析兩路激光調(diào)制后的信號(hào)即可分別解調(diào)出聲壓引起的Fabry-Perot腔的腔長(zhǎng)變化量，最后結(jié)合光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器與聲場(chǎng)的耦合模型解調(diào)出聲壓。本方法包括以下步驟：

1、獲取兩路反射譜：首先，關(guān)閉超聲換能器的輸出，保證超聲波未作用到光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器上；然后，兩路激光器工作，數(shù)據(jù)采集卡采集光電探測(cè)器的輸出電壓V隨任意一路波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)λ變化的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，即兩路反射譜。

2、設(shè)置兩路激光器工作波長(zhǎng)，分別確定初始相位：對(duì)反射譜進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算出Fabry-Perot腔腔長(zhǎng)L，并分別設(shè)置兩路激光器的工作波長(zhǎng)。兩路激光的波長(zhǎng)滿(mǎn)足：對(duì)應(yīng)波分復(fù)用器兩個(gè)不同通道，且兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)反射譜上的電壓不能相同。完成工作波長(zhǎng)設(shè)置后根據(jù)分別確定超聲波未作用到光纖Fabry-Perot水聽(tīng)器時(shí)的初相位φ₁₀和φ₂₀，其中n_a為Fabry-Perot腔腔內(nèi)空氣折射率。