[发明专利]光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统

说明书

本发明公开了一种光纤Fabry‑Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统，属于光纤传感技术领域。其中方法包括以下步骤：1)获取两路反射谱；2)设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位；3)反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数；4)分别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。本发明提供的光纤Fabry‑Perot水听器的双波长非线性声压解调方法及系统具有无理论声压解调上限，解调精度高，克服相位模糊，解调灵活，能对解调结果的准确性给予评价等优点。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及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)近年来在受到了广泛关注，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。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。

然而由于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，这种是一种线性的解调方法，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；4)无法灵活解调，由于正负声压大小通常不对称，正负声压引起的腔长增加量和腔长减小量也不同，导致输出信号差距较大；5)无法对解调出的声压结果的准确性给予评价。受限于这五方面的问题，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

本发明的目的是针对现有的不足，提供一种光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调系统及方法，可以有效的改善上述问题，具有无理论声压解调上限，解调精度高，克服相位模糊，解调灵活，能对解调结果的准确性给予评价等优点。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

第一方面，本发明提供一种光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法，本方法同时将两束工作波长不同的激光输入光纤Fabry-Perot水听器，两路激光分别受到声压的调制，分析两路激光调制后的信号即可分别解调出声压引起的Fabry-Perot腔的腔长变化量，最后结合光纤Fabry-Perot水听器与声场的耦合模型解调出声压。本方法包括以下步骤：

1、获取两路反射谱：首先，关闭超声换能器的输出，保证超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器上；然后，两路激光器工作，数据采集卡采集光电探测器的输出电压V随任意一路波长可调谐激光器波长λ变化的离散点数据，即两路反射谱。

2、设置两路激光器工作波长，分别确定初始相位：对反射谱进行傅里叶变换，计算出Fabry-Perot腔腔长L，并分别设置两路激光器的工作波长。两路激光的波长满足：对应波分复用器两个不同通道，且两个波长对应反射谱上的电压不能相同。完成工作波长设置后根据分别确定超声波未作用到光纤Fabry-Perot水听器时的初相位φ₁₀和φ₂₀，其中n_a为Fabry-Perot腔腔内空气折射率。