一种用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于HIFU场测量的光纤Fabry‑Perot水听器系统，包括光纤Fabry‑Perot超声水听器、水听器夹具、环形器、光衰减器、光电探测器、可调谐激光器、控制器和上位机，上位机与控制器相连，控制器与可调谐激光器相连，可调谐激光器与光衰减器相连，光衰减器与环形器的第一个端口相连，环形器的第二个端口与光纤Fabry‑Perot超声水听器相连，环形器的第三个端口与所述光电探测器的输入端相连，所述光电探测器的输出端与控制器相连；测量HIFU场时，上位机向控制器发出控制可调谐激光器输出波长为λ的激光的命令，然后从控制器处获取光电探测器输出的电压变化量ΔV0，并利用公式计算得到HIFU场的声压P。本发明专利技术能实现HIFU场的声压的准确测量。

An Optical Fiber Fabry-Perot Hydrophone System for HIFU Field Measurement

【技术实现步骤摘要】
一种用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统。
技术介绍
高强度聚焦超声(Highintensityfocusedultrasound，HIFU)近年来受到了广泛关注，发展十分迅速。首先，HIFU可以作为医学、物理学、化学和材料学等学科领域的一种全新的研究平台；其次，HIFU作为声学领域里的极端条件，其在各领域的重大创新研究不亚于超高压、超真空、强磁场、强辐射、高低温等已为我们所熟知的极端条件，其研究成果对推动我国科学技术与社会经济发展具有重要意义。尤其是在生物医学领域和医学超声工程界，HIFU治疗提供了一种非侵入性的无创治疗肿瘤的方法，相比传统治疗手段，这是一种颠覆性的治疗手段，受到了国际社会极大关注。光纤Fabry-Perot超声水听器由于结构尺寸小、空间分辨率高、抗干扰能力强，在HIFU的传感与测量方面已展现特别优势。然而由于HIFU场具有焦域尺寸小、高温高压、机械效应、空化效应等特点，使得水听器夹具在固定光纤水听器时面临巨大困难。传统的水听器夹具存在硬性夹持，易损坏光纤水听器、可拆卸性差、光纤水听器易晃动、对HIFU场干扰严重等问题；并且传统的解调方法解调不准确，不能实现HIFU场声压的准确测量。CN103234619A公开了一种光纤法布里-珀罗超声水听器及系统，其中描述了光纤法布里-珀罗超声水听系统以及用于夹持该水听器的夹具，水听系统能够承受HIFU声场的高温，并且具有高空间分辨率、高灵敏度和同时温度测量的特性，夹具采用的是可拆卸的柔性夹持，不会损坏光纤水听器。但是其仍然存在如下问题：(1)采用传统的解调方法解调，不准确，不能实现HIFU场声压的准确测量，更不能实现高声压的HIFU场的准确测量；(2)为了保证足够高的测量空间分辨率，光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分和纤芯部分需要直接悬伸出夹具，光纤Fabry-Perot超声水听器的纤芯部分受到HIFU场的机械效应、空化效应作用，很容易晃动，导致HIFU场测量结果不准确，减小悬伸出夹具的长度能在一定程度上减少晃动，但同时又会导致夹具严重干扰声场，甚至使得HIFU场提前空化；(3)针对高声压的HIFU场测量时，悬伸出夹具的光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分和纤芯部分会出现比较厉害的晃动，甚至出现震断现象，导致高声压的HIFU场测量结果出现错误；(4)柔性夹持部位(即柔性梁和夹头)的结构加工比较困难，加工成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统，以实现HIFU场的声压的准确测量。本专利技术所述的用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统，包括光纤Fabry-Perot超声水听器、水听器夹具、环形器、光衰减器、光电探测器、可调谐激光器、控制器和上位机，上位机与控制器相连，控制器与可调谐激光器相连，可调谐激光器与光衰减器相连，光衰减器与环形器的第一个端口相连，环形器的第二个端口与光纤Fabry-Perot超声水听器相连，光纤Fabry-Perot超声水听器被夹持在水听器夹具上，环形器的第三个端口与所述光电探测器的输入端相连，所述光电探测器的输出端与控制器相连；所述上位机被编程以便执行如下步骤：测量HIFU场时，向控制器发出控制可调谐激光器输出波长为λ的激光的命令，然后从控制器处获取光电探测器输出的电压变化量ΔV0，并利用公式：计算得到HIFU场的声压P；其中，λ表示光纤Fabry-Perot超声水听器工作在最佳线性偏置点处对应的波长(可以从光纤Fabry-Perot水听器的反射谱中得到)，na表示Fabry-Perot腔内的折射率，K0表示线性探测区的斜率，tp表示水-反射光纤界面的透射波声压与入射波声压之比，tps表示反射光纤-石英毛细管界面的透射波声压与入射波声压之比，L表示光纤Fabry-Perot超声水听器的初始腔长，E表示石英毛细管的杨氏模量，f表示超声波频率，c表示光速；λ、na、K0、tp、tps、L、E、f、c都为在上位机内设定的已知参数。具体测量过程为：测量HIFU场时，上位机向控制器发出控制可调谐激光器输出波长为λ的激光的命令，控制器接收到该命令后控制可调谐激光器输出波长为λ的激光，光衰减器将激光功率调整到合适的功率值，调整之后的激光通过环形器到达光纤Fabry-Perot超声水听器，当光纤Fabry-Perot超声水听器受到HIFU场作用时，反射光被超声波调制，返回的干涉光信号会携带声场信息，经环形器后到达所述光电探测器，所述光电探测器将其转换为电信号(即电压变化量ΔV0)，并通过控制器传送给上位机，上位机利用上述公式计算(即进行声压线性解调)得到HIFU场的声压P。所述水听器夹具包括夹持器、夹持头和夹持管，夹持器的中心开设有第二轴向通孔、头部具有螺纹连接杆和柔性夹爪，柔性夹爪的端部为锥形夹头，夹持头的中心开设有第一轴向通孔，第一轴向通孔由依次连通的第一连接孔、第一锥孔和第一护套孔构成，夹持头的一端具有公接头，第一护套孔位于公接头的中心，第一连接孔具有内螺纹，第一锥孔的锥度与锥形夹头的锥度相匹配，夹持管由母接头和针管连为一体构成，针管的内孔连通至母接头的空腔，针管的内径与光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分的直径相匹配，夹持器的头部插入夹持头内，螺纹连接杆与第一连接孔螺接，通过挤压锥形夹头能夹紧光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分，夹持管通过母接头与公接头的配合而与夹持头连接。通过柔性夹爪夹持光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分，实现了光纤Fabry-Perot超声水听器的柔性夹持；在夹持头上连接夹持管，夹持光纤Fabry-Perot超声水听器时，光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分位于针管内，光纤Fabry-Perot超声水听器的纤芯部分也可以位于针管内，间接使得光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分和纤芯部分具有了足够刚度，能减小光纤Fabry-Perot超声水听器的纤芯部分在焦域处的晃动，实现更高声压的准确测量；针管体积小，减小了焦域声波在水听器夹具表面的反射(即减小了水听器夹具对HIFU场的干扰)，减少了絮乱的声场信号，能够实现侵入式测量，并且针管既保护了光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分和纤芯部分，又能减少因光纤Fabry-Perot超声水听器的纤芯部分晃动产生的小干扰信号，从而使得HIFU场声压测量结果更加准确。所述水听器夹具还包括夹持杆，夹持杆的中心沿轴向开设有护套通孔(供光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分通过)，夹持杆的一端具有外螺纹；所述第二轴向通孔由依次连通的第二连接孔、第二锥孔和第二护套孔(供光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分通过)构成，第二连接孔具有内螺纹，第二护套孔位于螺纹连接杆的中心和柔性夹爪的中心，夹持杆的具有外螺纹的一端插入夹持器内，与第二连接孔螺接。通过螺接夹持杆的方式延长了水听器夹具的整体长度，夹持杆安装在标准测量工作台上，支撑整个水听器夹具。所述柔性夹爪由关于夹持器的轴线对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于HIFU场测量的光纤Fabry‑Perot水听器系统，包括光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)、水听器夹具、环形器(6)、光衰减器(7)、光电探测器(8)、可调谐激光器(9)、控制器(10)和上位机(20)，上位机(20)与控制器(10)相连，控制器(10)与可调谐激光器(9)相连，可调谐激光器(9)与光衰减器(7)相连，光衰减器(7)与环形器(6)的第一个端口相连，环形器(6)的第二个端口与光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)相连，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)被夹持在水听器夹具上，环形器(6)的第三个端口与所述光电探测器(8)的输入端相连，所述光电探测器(8)的输出端与控制器(10)相连；其特征在于，所述上位机(20)被编程以便执行如下步骤：测量HIFU场时，向控制器(10)发出控制可调谐激光器(9)输出波长为λ的激光的命令，然后从控制器(10)处获取光电探测器(8)输出的电压变化量ΔV0，并利用公式：

【技术特征摘要】
1.一种用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统，包括光纤Fabry-Perot超声水听器(1)、水听器夹具、环形器(6)、光衰减器(7)、光电探测器(8)、可调谐激光器(9)、控制器(10)和上位机(20)，上位机(20)与控制器(10)相连，控制器(10)与可调谐激光器(9)相连，可调谐激光器(9)与光衰减器(7)相连，光衰减器(7)与环形器(6)的第一个端口相连，环形器(6)的第二个端口与光纤Fabry-Perot超声水听器(1)相连，光纤Fabry-Perot超声水听器(1)被夹持在水听器夹具上，环形器(6)的第三个端口与所述光电探测器(8)的输入端相连，所述光电探测器(8)的输出端与控制器(10)相连；其特征在于，所述上位机(20)被编程以便执行如下步骤：测量HIFU场时，向控制器(10)发出控制可调谐激光器(9)输出波长为λ的激光的命令，然后从控制器(10)处获取光电探测器(8)输出的电压变化量ΔV0，并利用公式：计算得到HIFU场的声压P；其中，λ表示光纤Fabry-Perot超声水听器工作在最佳线性偏置点处对应的波长，na表示Fabry-Perot腔内的折射率，K0表示线性探测区的斜率，tp表示水-反射光纤界面的透射波声压与入射波声压之比，tps表示反射光纤-石英毛细管界面的透射波声压与入射波声压之比，L表示光纤Fabry-Perot超声水听器的初始腔长，E表示石英毛细管的杨氏模量，f表示超声波频率，c表示光速；λ、na、K0、tp、tps、L、E、f、c都为在上位机(20)内设定的已知参数。2.根据权利要求1所述的用于HIFU场测量的光纤Fabry-Perot水听器系统，其特征在于：所述水听器夹具包括夹持器(2)、夹持头(3)和夹持管(4)，夹持器(2)的中心开设有第二轴向通孔、头部具有螺纹连接杆(21)和柔性夹爪，柔性夹爪的端部为锥形夹头(22)，夹持头(3)的中心开设有第一轴向通孔，第一轴向通孔由依次连通的第一连接孔(31)、第一锥孔(32)和第一护套孔(33)构成，夹持头(3)的一端具有公接头(34)，第一护套孔(33)位于公接头(34)的中心，第一连接孔(31)具有内螺纹，第一锥孔(32)的锥度...

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