[发明专利]光纤Fabry-Perot水听器任意工作点非线性声压解调方法及系统

说明书

本发明提供一种光纤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。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及光纤水听器的声压解调技术。

背景技术

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,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。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种光纤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。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

本发明提供的一种光纤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n_a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：