CN102944298B - 端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的栅区长度为L2，栅区中心位置位于距离单模光纤端部的长度L1范围内；本发明提供的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的声压灵敏度比基于Fresnel端面反射原理的光强型光纤水听器高，且为全石英结构，采用端部敏感结构，承受声压能力强；端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器与侧向敏感的光纤光栅传感器相比，易于夹持、免受冲击波损坏、能够克服超声驻波的干扰；在端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器上镀不同类型的膜，可以增加其抗声压能力或提高其声压灵敏度；加入套管铠装的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器可以免受声场空化效应的损坏；端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统简单，满足MHz超声波测量要求。

Description

端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器及系统

技术领域

本发明具体涉及一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声（High IntensityFocused Ultrasound）传感器及系统，能对高强度聚焦超声声场分布进行准确快速测量，属于传感技术领域。

背景技术

高强度聚焦超声治疗是新兴的无创/微创治疗肿瘤癌症技术。高强度聚焦超声治疗利用聚焦超声产生的巨大能量，杀死超声聚焦区域内的肿瘤细胞，而周围组织受损较小，它具有非侵入性治疗等优点。为了能进行完全和有效的高强度聚焦超声治疗，必须准确地确定高强度聚焦超声声场分布、声能量分布和声焦域大小。目前主要采用压电水听器测量高强度聚焦超声声场，但压电水听器存在难以承受高声压的缺点，主要应用于对低强度声场的测量。一般通过低强度声场下压电水听器测量结果理论推算得到高强度声场特性，理论推算得到高强度声场参数很不准确，这给高强度聚焦超声治疗带来安全隐患。光纤水听器（Fiber optic hydrophone）具有屏蔽电磁干扰、承受高声压和高空间分辨率等优势，光纤水听器主要有基于Fresnel端面反射原理的光强型光纤水听器、光纤Fabry-Perot水听器和光纤Bragg光栅水听器。

基于Fresnel端面反射原理的光强型光纤水听器可实现高强度聚焦超声声场端部敏感，能测量极高声压，但是最小可测声压高（≥0.9MPa）、声压分辨率低，难以满足高分辨率声场测量要求（[1]Staudenraus J and Eisenmenger W，Ultrasonics,Vol 31,No 4,267-273,1993；[2]Canney M S,et al,Journal of theAcoustical Society of America,Vol 124,No 4,2406-2420,2008；[3]Umchid S,et al,Ultrasonics,Vol 49,No 3,306-311,March 2009；[4]Ueberle F and Jamshidi-Rad A,Proceedings of the 26th International Conference on Low Temperature Physics,Beijing,China,Vol 279,No 1,012001-012007,2011）。

光纤Fabry-Perot水听器主要通过在光纤端部镀膜（包括铝膜的PET（聚乙烯对酞酸盐）（[5]Beard P C and Mills T N,Electronics Letters,Vol 33,No 8,801-803,1997）、壳聚糖膜（Chitosan membrane）（[6]Chen L H,et al,Proceedingsof the SPIE Conference on Advanced Sensor Systems and Applications IV，Beijing,China,Vol 7853,pp.78530-78534,2010）和聚对二甲苯-C（Parylene-C）（[7]MorrisP，et al,Journal of the Acoustical Society of America,Vol 125,No 6,3611-3622,2009.））构成Fabry-Perot腔实现。一方面需要苛刻的镀膜技术使得膜层厚度很难保证，另一方面在高强度聚焦超声场中传感头端面的聚合物薄膜或反射面金属层会被打坏或脱落。

Fisher等人（[8]Fisher N E,et al,Applied Optics,Vol 37,No 34,8120-8128,1998；[9]Fisher N E,et al,Proceedings of the 12th International Conference onOptical Fiber Sensors,Virginia,USA,pp.190-192,1997；[10]Surowiec J,et al,Proceedings of 1996IEEE Ultrasonic Symposium,San Antonio,Texas,USA,pp.1051-1054,1996）较早利用超声场引起应变改变光纤Bragg光栅中心波长的原理研究了高频率的超声场测量问题，Fomitchov和Krishnaswamy（[11]Fomitchov P and Krishnaswamy S,Optical Engineering,Vol 42,No 4,956-963,2003）采用光纤Bragg光栅研究了平面超声场的测量问题，Guan等人（[12]GuanB O,et al,IEEE Photonics Technology Letters,Vol 16,No 1,169-171,2005；[13]Tam HY，et al,United States Patent No.:US7,206,259B2,Apr 17,2007）采用分布式Bragg反射光纤激光器实现超声场和温度同时测量，Rosenthal等人（[16]Rosenthal A,et al,Optics Letters,Vol 36,No 10,1833-1835,May 2011）采用π相移光纤Bragg光栅测量超声波。光纤光栅具有高声压灵敏度和耐高声压的优势，上述研究工作均采用光纤Bragg光栅侧向敏感的方法进行低强度超声测量，这种方法空间分辨率低，难于夹持，易受驻波干扰，以及易被冲击波损坏，不适用于高强度聚焦超声声场传感和测量。目前未见到端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的相关报道。

发明内容

本发明提供了一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器及系统，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器克服压电水听器测量范围小和易损坏的缺点，声压灵敏度比光强型光纤水听器高，理论上可测声压极值可达几十MPa；端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器与侧向敏感方式的光纤光栅传感器相比，消除超声驻波影响。该传感器构成的系统简单，满足MHz超声波测量要求。

本发明的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，在单模光纤的端部有栅区长度为L2的光纤光栅，栅区长度为L2的光纤光栅的中心位置位于距离单模光纤端部L1的位置，所述光纤光栅为光纤Bragg光栅，也可以是其它类型的光纤光栅。

进一步，测量高强度聚焦超声声场时，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器轴心线与高强度聚焦超声换能器的声轴方向平行；

进一步，栅区长度L2小于被测的高强度聚焦超声声波半波长；且L1≥L2/2；进一步，在端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器上镀膜；

进一步，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器上镀用于提高传感器耐压程度，且改变传感器的灵敏度和温度特性的膜，所述膜包括金属膜、介质膜、介质金属复合膜、有机物膜或聚合物膜；

进一步，在使用时安装在对其进行夹持和定位的传感器柔性夹具；

进一步，所述端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器悬置安装于传感器柔性夹具上且悬置长度可调用于改变端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的灵敏度和分辨率。

本发明还公开了一种利用端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器形成的传感器系统，包括波长可调窄带激光器、光隔离器、光纤耦合器、端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器、光电探测器和示波器，所述波长可调窄带激光器通过光隔离器与光纤耦合器的一端的一臂相连，光纤耦合器的一端的另一臂与光电探测器输入端相连，光纤耦合器的另一端与端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器相连，光电探测器输出端连接示波器。

进一步，光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器。

本发明的有益效果：

1、端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的声压灵敏度比基于Fresnel端面反射原理的光强型光纤水听器高，且为全石英结构，采用端部敏感结构，承受声压能力强。

2、端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器与侧向敏感的光纤光栅传感器相比，易于夹持、免受冲击波损坏、能够克服超声驻波的干扰。

3、在端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器上镀不同类型的膜，可以增加其抗声压能力或提高其声压灵敏度。

4、加入套管铠装的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器可以免受声场空化效应的损坏；用杨氏模量小材料对传感器增敏封装，实现低声强声场的测量。

5、端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统简单，满足MHz超声波测量要求。

附图说明

图1为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的基本结构；

图2为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的镀膜结构；

图3为另一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的镀膜结构；

图4为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统示意图；

图5为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器在传感器柔性夹具中的安装方法及传感器柔性夹具的结构图；

图6为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统的应用实例。

图1-6中，1，1’和1”是端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，2，2’和2”是悬置的单模裸光纤，3，3’和3”是光纤光栅栅区，4，4’和4”是涂覆层，5，5’和5”是光纤护套，6和6’是膜，7是波长可调窄带激光器，8是光隔离器，9是光纤耦合器，10是光电探测器，11是示波器，12是夹持杆，13是弹性体，14是夹持头，18是传感器柔性夹具，19是三维移动平台，20是超声换能器，21是信号源。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1由单模光纤和位于单模光纤上的光纤光栅构成，如图1所示，在单模光纤的端部有栅区长度为L2的光纤光栅，栅区长度为L2的光纤光栅的中心位置位于距离单模光纤端部L1的位置，所述光纤光栅为光纤Bragg光栅，也可以是其它类型的光纤光栅；也就是在单模光纤的一端距离端部L1处刻写栅区长度为L2的光栅构成端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器；或将栅区长度为L2的光纤光栅一端单模光纤切去构成端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器；端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器满足L1≥L2/2和栅区长度L2小于被测的高强度聚焦超声声波半波长；当L1过长时会影响其寿命；在去掉涂覆层的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1上镀不同类型的膜6，可以增加抗声压能力或提高声压灵敏度。

本实施例中，测量高强度聚焦超声声场时，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的轴心线与高强度聚焦超声换能器的声轴方向平行；

端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统包括：波长可调窄带激光器7，光隔离器8，光纤耦合器9，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1，光电探测器10和示波器11；波长可调窄带激光器7线宽远小于端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1反射谱带宽；波长可调窄带激光器7通过光隔离器8与光纤耦合器9的一端的一臂相连，光纤耦合器9的一端另一臂与光电探测器10的输入端相连，光纤耦合器9的另一端与端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1相连，光电探测器10连接示波器11。

波长可调窄带激光器7发出的光经过光隔离器8传入光纤耦合器9的一端的一臂中，再传入端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的反射光强被光电探测器10接受，然后通过示波器11显示。为确保端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器以端部敏感方式传感高强度聚焦超声声场，使用时端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1由传感器柔性夹具18夹持并保持在高强度聚焦超声声场的声焦域内的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的敏感轴线与高强度聚焦超声换能器的声轴平行。

波长可调窄带激光器7的波长调节到端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的反射谱线性部分中点对应波长位置，即波长可调窄带激光器7的波长调节到端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1反射谱偏置点。高强度聚焦超声声场作用在端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1上，引起其反射谱平移，实现高强度聚焦超声声场传感。根据光纤光栅传感原理，高强度聚焦超声声场产生声压引起光纤光栅中心波长的平移，关系式为：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=K_{1}P---\left(1\right)$

式中Δλ为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器反射谱的中心波长变化量，λ为未加声场时光纤光栅中心波长，K₁为光纤光栅声压灵敏度，P为声压。

本实施例中光隔离器8和光纤耦合器9可采用光环形器代替，属于等同替换，同样能够实现发明目的。

图1为一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的基本结构。端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1由距离单模光纤端部L1的位置的栅区长度为L2的光纤光栅构成，如图所示，在单模光纤的一端距离端部L1处刻写栅区长度为L2的光栅3构成端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器；或将光纤光栅的栅区3一端的单模光纤的延伸部分切去构成端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器；端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器满足L1≥L2/2和栅区长度L2小于被测的高强度聚焦超声声波半波长；光纤光栅栅区3保留的一段单模裸光纤2、带涂覆层4的尾纤构成一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的基本结构。其中，光纤护套5可以不包括在内。

图2为一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的镀膜结构；在悬置的单模裸光纤2’，光纤光栅栅区3’和涂覆层4’周围镀不同类型的膜。其中，光纤护套5’可以不包括在内。

图3为另一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1的镀膜结构。在悬置的单模裸光纤2”，光纤光栅栅区3”和涂覆层4”和一段光纤护套5”周围镀不同类型的膜。

图2和图3的结构中，所述膜包括金属膜、介质膜、介质金属复合膜、有机物膜或聚合物膜，用于提高端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器耐压程度，且改变传感器的灵敏度和温度特性。

图4为一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统示意图；包括：端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1，光纤耦合器9，波长可调窄带激光器7，光隔离器8，光电探测器10和示波器11；具体操作步骤：波长可调窄带激光器7通过光隔离器8与光纤耦合器9的一端的一臂相连，光纤耦合器9的一端的另一臂与光电探测器10的输入端相连，光纤耦合器9的另一端与端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1相连，光电探测器10的输出端连接示波器11。

本实施例中，光纤耦合器可采用2×2或1×2光纤耦合器。且光隔离器8和光纤耦合器9可以为光环形器所替换。

图5为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器在一种传感器柔性夹具中的安装方法及柔性夹具的结构图；包括：夹持杆12、弹性体13和夹持头14；具体操作步骤：端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1依次通过夹持杆12的通孔15，弹性体13的通孔16和夹持头14的微通孔17，夹持杆12和夹持头14同轴螺纹配合且扭紧夹持杆12和夹持头14压缩弹性体13固定端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1，如图所示，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1呈悬置状态安装，悬置长度可调并用于改变端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的灵敏度和分辨率。

图6为端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器系统的应用实例。包括：波长可调窄带激光器7，光隔离器8，光纤耦合器9，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1，传感器柔性夹具18，光电探测器10，示波器11，三维移动平台19，信号源21，超声换能器20；具体操作步骤：传感器柔性夹具18夹紧端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1，再固定于三维移动平台19上；波长可调窄带激光器7通过光隔离器8与光纤耦合器9的一端的一臂相连，光纤耦合器9的一端另一臂与光电探测器10的输入端相连，光纤耦合器9的另一端与端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1相连，光电探测器10的输出端与示波器11相连；波长可调窄带激光器7的波长调节到端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1反射谱偏置点，示波器11会有直流信号输出，即表示端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1没有损坏；信号源21激励超声换能器20在消声除气水水槽中形成高强度聚焦超声场；在三维移动平台19带动端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器1进行声场扫描。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，其特征在于：在单模光纤的端部有栅区长度为L2的光纤光栅，栅区长度为L2的光纤光栅的中心位置位于距离单模光纤端部L1的位置，构成端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器；测量高强度聚焦超声声场时，端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的轴心线与高强度聚焦超声换能器的声轴方向平行；L2小于被测的高强度聚焦超声声波半波长且L1≥L2/2。

2.根据权利要求1所述端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，其特征在于：在端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器上镀膜。

3.根据权利要求2所述的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，其特征在于：端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器上镀用于提高传感器耐压程度、改变传感器的灵敏度和温度特性的膜，所述膜包括金属膜、介质膜、介质金属复合膜、有机物膜或聚合物膜。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，其特征在于：在使用时安装在对其进行夹持和定位的传感器柔性夹具上。

5.根据权利要求4所述的端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器，其特征在于：所述端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器悬置安装于传感器柔性夹具上且悬置长度可调用于改变端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器的灵敏度和分辨率。

6.一种利用端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器形成的传感器系统，其特征在于：包括波长可调窄带激光器、光隔离器、光纤耦合器、端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器、光电探测器和示波器，所述波长可调窄带激光器通过光隔离器与光纤耦合器的一端的一臂相连，光纤耦合器的一端的另一臂与光电探测器输入端相连，光纤耦合器的另一端与端部敏感型光纤光栅高强度聚焦超声传感器相连，光电探测器输出端连接示波器。

7.根据权利要求6所述的传感器系统，其特征在于：光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器。

8.根据权利要求7所述的传感器系统，其特征在于：光隔离器8和光纤耦合器9可以为光环形器。