CN110361086A - 光纤fbg水听器的双波长非线性声压解调方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法及系统，所述方法包括以下步骤：1)获取两路反射谱；2)设置两路激光器工作波长；3)反射谱相位转换、曲线拟合及求解反函数；4)分别确定波长平移量；5)根据耦合模型解调非线性声压。系统包括光纤FBG水听器、两路波长可调谐激光器、光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器、两个光电探测器和数据采集卡。本发明提供的方法及系统具有无理论声压解调上限，解调精度高，克服方向模糊，解调灵活，能对解调结果的准确性给予评价等优点。

Description

光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法及系统

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FBG水听器由于具有空间分辨率高、受声场空化影响小、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，广泛应用于声压测量。光纤FBG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，其是利用FBG 反射谱的线性段将声压变化转化为线性的光强变化，从而实现声压解调的方法。这种方法存在如下缺点：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)由于是线性解调方法，光强信号输出存在上限，因此存在声压解调上限限制；3)存在方向模糊问题，即光强变化在反射谱峰值附近时，光纤FBG水听器对反射谱的平移将极不敏感，反射谱的平移几乎不引起光强信号的变化，同时也不能确定反射谱是朝着增大还是减小方向平移；4)无法灵活解调，由于正负声压大小通常不对称，正负声压引起的反射谱左右平移量也不同，导致输出光强变化差距较大；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FBG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，提出一种光纤FBG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，克服方向模糊，解调灵活，能对解调结果的准确性给予评价等优点，可以有效的改善上述问题。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

一方面，本发明提供一种光纤FBG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用的激光输入光纤FBG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中心波长的平移量，最后结合光纤FBG水听器与声场的耦合模型解调出声压。

本方法具体包括以下步骤：

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FBG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随各自对应的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：分别设置两路激光器的工作波长λ₁₀和λ₂₀，两路激光的波长满足：1)对应波分复用器两个不同通道；2)两个波长对应反射谱上的电压不能相同。

3.反射谱曲线拟合及求解反函数：将反射谱中输出电压V与工作波长λ的离散点数据进行最小二乘拟合，建立输出电压V与波长λ的函数关系V(λ)，拟合形式为：

式中A、xc、w都为待拟合的参数，求式(1)的反函数V^-1(λ)得到波长λ与输出电压V的函数关系为：

式中k为整数。

4.分别确定波长平移量：打开超声换能器的输出，使超声波作用到光纤FBG水听器上。分别记录超声波作用到光纤FBG水听器后两路光电探测器的输出电压，根据步骤3 中波长λ与输出电压V的函数关系分别计算超声波作用后的波长λ₁₁和λ₂₁，然后结合λ₁₀和λ₂₀分别计算出两路激光的波长平移量Δλ₁和Δλ₂。

5.根据耦合模型解调非线性声压：根据波长平移量Δλ₁和Δλ₂，再结合光纤FBG水听器与声场的耦合模型分别解调出两路激光下非线性声压P₁和P₂。

式中λ₀为光纤FBG水听器的中心波长，K₀为光纤FBG水听器的波长相对变化量随声压变化系数。

另一方面，本发明提供一种实现上述光纤FBG水听器双波长非线性声压解调方法的系统，所述系统包括：光纤FBG水听器、超声换能器、两路波长可调谐激光器、两个光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器、两个光电探测器和数据采集卡。两路波长可调谐激光器输出的两路波长不同的激光混合后经过光纤环形器到达光纤FBG水听器，两路激光同时经超声换能器受到超声波调制后经过光纤环形器，到达波分复用器分离为两路不同波长的激光，或者直接到达波分复用器分离为两路不同波长的激光，两路激光同时进行光电转换后分别输出两路电压信号，一路接入数据采集卡，另一路接输出端。

所述光纤FBG水听器的栅区长度小于1/2超声波波长，光纤FBG水听器的声轴方向与HIFU换能器声轴重合。

上述系统可以是如下一种具体形式是，所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器的一端的一臂与所述波分复用器连接，第二光纤耦合器的一端的另一臂与所述光电探测器输入端连接，光纤环形器另一端与所述光纤FBG水听器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。

上述系统可以是如下另一种具体形式：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述波分复用器连接，光纤环形器另一端与所述光纤FBG水听器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。

本发明具有的有益的效果如下：

1.本发明提供的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，理论上波长平移量可以无限大，声压解调并无理论上限，克服了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，极大地扩大了声压解调范围。

2.本发明提供的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，相比最佳线性偏置点直接测量法的解调准确性更高。

3.本发明提供的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，由于两路激光器的工作波长不同，如果一路信号刚好处于方向模糊点附近，但是由于两路信号初始相位不同，则另一路信号一定不会处在方向模糊点附近，也就不受方向模糊的影响。

4.本发明提供的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，声压解调非常灵活，能分别解调正负声压。当正负声压大小不对称时，正负声压引起的波长左右平移量也不同，导致输出电压差距较大，可以针对正负声压分别设置不同的工作波长使得各自输出电压尽可能大，有针对性的解调波长平移增加量和减小量。

5.本发明提供的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，能对解调的声压结果的准确性给予评价。正常情况下，声场引起的波长平移量始终恒定，两路激光解调出的声压P₁和P₂应该是相同的。如果两路信号解调出的声压不一致，即可确定光纤FBG水听器在测量中已损坏或者有系统故障，此时解调的结果不可靠，能够避免粗大误差。这种评价能力能够极大的提高声压解调的可靠性和准确性，防止无效声压的干扰。

因此，光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统及方法对准确解调HIFU声场，具有独特的优势和潜在的实用价值。

附图说明

图1是光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统的实施例1的系统框图。

图2是光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统的实施例2的系统框图。

图3是本发明提供的光纤Fabry-Perot水听器的双波长非线性声压解调方法的解调流程图。

图4是光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统的实施例2的完整反射谱曲线。

图5是光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统的实施例2的第一路输出信号曲线。

图6是光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统的实施例2的第二路输出信号曲线。

图中：101.PC机、102.第一波长可调谐激光器、103.第二波长可调谐激光器、104.第一光纤、105.第二光纤、106.第一光纤耦合器、107.第三光纤、108.光纤环形器、109.第四光纤、110.光纤FBG水听器、111.超声换能器、112.第五光纤、113.第二光纤耦合器、114.第六光纤、115.第七光纤、116.波分复用器、117.第八光纤、118.第九光纤、119.第一光电探测器、120.第二光电探测器、121.输出端、122.数据采集卡、201.PC机、202.第一波长可调谐激光器、203.第二波长可调谐激光器、204.第一光纤、205.第二光纤、206.光纤耦合器、 207.第三光纤、208.光纤环形器、209.第四光纤、210.光纤FBG水听器、211.超声换能器、 212.第五光纤、213.波分复用器、214.第六光纤、215.第七光纤、216.第一光电探测器、217. 第二光电探测器、218.输出端、219.数据采集卡。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明权利要求的内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统

参见图1，本发明中的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统包括：PC机101、第一波长可调谐激光器102、第二波长可调谐激光器103、第一光纤耦合器106、光纤环形器108、光纤FBG水听器110、超声换能器111、第二光纤耦合器113、波分复用器116、第一光电探测器119、第二光电探测器120、输出端121、数据采集卡122等。光纤FBG 水听器110的栅区长度小于1/2超声波波长，光纤FBG水听器110的声轴方向与超声换能器111的声轴重合。

超声换能器111输出后，调节光纤FBG水听器110位于超声换能器111的焦域位置。关闭超声换能器111，获取两路输出电压随波长变化的反射谱信号。第一波长可调谐激光器102或第二波长可调谐激光器103任意一路激光器输出不同波长的激光，第一光电探测器119或第二光电探测器120得到不同波长下的输出电压。开启超声换能器111。

PC机101根据两路反射谱信号分别设置第一波长可调谐激光器102输出波长λ₁，第二波长可调谐激光器103输出波长λ₂，λ₁和λ₂不能相同，并且对应波分复用器的不同通道。

波长为λ₁、λ₂的两路激光分别经过第一光纤104和第二光纤105传输进入第一光纤耦合器106耦合为一路混合激光后，经过光纤环形器108一端进入光纤FBG水听器110。声压调制后的混合激光反射回光纤环形器108的另一端，经过第二光纤耦合器113按比例分离成两束混合激光，其中一路混合激光再通过波分复用器116分离成λ₁、λ₂波长的激光。只有波长λ₁进入第一光电探测器119，同样只有波长λ₂进入第二光电探测器120；至此，两个光电探测器实现对两个波长的光分别同时进行光电转换，在转换后的电压信号一路接入数据采集卡122，另一路接输出端121。

本实施例中光纤耦合器106可以用波分复用器代替，属于同等替代，同样能实现发明目的。

本实施例中光纤环形器108可以采用光隔离器和光纤耦合器代替，同样能够实现发明目的。

本实施例中波分复用器116可以采用光纤耦合器和可调谐FP滤波器代替，同样能够实现发明目的。

本实施例中第二光电探测器120是二输入二输出光电探测器，也可以采用两个一输入一输出光电探测器代替，同样能够实现发明目的。

本实施例中超声换能器可以是球形超声换能器，也可以是环形超声换能器。

实施例2：光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统

参见图2，本发明中的光纤FBG水听器双波长非线性声压解调系统包括：PC机201、第一波长可调谐激光器202、第二波长可调谐激光器203、光纤耦合器206、光纤环形器 208、光纤FBG水听器210、超声换能器211、波分复用器213、第一光电探测器216、第二光电探测器217、输出端218、数据采集卡219等。光纤FBG水听器210的栅区长度小于1/2超声波波长，光纤FBG水听器210的声轴方向与超声换能器211的声轴重合。

超声换能器211输出后，调节光纤FBG水听器210位于超声换能器211的焦域位置。关闭超声换能器211，获取两路输出电压随波长变化的反射谱信号。第一波长可调谐激光器202、第二波长可调谐激光器203和数据采集卡219开始工作，数据采集卡219采集第一光电探测器216和第二光电探测器217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。开启超声换能器211。

PC机201根据两路反射谱信号分别设置第一波长可调谐激光器202输出波长λ₁，第二波长可调谐激光器203输出波长λ₂，λ₁和λ₂不能相同，并且对应波分复用器的不同通道。

波长为λ₁、λ₂的两路激光分别经过第一光纤204和第二光纤205传输进入光纤耦合器 206耦合为一路混合激光后，经过光纤环形器208一端进入光纤FBG水听器210。声压调制后的混合激光反射回光纤环形器208的另一端，通过波分复用器213将λ₁、λ₂波长的激光进行分离。只有波长λ₁进入第一光电探测器216；同样只有波长λ₂进入第二光电探测器 217；至此，两个光电探测器实现对两个波长的光分别同时进行光电转换，在转换后的电压信号一路接入数据采集卡219，另一路接输出端218。

本实施例中光纤耦合器206可以用波分复用器代替，属于同等替代，同样能实现发明目的。

本实施例中光纤环形器208可以采用光隔离器和光纤耦合器代替，同样能够实现发明目的。

本实施例中波分复用器213可以采用光纤耦合器和可调谐FP滤波器代替，同样能够实现发明目的。

本实施例中超声换能器可以是球形超声换能器，也可以是环形超声换能器。

实施例3：光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法

本声压解调方法应用于上述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统。下面结合附图对本方法的步骤作进一步详细描述。

1.获取两路反射谱信号：首先需要关闭超声换能器211，数据采集卡同时采集两个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变化的反射谱信号。第一波长可调谐激光器202或第二波长可调谐激光器203任意一路激光器输出不同波长的激光，第一光电探测器216和第二光电探测器217得到两路不同波长下的输出电压。由于波分复用器213的存在，导致每个探测器只能获取一部分反射谱信号，完整反射谱如图4所示。然后开启超声换能器211。

2.设置两路激光器工作波长，调整激光器工作点：分别设置两路激光器的工作波长λ₁₀和λ₂₀，两路激光的波长满足：1)对应波分复用器两个不同通道；2)两个波长对应反射谱上的电压不能相同。一路波长设置在反射谱的半峰全宽位置，如图4中A点位置所示，另一路波长设置在同侧反射谱的1/4峰全宽位置，如图4中A点位置所示。由于相同声压作用下，引起波长平移量相同，通过设置不同的激光器工作波长可以使系统输出电压不同。

3.反射谱曲线拟合及求解反函数：图4所示的反射谱近似为高斯分布，由于获取的反射谱为离散点数据，如果需要建立波长与输出电压的关系就需要对反射谱信号进行曲线拟合。因此，反射谱中输出电压V与工作波长λ的离散点数据进行最小二乘拟合，建立输出电压V与波长λ的函数关系V(λ)，拟合形式为：

式中A，xc，w都为待拟合的参数，求式(1)的反函数V^-1(λ)得到波长λ与输出电压V的函数关系为：

式中k为整数。

4.分别计算光相位的改变量：分别记录超声波作用到光纤FBG水听器后两路光电探测器的输出电压，如图5和图6所示。根据步骤2中波长与输出电压的函数关系分别计算超声波作用后的波长λ₁₁和λ₂₁，然后结合λ₁₀和λ₂₀分别计算出两路激光的波长平移量Δλ₁和Δλ₂。

5.根据耦合模型解调非线性声压：根据波长平移量Δλ₁和Δλ₂，再结合光纤FBG水听器与声场的耦合模型分别解调出两路激光下非线性声压P₁和P₂。

式中λ₀为光纤FBG水听器的中心波长，K₀为光纤FBG水听器的波长相对变化量随声压变化系数。

本实施例中，两激光器工作波长设置并非只能设置在图中A点和B点位置，只要两路工作波长满足：1)对应波分复用器两个不同通道；2)两个波长对应反射谱上的电压不能相同，也能实现发明目的。

本发明提供的解调方法是两路激光器相互独立的同时进行声压测量。由于不是采用的线性解调，所以克服了声压解调上限的限制，极大的扩大了声压解调范围，解调准确性也就更高。同时由于两路激光器的工作波长不同，如果一路信号刚好处于方向模糊点附近，则另一路信号一定不会处在方向模糊点附近，保证了至少一路信号不受方向模糊的影响。此外，由于两路激光同时受到声压的调制，而波长平移量是相同的，所以只有解调出的声压是相同的，才能确定此次测量结果可靠，否则可能光纤FBG水听器还没完成测量即已损坏或者出现系统故障，能够避免粗大误差，能够极大的提高声压解调的可靠性和准确性。

最后，需要说明的是，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 (10)

1.一种光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)获取两路反射谱：关闭超声换能器的输出，保证超声波未作用到光纤FBG水听器上，两路激光器工作，用数据采集卡采集光电探测器的输出电压V随各自对应的波长可调谐激光器波长λ变化的离散点数据，即获取两路反射谱；

(2)设置两路激光器工作波长：分别设置两路激光器的工作波长λ₁₀和λ₂₀，两个工作波长对应波分复用器两个不同通道；

(3)反射谱曲线拟合及求解反函数：将反射谱中输出电压V与工作波长λ的离散点数据进行拟合，建立输出电压V与波长λ的函数关系V(λ)，求反函数得到波长λ与输出电压V的函数关系V^-1(λ)；

(4)分别确定波长平移量：打开超声换能器的输出，使超声波作用到光纤FBG水听器上，分别记录超声波作用到光纤FBG水听器后两路光电探测器的输出电压，根据步骤(3)中波长λ与输出电压V的函数关系分别计算超声波作用后的波长λ₁₁和λ₂₁，然后结合λ₁₀和λ₂₀分别计算出两路激光的波长平移量Δλ₁和Δλ₂；

(5)根据耦合模型解调非线性声压：根据波长平移量Δλ₁和Δλ₂，再结合光纤FBG水听器与声场的耦合模型分别解调出两路激光下非线性声压P₁和P₂。

2.根据权利要求1所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：所述光纤FBG水听器的栅区长度小于1/2超声波波长，光纤FBG水听器的声轴方向与超声换能器声轴重合。

3.根据权利要求1所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(2)中两路激光的波长满足：对应波分复用器两个不同通道，并且两个波长对应反射谱上的电压不相同。

4.根据权利要求1所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(3)中反射谱曲线拟合是将输出电压V与工作波长λ采用最小二乘拟合：

式中A、xc、w都为待拟合的参数。

5.根据权利要求4所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(4)所述的波长根据式(2)计算得到，即求式(1)的反函数V^-1(λ)得到波长λ与输出电压V的函数关系为：

式中k为整数。

6.根据权利要求1所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法，其特征在于：步骤(4)所述的声压解调公式为：

式中Δλ为光纤FBG水听器的反射谱平移量，λ₀为光纤FBG水听器的中心波长，K₀为光纤FBG水听器的波长相对变化量随声压变化系数。

7.实现权利要求1-6任一项所述方法的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统，其特征在于：所述系统包括光纤FBG水听器、超声换能器、两路波长可调谐激光器、两个光纤耦合器、光纤环形器、波分复用器、两个光电探测器和数据采集卡；两路波长可调谐激光器输出的两路波长不同的激光混合后经过光纤环形器到达光纤FBG水听器，两路激光同时经超声换能器受到超声波调制后经过光纤环形器，到达波分复用器分离为两路不同波长的激光，或者直接到达波分复用器分离为两路不同波长的激光，两路激光同时进行光电转换后分别输出两路电压信号，一路接入数据采集卡，另一路接输出端。

8.根据权利要求7所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统，其特征在于：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述第二光纤耦合器连接，第二光纤耦合器的一端的一臂与所述波分复用器连接，第二光纤耦合器的一端的另一臂与所述光电探测器输入端连接，光纤环形器另一端与所述光纤FBG水听器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。

9.根据权利要求7所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统，其特征在于：所述波长可调谐激光器通过所述第一光纤耦合器进入光纤环形器一端的一臂，光纤环形器一端的另一臂与所述波分复用器连接，光纤环形器另一端与所述光纤FBG水听器连接，所述波分复用器另一端与所述光电探测器输入端连接，所述光电探测器输出端一端连接所述数据采集卡，另一端连接输出端。

10.根据权利要求7所述的光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调系统，其特征在于：

所述光纤耦合器可以用波分复用器代替，光纤环形器可以采用光隔离器和光纤耦合器代替，波分复用器可以采用光纤耦合器和可调谐FP滤波器代替；所述超声换能器可以是球形超声换能器，也可以是环形超声换能器。