光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种光纤Fabry‑Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法及系统，属于光纤传感技术领域。所述方法包括以下步骤：1)获取反射谱；2)调整激光器工作点，确定初始相位；3)反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数；4)计算光相位的改变量，确定腔长变化量；5)根据耦合模型解调非线性声压。与现有线性解调方法相比，本发明专利技术提供的方法及系统在保证光纤Fabry‑Perot水听器声压解调范围无理论上限和准确解调的同时，还能克服相位模糊问题。

Nonlinear Sound Pressure Demodulation Method and System for Optical Fiber Fabry-Perot Hydrophone at Arbitrary Operating Point

【技术实现步骤摘要】
光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法及系统
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及光纤水听器的声压解调技术。
技术介绍
高强度聚焦超声(Highintensityfocusedultrasound,HIFU)技术是一种非侵入性的治疗技术，它是将体外低能量超声波聚焦于体内靶区，在靶区产生瞬态高温，达到消融组织的目的。而声压作为HIFU最为核心的一个参数，准确测量与解调声压大小就显得格外重要。由于HIFU声场具有声焦域尺寸小，高温效应，空化效应，机械效应等明显特点，至今为止对声压的测量与解调还没有一种完全理想的方法。光纤Fabry-Perot水听器由于具有空间分辨率高、温度不敏感、受声场空化影响小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，是一种理想的声压测量传感器。目前，光纤Fabry-Perot水听器主要采用最佳线性偏置点直接测量法进行声压的解调，这是一种线性的解调方法，其利用干涉信号的线性段将声压引起相位的变化转化为线性的光强变化，从而实现声压解调。但是这种方法也存在如下缺点：1)由于线性范围很窄，超过线性范围之后解调出的声压明显小于实际声压，导致计算误差大；2)由于是一种线性的解调方法，干涉信号输出存在上限，因此存在声压解调上限限制；3)存在相位模糊问题，即声压引起的相位变化在极值点附近时，光纤Fabry-Perot水听器对相位的微小变化将极不敏感，相位的微小变化几乎不引起干涉信号的变化，同时也不能确定相位的变化是增大还是减小。所以，受限于这三方面的问题，光纤Fabry-Perot水听器采用最佳线性偏置点直接测量法进行声压解调时，受到极大的限制。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法及系统，其通过调整激光器工作点确定声压引起的Fabry-Perot腔的腔长变化量，结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型进行声压计算。一方面，该方法可以克服最佳线性偏置点直接测量法线性解调时存在声压解调上限的限制；另一方面，该方法比最佳线性偏置点直接测量法的准确性更高；进一步，该方法还能克服相位模糊问题，即使得相位变化不会落在极值点附近。本专利技术解决上述技术问题的方案如下：本专利技术提供的一种光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法，包括以下步骤：1.获取反射谱：关闭超声换能器，保证超声波未作用到所述光纤Fabry-Perot水听器上，记录系统输出电压V随激光器波长λ变化的离散点数据，即反射谱。2.调整激光器工作点，确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出Fabry-Perot腔腔长L，并调整激光器工作点。首先将工作点设置在反射谱中斜率最大的最佳线性偏置点处，如果声压引起的系统输出电压达到当前工作点的最大输出电压时，则将工作点位置下移或者上移；如果声压引起的系统输出电压达到当前工作点的最小输出电压时，则将工作点位置上移或下移。反复调整工作点，直到系统输出电压不在当前工作点的最大输出电压或者最小输出电压附近。完成工作点设置后，根据确定超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器时的初相位φ0，其中na为Fabry-Perot腔腔内空气折射率。3.反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数：根据将反射谱转换为输出电压V与光相位φ的离散点数据，并进行最小二乘拟合，建立输出电压V与光相位φ的函数关系V(φ)，拟合形式为：式中y0、A、xc、w都为待拟合的参数，求式(1)的反函数V-1(φ)得到光相位φ与输出电压V的函数关系为：式中k为整数。4.计算光相位的改变量，确定腔长变化量：打开超声换能器，使超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器上，记录超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器后系统输出电压V1，根据步骤3中光相位与输出电压的函数关系计算超声波作用后的终相位φ1，然后结合初相位φ0得到相位变化量Δφ，并根据Fabry-Perot腔腔长L和激光器工作波长λ0计算出超声波引起的Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL。5.根据耦合模型解调非线性声压：根据Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL，再结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型计算出非线性声压P：其中T2、T1为声压透射系数，E为石光纤的杨氏模量，f为超声波的频率，c为超声波在光纤中的声速。本专利技术进一步提出一种实现上述方法的光纤Fabry-Perot水听器系统，其主要由光纤Fabry-Perot水听器、超声换能器、波长可调谐激光器、光纤环形器、光电探测器和数据采集卡组成。波长可调谐激光器输出的激光经过光纤环形器到达水听器，水听器的反射光经过超声换能器被超声波调制后，经过光纤环形器后到达光电探测器输出两路电压信号，一路接入数据采集卡，另一路直接输出。具体的，本专利技术上述系统中，所述光纤Fabry-Perot水听器包括：单模光纤、反射光纤和石英毛细管，所述石英毛细管的两端分别与所述单模光纤和反射光纤熔接，所述石英管内的空气腔作为干涉腔；在所述空气腔的两个反射面之间自然构成光纤Fabry-Perot水听器的Fabry-Perot腔。具体的，所述超声换能器可以是球形超声换能器，也可以是环形超声换能器。本专利技术具有的有益的效果是：1.本专利技术提供的声压解调方法不存在声压解调上限的限制，极大的拓展了声压解调范围；2.本专利技术提供的声压解调方法解调准确性高；3.本专利技术提供的声压解调方法不受相位模糊问题的困扰，声压引起的相位变化不会落在极值点附近，能区分相位变化的方向。4.本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器解调系统简单、实验系统搭建容易，并且具有重复性好、对温度不敏感和线性度好的优点，能够正确描述HIFU声场的声场特性。因此，光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法对准确测量HIFU声场具有重要意义和潜在的实用价值。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：图1是本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法涉及的光纤Fabry-Perot水听器结构示意图。图2是采用本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法的实施例的系统结构示意图。图3是本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法的解调流程图。图4是本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法的反射谱与拟合后反射谱。图5是正交工作点处系统输出的电压波形曲线。图6为修改工作点后系统输出的电压波形曲线。图中：001.反射光纤、002.石英毛细管、003.输入/输出单模光纤、101.PC机、102.波长可调谐激光器、103.第一光纤、104.光纤环形器、105.第二光纤、106.光纤Fabry-Perot水听器、107.超声换能器、108.第三光纤、109.光电探测器、110.数据采集卡、111.输出端。具体实施方式下面结合附图对本专利技术提供的光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法及系统作进一步详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术权利要求的内容所实现的技术均属于本专利技术的范围。实施例1：光纤Fabry-P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤Fabry‑Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)获取反射谱：关闭超声换能器，保证超声波未作用到光纤Fabry‑Perot水听器上，记录系统输出电压V随激光器波长λ变化的离散点数据，即反射谱；(2)调整激光器工作点，确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算Fabry‑Perot腔腔长L，并调整激光器工作点：首先将工作点设置在反射谱中斜率最大的最佳线性偏置点处，如果声压引起的系统输出电压达到当前工作点的最大输出电压时，则将工作点位置下移或者上移；如果声压引起的系统输出电压达到当前工作点的最小输出电压时，则将工作点位置上移或者下移；反复调整工作点，直到系统输出电压不在当前工作点的最大输出电压或者最小输出电压附近；完成工作点设置后，根据

【技术特征摘要】
1.一种光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)获取反射谱：关闭超声换能器，保证超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器上，记录系统输出电压V随激光器波长λ变化的离散点数据，即反射谱；(2)调整激光器工作点，确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算Fabry-Perot腔腔长L，并调整激光器工作点：首先将工作点设置在反射谱中斜率最大的最佳线性偏置点处，如果声压引起的系统输出电压达到当前工作点的最大输出电压时，则将工作点位置下移或者上移；如果声压引起的系统输出电压达到当前工作点的最小输出电压时，则将工作点位置上移或者下移；反复调整工作点，直到系统输出电压不在当前工作点的最大输出电压或者最小输出电压附近；完成工作点设置后，根据确定超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器时的初相位φ0，其中na为Fabry-Perot腔腔内空气折射率；(3)反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数：根据将反射谱转换为输出电压V与光相位φ的离散点数据，并进行拟合，建立输出电压V与光相位φ的函数关系V(φ)，求反函数得到光相位φ与输出电压V的函数关系V-1(φ)；(4)计算光相位的改变量，确定腔长变化量：打开超声换能器，使超声波作用到光纤Fabry-Perot水听器上，记录系统输出电压V1，根据步骤(3)中光相位与输出电压的函数关系计算超声波作用后的终相位φ1，然后结合初相位φ0得到相位变化量Δφ，并根据Fabry-Perot腔腔长L和激光器工作波长λ0计算出超声波引起的Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL；(5)根据耦合模型解调非线性声压：根据Fabry-Perot腔腔长变化量ΔL，再结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型解调出非线性声压P。2.根据权利要求1所述的光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(1)所述获取的反射谱为超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器上时系统输出电压随激光器工作波长增加得到的离散点数据。3.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王代华，王杰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50