测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统技术方案

本发明专利技术公开了一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry‑Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry‑Perot超声水听器、水听器夹具、弓形支架、和柔性夹具、上位机、三维移动平台和平台驱动控制器，光纤Fabry‑Perot超声水听器的一端部被夹持在水听器夹具上、另一端部被夹持在柔性夹具上，光纤Fabry‑Perot超声水听器的石英毛细管位于水听器夹具与柔性夹具之间，水听器夹具、柔性夹具分别安装在弓形支架的两端，弓形支架安装在三维移动平台上。上位机根据反馈的i个电压变化量ΔVi确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定其焦域位置，在石英毛细管移动到焦域位置时，将反馈的计算值ΔV带入相关公式，计算得到其焦域位置的声压P。本发明专利技术能实现球形聚焦集声器声场和焦域位置的声压的准确测量。

Radial Coupling System of Optical Fiber Fabry-Perot Hydrophone for Measuring the Acoustic Field of Spherical Focused Concentrator

【技术实现步骤摘要】
测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统。
技术介绍
随着对超声热疗、超声成像、超声溶栓等技术的不断深入研究和交叉学科的迅猛发展，高强度聚焦超声(Highintensityfocusedultrasound，HIFU)技术得到了进一步发展，为后面HIFU治疗技术推广使用积累了经验。21世纪之后，HIFU治疗已经受到越来越多的人的青睐，HIFU技术已成为声学领域的热点问题和全球科技的重要前沿问题。HIFU技术经过半个多世纪的发展和进步，HIFU治疗技术所展示出的有效性、安全性为靶向适形无创消融治疗肿瘤带来了希望。HIFU治疗技术和HIFU声场检测共同推动了HIFU技术在医学科学领域的研究与应用。为了达到更加优良的聚焦效果，实现更加精细的HIFU治疗，要求焦域尺寸进一步压缩、焦点声压进一步提高。目前，常规的行波聚焦方式对HIFU声场的聚焦能力的提升已经越来越难，球形聚焦集声器也就应运而生了。球形聚焦集声器能够产生球形HIFU声场，能够实现亚波长量级的精细聚焦，球形聚焦集声器内部的压电材料既能产生超声波，又可以反射超声波，实现超声波的多次叠加；如果传播方向相反的超声波在焦域处同相叠加，将极大的增加焦域的声压，并进一步压缩焦域，甚至形成驻波环，把HIFU声压推到了一个更高的水平。因此，球形聚焦集声器声场焦域尺寸更小、声压更高、温度变化更剧烈，机械效应、空化效应影响更大，导致了球形聚焦集声器声场的检测难度增加。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，不能实现球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压的准确测量；(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，甚至使得球形聚焦集声器声场提前空化；(3)针对高声压的球形聚焦集声器声场测量时，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，导致高声压的球形聚焦集声器声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测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统，以实现球形聚焦集声器声场和焦域位置的声压的准确测量。本专利技术所述的一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry-Perot超声水听器、水听器夹具、信号处理系统、上位机、三维移动平台和平台驱动控制器，上位机与信号处理系统、平台驱动控制器相连，平台驱动控制器与三维移动平台相连，信号处理系统与光纤Fabry-Perot超声水听器相连；还包括弓形支架和柔性夹具，光纤Fabry-Perot超声水听器的具有信号输入输出的一端部被夹持在水听器夹具上，光纤Fabry-Perot超声水听器的另一端部被夹持在柔性夹具上，光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管位于水听器夹具与柔性夹具之间，与球形聚焦集声器声场形成径向耦合，水听器夹具安装在弓形支架的一端，柔性夹具安装在弓形支架的另一端，弓形支架安装在三维移动平台上；所述上位机被编程以便执行如下步骤：测量球形聚焦集声器声场时，向信号处理系统发输出波长为λ1的激光的命令，向平台驱动控制器发控制三维移动平台移动以带动光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管进行三维空间扫描的命令；在光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管进行三维空间扫描的过程中，从信号处理系统处获取i个电压变化量ΔVi；根据i个电压变化量ΔVi确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定球形聚焦集声器声场的焦域位置；测量球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压时，向平台驱动控制器发控制三维移动平台移动以带动光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管移动到焦域位置的命令，向信号处理系统发输出波长为λ1的激光的命令；从信号处理系统处获取m个携带声压信息的电压变化量ΔVm，保存为携带声压信息的电压变化量谱(即电压变化量ΔVm与时间的关系谱)；将光纤Fabry-Perot超声水听器进行波长扫描获得的反射谱进行拟合，得到关于输出电压与相位的关系的拟合函数：其中，选择携带声压信息的电压变化量谱中最大的电压变化量作为计算值ΔV，并带入公式：中，计算得到光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL；将光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL带入公式：中，计算得到球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压P；其中，j表示计算值ΔV的饱和次数(即携带声压信息的电压变化量谱中最大的电压变化量的饱和次数)，y0表示直流偏值量，A表示幅值，ω表示输出干涉条纹的角频率，xc表示拟合函数的初相位，c1L表示入射超声波在除气水中的传播速度，c2L表示纵波折射声波在石英毛细管中的传播速度，ρ1表示除气水的密度，ρ2表示石英毛细管的密度，R1L表示除气水-石英毛细管外壁界面的声压反射系数，R2L表示石英毛细管-空气界面的声压反射系数，L表示光纤Fabry-Perot超声水听器的初始腔长，d表示石英毛细管壁厚，δ表示石英毛细管泊松比，E表示石英毛细管的杨氏模量，k2L表示纵波折射声波在石英毛细管中的波数，λ表示输出光波长，λ1表示当前测量时输出光波长，y0、A、ω、xc为拟合得到的参数，c1L、c2L、ρ1、ρ2、R1L、R2L、L、d、δ、E、k2L、λ1都为在上位机内设定的已知参数，j由上位机根据公式计算得到，int()表示取整运算，ΔV0表示所述反射谱中的最大电压与工作点电压(即反射谱中波长为λ1时对应的电压)之差或者工作点电压与最小电压之差。本专利技术所述的另一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry-Perot超声水听器、水听器夹具、信号处理系统、上位机、三维移动平台和平台驱动控制器，上位机与信号处理系统、平台驱动控制器相连，平台驱动控制器与三维移动平台相连，信号处理系统与光纤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，光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管伸出水听器夹具，与球形聚焦集声器声场形成径向耦合，水听器夹具安装在三维移动平台上；所述上位机被编程以便执行如下步骤：测量球形聚焦集声器声场时，向信号处理系统发输出波长为λ1的激光的命令，向平台驱动控制器发控制三维移动平台移动以带动光纤Fabry-Perot超声水听器的石英本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry‑Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)、水听器夹具(30)、信号处理系统(40)、上位机(20)、三维移动平台(50)和平台驱动控制器(60)，上位机(20)与信号处理系统(40)、平台驱动控制器(60)相连，平台驱动控制器(60)与三维移动平台(50)相连，信号处理系统(40)与光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)相连；其特征在于：还包括弓形支架(90)和柔性夹具(80)，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的具有信号输入输出的一端部被夹持在水听器夹具(30)上，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的另一端部被夹持在柔性夹具(80)上，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)位于水听器夹具与柔性夹具之间，水听器夹具(30)安装在弓形支架(90)的一端，柔性夹具(80)安装在弓形支架(90)的另一端，弓形支架(90)安装在三维移动平台(50)上；所述上位机(20)被编程以便执行如下步骤：测量球形聚焦集声器声场时，向信号处理系统(40)发输出波长为λ1的激光的命令，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)进行三维空间扫描的命令；在光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管进行三维空间扫描的过程中，从信号处理系统(40)处获取i个电压变化量ΔVi；根据i个电压变化量ΔVi确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定球形聚焦集声器声场的焦域位置；测量球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压时，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)移动到焦域位置的命令，向信号处理系统(40)发输出波长为λ1的激光的命令；从信号处理系统(40)处获取m个携带声压信息的电压变化量ΔVm，保存为携带声压信息的电压变化量谱；将光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)进行波长扫描获得的反射谱进行拟合，得到关于输出电压...

【技术特征摘要】
1.一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry-Perot超声水听器(1)、水听器夹具(30)、信号处理系统(40)、上位机(20)、三维移动平台(50)和平台驱动控制器(60)，上位机(20)与信号处理系统(40)、平台驱动控制器(60)相连，平台驱动控制器(60)与三维移动平台(50)相连，信号处理系统(40)与光纤Fabry-Perot超声水听器(1)相连；其特征在于：还包括弓形支架(90)和柔性夹具(80)，光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的具有信号输入输出的一端部被夹持在水听器夹具(30)上，光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的另一端部被夹持在柔性夹具(80)上，光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)位于水听器夹具与柔性夹具之间，水听器夹具(30)安装在弓形支架(90)的一端，柔性夹具(80)安装在弓形支架(90)的另一端，弓形支架(90)安装在三维移动平台(50)上；所述上位机(20)被编程以便执行如下步骤：测量球形聚焦集声器声场时，向信号处理系统(40)发输出波长为λ1的激光的命令，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)进行三维空间扫描的命令；在光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管进行三维空间扫描的过程中，从信号处理系统(40)处获取i个电压变化量ΔVi；根据i个电压变化量ΔVi确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定球形聚焦集声器声场的焦域位置；测量球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压时，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)移动到焦域位置的命令，向信号处理系统(40)发输出波长为λ1的激光的命令；从信号处理系统(40)处获取m个携带声压信息的电压变化量ΔVm，保存为携带声压信息的电压变化量谱；将光纤Fabry-Perot超声水听器(1)进行波长扫描获得的反射谱进行拟合，得到关于输出电压与相位的关系的拟合函数：其中，选择携带声压信息的电压变化量谱中最大的电压变化量作为计算值ΔV，并带入公式：中，计算得到光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL；将光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL带入公式：中，计算得到球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压P；其中，j表示计算值ΔV的饱和次数，y0表示直流偏值量，A表示幅值，ω表示输出干涉条纹的角频率，xc表示拟合函数的初相位，c1L表示入射超声波在除气水中的传播速度，c2L表示纵波折射声波在石英毛细管中的传播速度，ρ1表示除气水的密度，ρ2表示石英毛细管的密度，R1L表示除气水-石英毛细管外壁界面的声压反射系数，R2L表示石英毛细管-空气界面的声压反射系数，L表示光纤Fabry-Perot超声水听器的初始腔长，d表示石英毛细管壁厚，δ表示石英毛细管泊松比，E表示石英毛细管的杨氏模量，k2L表示纵波折射声波在石英毛细管中的波数，λ表示输出光波长，λ1表示当前测量时输出光波长，y0、A、ω、xc为拟合得到的参数，c1L、c2L、ρ1、ρ2、R1L、R2L、L、d、δ、E、k2L、λ1都为在上位机(20)内设定的已知参数，j由上位机根据公式计算得到，int()表示取整运算，ΔV0表示所述反射谱中的最大电压与工作点电压之差或者工作点电压与最小电压之差。2.一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry-Perot超声水听器(1)、水听器夹具(30)、信号处理系统(40)、上位机(20)、三维移动平台(50)和平台驱动控制器(60)，上位机(20)与信号处理系统(40)、平台驱动控制器(60)相连，平台驱动控制器(60)与三维移动平台(50)相连，信号处理系统(40)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(30)上，光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)伸出水听器夹具，水听器夹具(30)安装在三维移动平台(50)上；其特征在于，所述上位机(20)被编程以便执行如下步骤：测量球形聚焦集声器声场时，向信号处理系统(40)发输出波长为λ1的激光的命令，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)进行三维空间扫描的命令；在光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的石英毛细管进行三维空间扫描的过程中，从信号处理系统(40)处获取i个电压变化量ΔVi；根据i个电压变化量ΔVi确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定球形聚焦集声器声场的焦...

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