CN109781241A - 一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法，用于精准测量任意超声场分布，该装置包括计算机、FPGA、脉冲激光器、激光头、数据采集模块、图像处理模块、三维位移平台、样品、激光水平校准器、垂直电动导轨、距离传感器、超声换能器摆放台、高倍聚焦物镜、样品摆放台、底座、声耦合槽、声耦合液。其中，样品是作为脉冲激光信号和超声信号转化的媒介，样品吸收脉冲激光能量并将其转化为超声信号被被测超声换能器所接收，超声换能器根据自身声场分布，并且根据接收来自样品的超声信号的权重不同，则能准确反映出超声换能器的声场分布。与现有技术相比，本发明具有可以精准测量任意超声换能器超声场分布等优点。

Description

一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及超声场测量研究技术领域，具体涉及一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法。

背景技术

在超声医疗设备和一些超声工业精密仪器或超声探伤领域当中，常常为了在图像上获得毫米量级或以上的分辨率，而选用主频在几兆赫兹或几十兆赫兹的超声换能器。而这些换能器在声焦处甚至非声焦处的声斑直径常常在μm的量级。而目前常用的测量换能器声场的方法有两种，一种是基于水听器的直接测量法，另一种是基于声反射回波测量法。但是，目前由于工艺加工水平的限制，水听器的探针直径一般在几百μm至1mm左右。

在论文《基于水听器超声声场特性参数测量研究》中，详细说明了水听器的各种声学参数，其中包括一般水听器针尖直径在0.5mm-1.5mm之间。这不仅影响了测量的空间分辨率，也无法准确反映甚至无法分辨较高频超声换能器的声场分布。基于声反射回波测量声场的方法的缺点与基于水听器的直接测量法类似。

在《超声探头声场参数测量的研究》中说明了在反声法测量声场的方法中，反声小球所选用的直径一般在1mm-5mm，反声小球的直径由于工艺限制无法做到μm的量级，所以测得的声场分布不准确甚至无法分辨声场。

近些年来，高频聚焦式换能器在很多领域比如超声医疗设备和一些超声工业精密仪器或超声探伤领域当中得到了广泛的应用。由于其焦斑处的波束宽度在毫米甚至毫米以下量级，焦斑附近的声场变化十分迅速，继续使用探针水听器或声反射法进行测量，结果的准确性将会进一步降低，会得到一个不准确的声场分布。

使用激光聚焦成几个μm的光斑可对高频聚焦式超声换能器的声场进行精密的测量，当脉冲激光照射到样品表面时，样品的光吸收域将产生超声信号，这种由光激发产生的超声信号为光声信号。样品产生的光声信号携带了样品的光吸收特征信息，当样品为材质均匀样品时，则在样品表面任一点产生光声信号的强度则相同，那么由于超声换能器声场分布不同，则接收来自均匀样品产生的相同强度的光声信号的权重则不同，那么通过探测光声信号就能重建出十分精细的超声换能器声场的分布。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置及方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，用于精准测量任意超声场分布，该装置包括计算机、FPGA、脉冲激光器、激光头、高倍聚焦物镜、三维位移平台、样品调向装置和声耦合槽，其中，所述的样品调向装置位于声耦合槽中，所述的声耦合槽盛有声耦合液，所述的三维位移平台位于声耦合槽的外围，所述的脉冲激光器固定于三维位移平台，且位于样品调向装置的上方，所述的激光头与脉冲激光器相连，作为脉冲激光器的出光口，通过计算机控制相连的三维位移平台带动激光头实现三维移动，所述的高倍聚焦物镜固定于激光头出光口，其光路与脉冲激光器光路一致，

所述的样品调向装置包括激光水平校准器、垂直电动导轨、距离传感器、样品摆放台、垂直电动导轨、超声换能器摆放台、底座，

所述的垂直电动导轨固定在底座上，所述的激光水平校准器与垂直电动导轨连接，并通过计算机控制垂直电动导轨带动激光水平校准器垂直移动，所述的样品摆放台与垂直电动导轨连接，并通过计算机控制垂直电动导轨带动样品摆放台垂直移动，所述的激光头置于样品摆放台上方，且表面与样品摆放台正对，所述的超声换能器摆放台固定于底座，其表面与底座表面以及样品摆放台表面平行；

所述的计算机与FPGA、三维位移平台、激光水平校准器、距离传感器、数据采集模块、图像处理模块连接并通信；所述的FPGA与脉冲激光器、数据采集模块连接并通信。

进一步地，所述的样品摆放台为透声材料，所述的超声换能器摆放台为吸声材料。

进一步地，所述的样品调向装置用于调整样品的高度及角度，使得聚焦光斑可垂直照射到样品上。

进一步地，所述的样品摆放台用于摆放样品，所述的超声换能器摆放台用于摆放超声换能器，其中，所述的样品的厚度及材质均一，产生光声信号效率一致，样品是作为脉冲激光信号和超声信号转化的媒介，样品吸收脉冲激光能量并将其转化为超声信号被被测超声换能器所接收。所述的超声换能器根据自身声场分布，并且根据接收来自样品的超声信号的权重不同，准确反映超声换能器的声场分布。

进一步地，所述的激光水平校准器用于发射水平激光检测样品是否水平状态。

进一步地，所述的距离传感器通过监测样品摆放台距离底座的距离来推导换算得出样品距离被测超声换能器的距离。

进一步地，所述的底座用于稳定样品调向装置位于声耦合槽中的平稳度。

进一步地，所述的脉冲激光器通过激光头出射脉冲激光，脉冲激光经过高倍聚焦物镜使脉冲激光聚焦在样品表面，聚焦光斑范围达到2.5μm—5μm。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于光声效应高精度测量超声场分布的方法，该方法包括以下步骤：

S1、在一个成像周期开始之前，计算机事先设定三维位移平台带动激光头的运动路径，即扫描路径，并设定样品摆放台距离被测超声换能器的初始距离X以及每扫描一个平面后样品摆放台上升的距离x以及需上升的总距离x’，激光水平校准器反馈样品是否水平，若水平，进行下一步骤；

S2、FPGA通过计算机上电，并控制脉冲激光器发射脉冲激光，脉冲激光器发射脉冲激光通过高倍聚焦物镜汇聚到样品表面；

S3、激光头根据事先设定的扫描路径运动，即光斑在样品表面按光栅扫描的进行路径打点运动，光斑每次移动的距离即光斑直径，光斑移动的总距离即被测超声换能器的宽度；

S4、当脉冲激光照射到样品表面时，样品的光吸收域将产生光声信号，材质均匀的样品表面任一点产生光声信号的强度相同，由于超声换能器声场分布不同，则接收来自均匀样品产生的相同强度的光声信号的权重不同，超声换能器接受来自各点产生的光声信号被其转化为电信号传入数据采集模块；

S5、数据采集模块采集到超声换能器传递来的电信号，并将其传递至计算机，计算机将其传递至图像处理模块；

S6、图像处理模块接收数据采集模块传递来的信息后，将数据通过信号处理最终形成超声换能器声在任一截面的声场分布图，若规定的距离x>0且总距离x’>0，则图像处理模块将会合成拼接各个截面的声场分布图，最终呈现三维声场分布图。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)、本发明配合激光智能化调整样品的角度，使样品可精准与超声换能器正对，解决了超声换能器声场测量时超声换能器难以摆正的问题。

2)、本发明可高精度测量任意超声换能器的声场分布图像，分辨率可达到几个μm。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的组成结构示意图；

图3是数据采集模块、脉冲激光器、三维位移平台的时序示意图；

图4是实施例实际测量高频超声换能器声场截面分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，该装置包括计算机、FPGA、脉冲激光器、激光头、高倍聚焦物镜、三维位移平台、样品调向装置和声耦合槽，其中，样品调向装置位于声耦合槽中，声耦合槽盛有声耦合液，三维位移平台位于声耦合槽的外围，脉冲激光器固定于三维位移平台，且位于样品调向装置的上方，激光头与脉冲激光器相连，作为脉冲激光器的出光口，通过计算机控制相连的三维位移平台带动激光头实现三维移动，高倍聚焦物镜固定于激光头出光口，其光路与脉冲激光器光路一致，

其中，样品调向装置包括激光水平校准器、垂直电动导轨、距离传感器、样品摆放台、垂直电动导轨、超声换能器摆放台、底座，

垂直电动导轨固定在底座上，所述的激光水平校准器与垂直电动导轨连接，并通过计算机控制垂直电动导轨带动激光水平校准器垂直移动，样品摆放台与垂直电动导轨连接，并通过计算机控制垂直电动导轨带动样品摆放台垂直移动，激光头置于样品摆放台上方，且表面与样品摆放台正对，超声换能器摆放台固定于底座，其表面与底座表面以及样品摆放台表面平行；

计算机与FPGA、三维位移平台、激光水平校准器、距离传感器、数据采集模块、图像处理模块连接并通信；所述的FPGA与脉冲激光器、数据采集模块连接并通信。

本实施例中，样品摆放台为透声材料，超声换能器摆放台为吸声材料。

本实施例中，激光水平校准器、垂直电动导轨、距离传感器、样品摆放台、垂直电动导轨、超声换能器摆放台、底座互相组装构成样品调向装置。样品调向装置可调整样品的高度及角度，目的是为了使聚焦光斑可垂直照射到样品上，使被测超声换能器接收超声信号更准确。

其中，激光水平校准器用于发射水平激光来反馈样品是否水平状态。

其中，距离传感器通过监测样品摆放台距离底座的距离来推导换算得出样品距离被测超声换能器的距离。

其中，底座具有可使整个样品调向装置稳定于声耦合槽的能力。

本实施例中，脉冲激光器通过激光头出射脉冲激光，脉冲激光经过高倍聚焦物镜使脉冲激光聚焦在样品表面，聚焦光斑可达到2.5μm—5μm。

样品作为脉冲激光信号和超声信号转化的媒介，样品吸收脉冲激光能量并将其转化为超声信号后由超声换能器所接收，超声换能器根据自身声场分布，并且根据接收来自样品的超声信号的权重不同，则能准确反映出超声换能器的声场分布。

本实施例中，样品的厚度及材质均一，产生光声信号效率一致。

如图所示，本发明结合光声成像技术，通过将激光聚焦成2.54μm的光斑照射在样品上产生光声信号，由被测超声换能器接收此信号，超声换能器根据自身声场分布，对相同强度的的光声信号接收的权重不同，则反映在图像上的亮度则不同，声场强的地方接收权重大则图像亮，声场弱的地方接收权重小则图像暗。还可控制计算机使样品调向装置与被测换能器表面平行且可以调整样品距换能器的距离，来实现超声换能器整个声场的高分辨率三维扫描图。

实施例二

本实施例基于上述实施例公开的基于光声效应高精度测量超声场分布的装置为操作对象，公开一种基于光声效应高精度测量超声场分布的方法，包括以下步骤：

S1、在一个成像周期开始之前，计算机事先设定三维位移平台带动激光头的运动路径即扫描路径——光栅扫描，并设定样品摆放台距离被测超声换能器的初始距离X以及每扫描一个平面后样品摆放台上升的距离x以及需上升的总距离x’。激光水平校准器反馈样品是否水平，若水平，进行下一步。

S2、FPGA通过计算机上电，并控制脉冲激光器发射脉冲激光。脉冲激光器发射脉冲激光通过高倍聚焦物镜汇聚到样品表面。

S3、激光头根据事先设定的扫描路径运动，即光斑在样品表面按光栅扫描的进行路径打点运动，光斑每次移动的距离即光斑直径，光斑移动的总距离即被测超声换能器的宽度。

S4、当脉冲激光照射到样品表面时，样品的光吸收域将产生光声信号，样品为材质均匀的样品，则在样品表面任一点产生光声信号的强度相同，由于超声换能器声场分布不同，则接收来自均匀样品产生的相同强度的光声信号的权重不同。被测超声换能器接受来自各点产生的光声信号被其转化为电信号传入数据采集模块。

S5、数据采集模块采集到被测超声换能器传递来的电信号，并将其传递给计算机，计算机整理数据，并将其传递给图像处理模块。

S6、图像处理模块接收数据采集模块传递来的信息后，将数据通过一系列信号处理过程最终形成被测超声换能器声在任一截面的声场分布图。若步骤S1中规定的x>0且x’>0则图像处理模块将会合成拼接几个截面的声场分布图最终呈现三维声场分布图。

如图3所示为三维位移平台、数据采集模块以及脉冲激光器的时序脉冲信号，三维位移平台先接收脉冲信号按照程序所规定方向行走一步，进一步，数据采集模块以及脉冲激光器同时接收FPGA发送的时序脉冲信号，脉冲激光器发射脉冲激光，同时数据采集模块采集此时的光声信号。如图4所示为根据实施例方案所测得的聚焦超声换能的高精度声场分布图。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，用于精准测量任意超声场分布，其特征在于，该装置包括计算机、FPGA、脉冲激光器、激光头、高倍聚焦物镜、三维位移平台、样品调向装置和声耦合槽，其中，所述的样品调向装置位于声耦合槽中，所述的声耦合槽盛有声耦合液，所述的三维位移平台位于声耦合槽的外围，所述的脉冲激光器固定于三维位移平台，且位于样品调向装置的上方，所述的激光头与脉冲激光器相连，作为脉冲激光器的出光口，通过计算机控制相连的三维位移平台带动激光头实现三维移动，所述的高倍聚焦物镜固定于激光头出光口，其光路与脉冲激光器光路一致，

所述的样品调向装置包括激光水平校准器、垂直电动导轨、距离传感器、样品摆放台、垂直电动导轨、超声换能器摆放台、底座，

所述的垂直电动导轨固定在底座上，所述的激光水平校准器与垂直电动导轨连接，并通过计算机控制垂直电动导轨带动激光水平校准器垂直移动，所述的样品摆放台与垂直电动导轨连接，并通过计算机控制垂直电动导轨带动样品摆放台垂直移动，所述的激光头置于样品摆放台上方，且表面与样品摆放台正对，所述的超声换能器摆放台固定于底座，其表面与底座表面以及样品摆放台表面平行；

所述的计算机与FPGA、三维位移平台、激光水平校准器、距离传感器、数据采集模块、图像处理模块连接并通信；所述的FPGA与脉冲激光器、数据采集模块连接并通信。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的样品摆放台为透声材料，所述的超声换能器摆放台为吸声材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的样品调向装置用于调整样品的高度及角度，使得聚焦光斑可垂直照射到样品上。

4.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的样品摆放台用于摆放样品，所述的超声换能器摆放台用于摆放超声换能器，其中，所述的样品的厚度及材质均一，产生光声信号效率一致，样品是作为脉冲激光信号和超声信号转化的媒介，样品吸收脉冲激光能量并将其转化为超声信号被被测超声换能器所接收，所述的超声换能器根据自身声场分布，并且根据接收来自样品的超声信号的权重不同，准确反映超声换能器的声场分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的激光水平校准器用于发射水平激光检测样品是否水平状态。

6.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的距离传感器通过监测样品摆放台距离底座的距离来推导换算得出样品距离被测超声换能器的距离。

7.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的底座用于稳定样品调向装置位于声耦合槽中的平稳度。

8.根据权利要求1所述的一种基于光声效应高精度测量超声场分布的装置，其特征在于，所述的脉冲激光器通过激光头出射脉冲激光，脉冲激光经过高倍聚焦物镜使脉冲激光聚焦在样品表面，聚焦光斑范围达到2.5μm—5μm。

9.一种基于光声效应高精度测量超声场分布的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、在一个成像周期开始之前，计算机事先设定三维位移平台带动激光头的运动路径，即扫描路径，并设定样品摆放台距离被测超声换能器的初始距离X以及每扫描一个平面后样品摆放台上升的距离x以及需上升的总距离x’，激光水平校准器反馈样品是否水平，若水平，进行下一步骤；

S2、FPGA通过计算机上电，并控制脉冲激光器发射脉冲激光，脉冲激光器发射脉冲激光通过高倍聚焦物镜汇聚到样品表面；

S3、激光头根据事先设定的扫描路径运动，即光斑在样品表面按光栅扫描的进行路径打点运动，光斑每次移动的距离即光斑直径，光斑移动的总距离即被测超声换能器的宽度；

S4、当脉冲激光照射到样品表面时，样品的光吸收域将产生光声信号，材质均匀的样品表面任一点产生光声信号的强度相同，由于超声换能器声场分布不同，则接收来自均匀样品产生的相同强度的光声信号的权重不同，超声换能器接受来自各点产生的光声信号被其转化为电信号传入数据采集模块；

S5、数据采集模块采集到超声换能器传递来的电信号，并将其传递至计算机，计算机将其传递至图像处理模块；

S6、图像处理模块接收数据采集模块传递来的信息后，将数据通过信号处理最终形成超声换能器声在任一截面的声场分布图，若规定的距离x>0且总距离x’>0，则图像处理模块将会合成拼接各个截面的声场分布图，最终呈现三维声场分布图。