CN110044467A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，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。
背景技术
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(High intensity focused ultrasound，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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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，i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。
上述两种径向耦合系统的具体测量过程为：测量球形聚焦集声器声场时，上位机向信号处理系统发输出波长为λ1的激光的命令，信号处理系统接收到该命令后输出波长为λ1的激光，激光经处理后传送至光纤Fabry-Perot超声水听器，上位机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，平台驱动控制器接收到该命令后控制三维移动平台移动，以带动光纤Fabry-Perot超声水听器移动，光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管进行三维空间扫描，当光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管受到球形聚焦集声器声场作用时，反射光被超声波调制，返回的干涉光信号会携带声场信息，经信号处理系统处理后得到i个电压变化量ΔVi，信号处理系统将i个电压变化量ΔVi传送给上位机，上位机根据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，上位机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，平台驱动控制器接收到该命令后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，上位机向信号处理系统发输出波长为λ1的激光的命令，信号处理系统接收到该命令后输出波长为λ1的激光，激光经处理后传送至光纤Fabry-Perot超声水听器，当光纤Fabry-Perot超声水听器的石英毛细管受到球形聚焦集声器焦域位置的声场作用时，反射光被超声波调制，返回的干涉光信号会携带声场信息，经信号处理系统处理后得到m个携带声压信息的电压变化量ΔVm，信号处理系统将m个携带声压信息的电压变化量ΔVm，传送给上位机，上位机利用上述公式计算得到球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压P。
所述水听器夹具包括夹持器、夹持头和夹持管，夹持器的中心开设有第二轴向通孔、头部具有螺纹连接杆和柔性夹爪，柔性夹爪的端部为锥形夹头，夹持头的中心开设有第一轴向通孔，第一轴向通孔由依次连通的第一连接孔、第一锥孔和第一护套孔构成，夹持头的一端具有公接头，第一护套孔位于公接头的中心，第一连接孔具有内螺纹，第一锥孔的锥度与锥形夹头的锥度相匹配，夹持管由母接头和针管连为一体构成，针管的内孔连通至母接头的空腔，针管的内径与光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分的直径相匹配，夹持器的头部插入夹持头内，螺纹连接杆与第一连接孔螺接，通过挤压锥形夹头能夹紧光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分，夹持管通过母接头与公接头的配合而与夹持头连接。通过柔性夹爪夹持光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分，实现了光纤Fabry-Perot超声水听器的柔性夹持；在夹持头上连接夹持管，夹持光纤Fabry-Perot超声水听器时，光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分位于针管内，间接使得光纤Fabry-Perot超声水听器的带涂层部分和纤芯部分具有了足够刚度，能减小光纤Fabry-Perot超声水听器的纤芯部分在焦域处的晃动，实现更高声压的准确测量；针管体积小，减小了焦域声波在水听器夹具表面的反射，减少了絮乱的声场信号，能够实现侵入式测量，从而使得球形聚焦集声器声场声压测量结果更加准确。
所述水听器夹具还包括夹持杆，夹持杆的中心沿轴向开设有护套通孔(供光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分通过)，夹持杆的一端具有外螺纹；所述第二轴向通孔由依次连通的第二连接孔、第二锥孔和第二护套孔(供光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分通过)构成，第二连接孔具有内螺纹，第二护套孔位于螺纹连接杆的中心和柔性夹爪的中心，夹持杆的具有外螺纹的一端插入夹持器内，与第二连接孔螺接。通过螺接夹持杆的方式延长了水听器夹具的整体长度。
所述柔性夹爪由关于夹持器的轴线对称的两根柔性臂构成，两根柔性臂通过在一端与螺纹连接杆连接、另一端具有锥台且中心具有第二护套孔的柱体上开沿径向贯通沿轴向延伸的直槽而形成，所述直槽的宽度(即两根柔性臂之间的距离)小于第二护套孔的孔径，每根柔性臂的主体部分为外表面通过开槽口的方式而形成的柔性支撑梁，每根柔性臂的端部具有与第一锥孔的锥度相匹配的外锥面。这种结构的柔性夹爪加工更方便，加工成本更低，并且对光纤Fabry-Perot超声水听器的带护套部分的柔性夹持更稳固。优选的，所述槽口的底面与所述直槽的侧面平行。
所述夹持管由不锈钢材料制作而成，刚度好、耐腐蚀性好，并且能形成硬声场边界，减少对声波的吸收。
所述母接头为内锥鲁尔接头，所述公接头为外锥鲁尔接头。内锥鲁尔接头与外锥鲁尔接头的鲁尔锥面配合的方式使得夹持管与夹持头的连接更方便，并且连接快速、定位准确。
本发明具有如下效果：
采用上述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，通过径向耦合方式能获得球形聚焦集声器的声场分布和焦域位置，实现球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压的准确测量，并且声压测量范围大；再配合上述水听器夹具、柔性夹具，实现了球形聚焦集声器声场的焦域位置的更高声压的准确测量。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1的信号处理系统与上位机、光纤Fabry-Perot超声水听器的连接关系示意图。
图3为实施例1的水听器夹具的结构示意图。
图4为实施例1的夹持管的结构示意图。
图5为实施例1的夹持头的剖视示意图。
图6为实施例1的夹持器的结构示意图。
图7为实施例1的夹持器的垂直剖视图。
图8为实施例1的夹持杆的剖视示意图。
图9为实施例1中的光纤Fabry-Perot超声水听器的结构示意图。
图10为实施例1中水听器夹具、柔性夹具夹持光纤Fabry-Perot超声水听器时的剖视图。
图11为实施例2的结构示意图。
图12为实施例2中的光纤Fabry-Perot超声水听器的结构示意图。
图13为实施例2中水听器夹具夹持光纤Fabry-Perot超声水听器时的剖视图。
图14为实施例3中水听器夹具的结构示意图。
图15为实施例3中的夹持器的结构示意图。
图16为实施例3中的夹持器的垂直剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，所描述的实施例仅为本发明的优选实施例。
针对球形聚焦集声器声场焦域较大或者声压特别高时的测量，采用实施例1中描述的径向耦合系统，该径向耦合系统主要能够在焦域较大或者声压特别高的情况下通过径向耦合方式测量声压，能够避免在高声压时光纤Fabry-Perot超声水听器1晃动剧烈，导致测量不准的问题，也能避免光纤Fabry-Perot超声水听器1的反射光纤132在球形聚焦集声器声场中轴向耦合的影响。
实施例1：如图9所示，光纤Fabry-Perot超声水听器1包括输入/输出光纤(即单模光纤)、反射光纤132和石英毛细管131，石英毛细管131的一端与输入/输出光纤的一端熔接，石英毛细管131的另一端与反射光纤132的一端熔接，石英毛细管131内的空气腔作为干涉腔，在空气腔的两个反射面自然构成光纤Fabry-Perot超声水听器的Fabry-Perot腔。光纤Fabry-Perot超声水听器采用石英毛细管131作为光纤Fabry-Perot腔，由于石英毛细管对温度不敏感，在用光纤Fabry-Perot超声水听器测量球形聚焦集声器声场时可以避免温度变高的影响，保证测量精度。光纤Fabry-Perot超声水听器1依次由带护套部分11、带涂层部分12、纤芯部分13、带涂层部分12、带护套部分11组成，输入/输出光纤的一部分位于带护套部分11、带涂层部分12内，输入/输出光纤的另一部分集成在纤芯部分13，反射光纤132的一部分位于带护套部分11、带涂层部分12内，反射光纤132的一另部分集成在纤芯部分13，石英毛细管131集成在纤芯部分13。光纤Fabry-Perot超声水听器1的一带护套部分11的尾部(即具有信号输入输出的一端，也即输入/输出光纤的另一端)连接水听器接头14，Fabry-Perot超声水听器1的另一带护套部分11的头部为反射光纤132的另一端。
如图1所示的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、与水听器夹具30的结构相同的柔性夹具80、弓形支架90、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。如图2所示，信号处理系统40包括环形器6、光衰减器7、光电探测器8、可调谐激光器9和控制器10，上位机20与控制器10相连，控制器10与可调谐激光器9相连，可调谐激光器9与光衰减器7相连，光衰减器7与环形器6的第一个端口相连，环形器6的第二个端口与光纤Fabry-Perot超声水听器1的水听器接头14相连，环形器6的第三个端口与光电探测器8的输入端相连，光电探测器8的输出端与控制器10相连。上位机20与平台驱动控制器60相连，平台驱动控制器60与三维移动平台50相连。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30与柔性夹具80之间，与球形聚焦集声器声场形成径向耦合，水听器夹具30固定安装在弓形支架90的一端，柔性夹具80固定安装在弓形支架90的另一端，弓形支架90固定安装在三维移动平台50上。通过水听器夹具30与柔性夹具80配合来夹持光纤Fabry-Perot超声水听器1，避免了光纤Fabry-Perot超声水听器1出现剧烈晃动。三维移动平台50移动能通过弓形支架90带动水听器夹具30、柔性夹具80移动，进而带动光纤Fabry-Perot超声水听器1进行X向、Y向、Z向移动，光纤Fabry-Perot超声水听器1的石英毛细管131扫描测量球形聚焦集声器声场。
如图3至图8所示，水听器夹具30、柔性夹具80，都包括夹持杆5、夹持器2、夹持头3和夹持管4。夹持杆5的中心沿轴向开设有供带护套部分11通过的护套通孔51，夹持杆5的一端具有外螺纹。夹持器2的中心开设有第二轴向通孔，第二轴向通孔由依次连通的第二连接孔23、第二锥孔24和供带护套部分11通过的第二护套孔25构成，第二连接孔23具有内螺纹，夹持器2的头部具有螺纹连接杆21和柔性夹爪，第二护套孔25位于螺纹连接杆21的中心和柔性夹爪的中心，柔性夹爪由关于夹持器2的轴线对称的两根柔性臂构成，两根柔性臂通过在一端与螺纹连接杆21连接、另一端具有锥台且中心具有第二护套孔25的柱体上开沿径向贯通沿轴向延伸的直槽27而形成，直槽27的宽度(即两根柔性臂之间的距离)小于第二护套孔25的孔径，每根柔性臂的主体部分为外表面通过开槽口28的方式而形成的柔性支撑梁26，槽口28的底面与直槽27的侧面平行，每根柔性臂的端部具有外锥面，两根柔性臂的端部共同形成锥形夹头22。夹持头3的中心开设有第一轴向通孔，第一轴向通孔由依次连通的第一连接孔31、第一锥孔32和供带护套部分11通过的第一护套孔33构成，夹持头3的一端具有公接头34，公接头34为外锥鲁尔接头，第一护套孔33位于外锥鲁尔接头的中心，第一连接孔31具有内螺纹，第一锥孔32的锥度与锥形夹头22的锥度相匹配。夹持管4采用不锈钢材料制作而成，由母接头41和针管42连为一体构成，母接头41为内锥鲁尔接头，针管42的内孔连通至内锥鲁尔接头的空腔，针管42的内径与带涂层部分12的直径相匹配。夹持杆5的具有外螺纹的一端插入夹持器2内，与第二连接孔23螺接，夹持器2的头部插入夹持头3内，螺纹连接杆21与第一连接孔31螺接，通过挤压锥形夹头22能夹紧带护套部分11，夹持管4通过内锥鲁尔接头与外锥鲁尔接头的配合而与夹持头3连接。
如图10所示，在装配时，将水听器夹具30的夹持管4、夹持头3、夹持器2和夹持杆5分开，将光纤Fabry-Perot超声水听器1的输入/输出光纤(即单模光纤)、石英毛细管131和反射光纤132的一部分，从夹持杆5的无外螺纹一端依次穿过护套通孔51、第二连接孔23、第二锥孔24、第二护套孔25、第一锥孔32、第一护套孔33、母接头41的空腔和针管42的内孔，调整光纤Fabry-Perot超声水听器1到合适位置后，保持与夹持管4相对位置不变，然后依次将夹持头3与夹持管4连接，将夹持器2与夹持3连接旋紧使光纤Fabry-Perot超声水听器1的一带护套部分11被锥形夹头22夹紧，将夹持杆5与夹持器2连接旋紧，再将夹持杆5安装在弓形支架90上；将柔性夹具80的夹持管4、夹持头3、夹持器2和夹持杆5分开，将光纤Fabry-Perot超声水听器1的反射光纤132的另一部分，从夹持杆5的无外螺纹一端依次穿过护套通孔51、第二连接孔23、第二锥孔24、第二护套孔25、第一锥孔32、第一护套孔33、母接头41的空腔和针管42的内孔，调整光纤Fabry-Perot超声水听器1到合适位置后，保持与夹持管4相对位置不变，然后依次将夹持头3与夹持管4连接，将夹持器2与夹持3连接旋紧使光纤Fabry-Perot超声水听器1的另一带护套部分11被锥形夹头22夹紧，将夹持杆5与夹持器2连接旋紧，再将夹持杆5安装在弓形支架90上；夹持完之后，光纤Fabry-Perot超声水听器1的带护套部分11的头部与夹持头3的外锥鲁尔接头的端面对齐，光纤Fabry-Perot超声水听器1的输入/输出光纤的一部分、石英毛细管131、反射光纤132的一部分悬伸在针管42外；将悬伸出水听器夹具30上的针管42外的反射光纤132的端部与悬伸出柔性夹具80上的针管42外的反射光纤132的端部熔接，从而完成整个装配。
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，向控制器10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131进行三维空间扫描的过程中，从控制器10处获取光电探测器8输出的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(即图1中的标号70所指的位置)；
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的石英毛细管移动到焦域位置的命令，向控制器10发输出波长为λ1的激光的命令；
从控制器10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(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，φ1表示与λ1对应的相位， 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，光纤Fabry-Perot超声水听器1进行波长扫描获得反射谱的方式为现有技术，c1L、c2L、ρ1、、ρ2、R1L、R2L、L、d、δ、E、k2L、λ1的具体数值的获取方式为现有技术，j由上位机20根据公式计算得到，int()表示取整运算，即取的整数部分作为j的取值，ΔV0表示前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。
具体测量过程为：
测量球形聚焦集声器声场时，上位机20向控制器10发出控制可调谐激光器9输出波长为λ1的激光的命令，控制器10接收到该命令后控制可调谐激光器9输出波长为λ1的激光，光衰减器7将激光功率调整到合适的功率值，调整之后的激光通过环形器6到达光纤Fabry-Perot超声水听器1，功率驱动源施加连续激励信号给球形聚焦集声器，球形聚焦集声器在消声除气水水槽中形成声压较小的球形聚焦集声器声场，上位机20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，平台驱动控制器60接收到该命令后控制三维移动平台50移动，以通过弓形支架90、水听器夹具30、柔性夹具80带动光纤Fabry-Perot超声水听器1移动，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(即石英毛细管131对球形聚焦集声器声场的各个位置进行测量)，当光纤Fabry-Perot超声水听器1的石英毛细管131受到球形聚焦集声器声场作用时，反射光被超声波调制，返回的干涉光信号会携带声场信息，经环形器6后到达光电探测器8，光电探测器8将其转换为电信号，输出(与球形聚焦集声器声场的各个位置分别对应的)i个电压变化量ΔVi，并通过控制器10传送给上位机20，上位机20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(即图1中的标号70所指的位置)。
由于激光传输引入的固定相位实际解调时不可忽略，并且实际测量到的电压与相位的关系都为离散的数据点，需要将其拟合为曲线。因此，上位机20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，
测量球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压(为高声压)时，上位机20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，平台驱动控制器60接收到该命令后控制三维移动平台50移动，以通过弓形支架90、水听器夹具30、柔性夹具80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，上位机20向控制器10发出控制可调谐激光器9输出波长为λ1的激光的命令，控制器10接收到该命令后控制可调谐激光器9输出波长为λ1的激光，光衰减器7将激光功率调整到合适的功率值，调整之后的激光通过环形器6到达光纤Fabry-Perot超声水听器1，功率驱动源施加短脉冲激励信号给球形聚焦集声器，球形聚焦集声器在消声除气水水槽中形成高声压的球形聚焦集声器声场，当光纤Fabry-Perot超声水听器1的石英毛细管131受到球形聚焦集声器焦域位置的声场作用时，反射光被超声波调制，返回的干涉光信号会携带声场信息，经环形器6后到达光电探测器8，光电探测器8将其转换为电信号，得到m个携带声压信息的电压变化量ΔVm，m个携带声压信息的电压变化量ΔVm通过控制器10被传送给上位机20。
上位机20利用球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压作用前后的变化，得到相位变化量Δφ与光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL的关系以及与电压变化量ΔV′的关系的公式为：
将m个携带声压信息的电压变化量ΔVm中的最大值(即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带入此公式(1)(即用ΔV取代其中的ΔV′)，即可计算得到光纤Fabry-Perot超声水听器1的腔长变化量ΔL。
光纤Fabry-Perot超声水听器1与球形聚焦集声器声场的径向耦合包括两个声界面的耦合，分别为：除气水-石英毛细管外壁界面、石英毛细管内壁-空气界面。首先，超声波以纵波形式从石英毛细管外壁入射到水-石英毛细管外壁界面，然后发生反射和折射现象，折射进入石英毛细管管壁中的超声波产生横波和纵波；然后，横波和纵波沿着石英毛细管管壁传播到石英毛细管内壁-空气界面，继续发生发射和折射现象。在这个不断的反射和折射过程中，耦合进入石英毛细管管壁的超声波会导致石英毛细管管壁厚度发生变化，根据材料力学相关知识可以计算出石英毛细管管壁厚度的变化量引起的石英毛细管长度的变化量，当Fabry-Perot腔腔长远小于超声波波长时，从各个方向入射到石英毛细管管壁的超声波近似为垂直入射，得到光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL与声压P的关系，可表示如下：
上位机20将光纤Fabry-Perot超声水听器的腔长变化量ΔL带入此公式(2)，即可计算得到球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压P。
针对球形聚焦集声器声场焦域不是很大或者声压不是特别高时的测量，可以采用实施例2中描述的径向耦合系统。
实施例2：本实施例中的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的测量原理与实施例1相同，结构大部分与实施例1相同，不同之处在于：
如图12所示，光纤Fabry-Perot超声水听器1依次由带护套部分11、带涂层部分12、纤芯部分13组成，输入/输出光纤的一部分位于带护套部分11、带涂层部分12内，输入/输出光纤的另一部分、石英毛细管131、反射光纤132集成在纤芯部分13，光纤Fabry-Perot超声水听器1的带护套部分11的尾部(也即输入/输出光纤的另一端)具有水听器接头14，Fabry-Perot超声水听器1的反射光纤132的另一端悬空。
如图11所示的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中，没有弓形支架90和柔性夹具80，光纤Fabry-Perot超声水听器1只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30，与球形聚焦集声器声场形成径向耦合，水听器夹具30直接安装在三维移动平台50上。三维移动平台50移动带动水听器夹具30移动，进而带动光纤Fabry-Perot超声水听器1进行X向、Y向、Z向移动，光纤Fabry-Perot超声水听器1的石英毛细管131扫描测量球形聚焦集声器声场。
如图13所示，在装配时，将水听器夹具30的夹持管4、夹持头3、夹持器2和夹持杆5分开，将光纤Fabry-Perot超声水听器1从夹持杆5的无外螺纹一端依次穿过护套通孔51、第二连接孔23、第二锥孔24、第二护套孔25、第一锥孔32、第一护套孔33、母接头41的空腔和针管42的内孔，调整光纤Fabry-Perot超声水听器1到合适位置后，保持与夹持管4相对位置不变，然后依次将夹持头3与夹持管4连接，将夹持器2与夹持3连接旋紧使光纤Fabry-Perot超声水听器1的带护套部分11被锥形夹头22夹紧，将夹持杆5与夹持器2连接旋紧，再将夹持杆5安装在三维移动平台50上。装配完之后，光纤Fabry-Perot超声水听器1的带护套部分11的头部与夹持头3的外锥鲁尔接头的端面对齐，光纤Fabry-Perot超声水听器1的输入/输出光纤的一部分、石英毛细管131、反射光纤132悬伸在针管42外。
实施例3：本实施例中的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，其大部分结构以及测量原理与实施例2相同，不同之处在于：如图14至图16所示，水听器夹具30包括夹持器2、夹持头3和夹持管4，夹持器2的中心开设有供带护套部分11通过的第二护套孔25，夹持器2的头部具有螺纹连接杆21和柔性夹爪，第二护套孔25位于螺纹连接杆21的中心和柔性夹爪的中心，柔性夹爪由关于夹持器2的轴线对称的两根柔性臂构成，两根柔性臂通过在一端与螺纹连接杆21连接、另一端具有锥台且中心具有第二护套孔25的柱体上开沿径向贯通沿轴向延伸的直槽27而形成，直槽27的宽度(即两根柔性臂之间的距离)小于第二护套孔25的孔径，每根柔性臂的主体部分为外表面通过开槽口28的方式而形成的柔性支撑梁26，槽口28的底面与直槽27的侧面平行，每根柔性臂的端部具有外锥面，两根柔性臂的端部共同形成锥形夹头22。夹持头3、夹持管4的具体结构与实施例1中的夹持头3和夹持管4的具体结构相同，夹持器2与夹持头3的连接方式以及夹持管4与夹持头3的连接方式都与实施例1中的描述相同。
在装配时，将水听器夹具30的夹持管4、夹持头3、夹持器2分开，光纤Fabry-Perot超声水听器1从夹持器2的无锥形夹头的一端依次穿过第二护套孔25、第一锥孔32、第一护套孔33、母接头41的空腔和针管42的内孔，调整光纤Fabry-Perot超声水听器1到合适位置后，保持与夹持管4相对位置不变，然后依次将夹持头3与夹持管4连接，将夹持器2与夹持3连接旋紧使光纤Fabry-Perot超声水听器1的带护套部分11被锥形夹头22夹紧，再将夹持器2固定安装在三维移动平台50上。
Claims (8)
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。
3.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于：所述水听器夹具(30)包括夹持器(2)、夹持头(3)和夹持管(4)，夹持器(2)的中心开设有第二轴向通孔、头部具有螺纹连接杆(21)和柔性夹爪，柔性夹爪的端部为锥形夹头(22)，夹持头(3)的中心开设有第一轴向通孔，第一轴向通孔由依次连通的第一连接孔(31)、第一锥孔(32)和第一护套孔(33)构成，夹持头(3)的一端具有公接头(34)，第一护套孔(33)位于公接头(34)的中心，第一连接孔(31)具有内螺纹，第一锥孔(32)的锥度与锥形夹头(22)的锥度相匹配，夹持管(4)由母接头(41)和针管(42)连为一体构成，针管(42)的内孔连通至母接头(41)的空腔，针管(42)的内径与光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的带涂层部分(12)的直径相匹配，夹持器(2)的头部插入夹持头(3)内，螺纹连接杆(21)与第一连接孔(31)螺接，通过挤压锥形夹头能夹紧光纤Fabry-Perot超声水听器(1)的带护套部分(11)，夹持管(4)通过母接头(41)与公接头(34)的配合而与夹持头(3)连接。
4.根据权利要求3所述的测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器耦合系统，其特征在于：所述水听器夹具(30)还包括夹持杆(5)，夹持杆(5)的中心沿轴向开设有护套通孔(51)，夹持杆(5)的一端具有外螺纹；所述第二轴向通孔由依次连通的第二连接孔(23)、第二锥孔(24)和第二护套孔(25)构成，第二连接孔(23)具有内螺纹，第二护套孔(25)位于螺纹连接杆(21)的中心和柔性夹爪的中心，夹持杆(5)的具有外螺纹的一端插入夹持器(2)内，与第二连接孔(23)螺接。
5.根据权利要求3所述的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，其特征在于：所述柔性夹爪由关于夹持器(2)的轴线对称的两根柔性臂构成，两根柔性臂通过在一端与螺纹连接杆(21)连接、另一端具有锥台且中心具有第二护套孔(25)的柱体上开沿径向贯通沿轴向延伸的直槽(27)而形成，所述直槽的宽度小于第二护套孔(25)的孔径，每根柔性臂的主体部分为外表面通过开槽口(28)的方式而形成的柔性支撑梁(26)，每根柔性臂的端部具有与第一锥孔(32)的锥度相匹配的外锥面。
6.根据权利要求5所述的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，其特征在于：所述槽口(28)的底面与所述直槽(27)的侧面平行。
7.根据权利要求3-6任一所述的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，其特征在于：所述夹持管(4)由不锈钢材料制作而成。
8.根据权利要求3-6任一所述的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，其特征在于：所述母接头(41)为内锥鲁尔接头，所述公接头(34)为外锥鲁尔接头。
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