CN111721839A - 一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法 - Google Patents

一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光信号处理领域与传感领域，涉及一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法。利用了光通信领域先进信号处理技术，得到了具有一定带宽的数字光频梳信号，利用数字光频梳信号对微腔光子器件进行扫描，得到超快以及高精度的微腔谐振峰扫描谱线。同时，还制作了只需要一条光路系统耦合多个微腔结构，实现多个微腔的谐振峰的等间隔波长分布。通过设计多个微腔的谐振峰的波长位置，可实现数字光频梳对这大量微腔结构的各自谐振峰的频率、功率进行快速、高精度的探测，可显著提高超声波阵列探测的效率以及处理难度，可应用于超声波的阵列探测、光声成像等领域，同时也为实现集成化、小型化的超声相控阵探测器的研究提供了基础。

Description

一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法
技术领域
本发明属于光信号处理领域与传感技术领域，更具体地，涉及一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法。
背景技术
阵列超声检测在国防安保、生物医学、航空航天、光声层析成像、超声成像、界面检测等工业工程领域的应用中，已经得到了广泛的研究和应用。在极端环境(如敏感伤口或危险样本的成像、结合剂检查、功能性眼科成像)或复杂受限环境(如杂散电磁场、受限空间、强制干燥环境等)中，无接触的超声检测显得尤为重要。而在这些超声传感的应用中，单一超声传感点已经不能满足绝大多数场合的应用需求，阵列式的超声传感技术有助于提高在大型工程中的检测效率。传统的阵列超声换能器探头是多个不同的超声换能器同时独立工作，将超声信号转换为电信号分别汇总到处理单元进行解调与分析，由于每个超声换能器都需要供电以及信号回传线路，数量庞大的超声换能器带来高功耗的同时，也需要更复杂的接线系统，体积也较为庞大，因此，如何实现高度集成化、数量更庞大的超声阵列以及更低功耗的超声探测成为目前的难点。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，一条耦合光路即可完成大量传感点的信号回传、成本低廉、探测精度高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其中，包括探测信号发射单元、微腔阵列传感单元以及探测装置与信号解调单元；这三个组成部分可以通过光纤以有线的方式进行连接，也可以通过空间光路进行无线的连接。所述的探测信号发射单元包括连续激光器、频移器以及任意信号发生器；所述的微腔阵列传感单元包括光耦合器、耦合光路以及微腔阵列；所述的探测装置与信号解调单元包括光电探测器、模数变换器以及信号处理单元；具体包括以下步骤：
S1.首先，探测信号发射单元发出合适的探测信号；由连续激光器发射频率为f0的单频连续光信号，经过频移器，频移器受任意信号发生器调制，对任意信号发生器编写等间隔频谱电信号程序；此处的电频谱间隔Δf可任意设置，从1Hz～20MHz任意可调；电信号的频谱带宽Bw可从1MHz～60GHz任意可调，使得任意信号发生器产生电频域的频率梳，此处在电域上产生的频率梳用以驱动频移器，进而对连续单频光信号f0进行调制，产生了以f0为中心载波，边带信号的带宽为Bw，光频谱间隔为Δf的光信号；
S2.然后，探测光进入传输链路进行传输，步骤S1中经过调制的、具有 Bw带宽的光信号经过逛耦合器，耦合进入光路系统；
S3.接着，光信号经过传输链路入射到微腔阵列传感单元；光信号以光速快速依次分别经历多个具有高品质因子的微腔，得到微腔阵列的透过光谱；
S4.最后，经过微腔阵列响应的光信号通过光链路出射到探测装置与信号解调单元；透过光谱经过这具有多个微腔的阵列，得到的微腔透过光谱经过耦合光路收集到光电转换器上将光信号转换为电信号，然后通过模数变换器对电信号进行量化，再经过后续的数字信号处理即可得到每个时间T下的透过谱曲线，实现对微腔阵列共振频率的解调；随着采集时间的增加，可以得到所有共振频率随着T的变化曲线，当外界存在超声波时，每个微腔的共振频率都会发生不同时刻、不同幅度、具有于超声波频率一直的频移抖动，通过分析超声波到达每个微腔的时间点、频移量的相位差以及强度大小，即可实现超声波的定位。
在本发明中，利用数字光频梳的带宽较宽且扫频速度快的特点，同时结合微腔结构具有较大的超声敏感性以及高Q值共振频率的优势，通过一条耦合光路同时耦合多个微腔结构，实现对多个微腔的共振频率同时的且高快速、高精度的光谱扫描。在超声作用下，多个微腔的共振频率会不同程度的发生频移，通过将获得的这些频移数据分别在时域和频域进行分析，即可得到超声频率响应特性以及对超声进行定位，这种仅用一条耦合光路即可同时实现大量超声阵列的传感探测为实现更高密度、更高精度的超声定位、超声成像、光声层析成像等超声应用提供解决方案。
在其中一个实施例中，所述的S1步骤中，设置Bw为40GHz；由于这是经过调制的信号，完整的解调一组调制信号需要完整的采集一段时间，这个时间定义为T＝1/Δf，其中光信号间隔Δf＝1Hz～20MHz，换算为波长为少于0.01pm 的波长间隔，属于高精度的波长间隔范围，因此T的长度在50ns～1s。
在其中一个实施例中，所述的S2步骤中的光路系统为空间光路耦合、光纤耦合、片上波导耦合中的任意一种。
在其中一个实施例中，所述的S3步骤中，微腔的Q值在6次方以上，即每个微腔的共振频率的半峰宽在1MHz～50MHz，同时，每个微腔的谐振峰的中心频率的间隔为Δfq，范围为100MHz～10GHz。
在其中一个实施例中，利用通信算法中的正交频分复用算法、伪随机序列算法，得到电频域的频率梳，通过调制器将电频梳调制到光域，得到光频梳信号；所述的数字光频梳信号带宽可灵活设置，范围为1Hz～1THz。
在其中一个实施例中，所述的微腔的制备方法包括：利用空心的光纤结构，通过二氧化碳激光加热法、电弧加热法或电热丝加热法对光纤结构进行加热至软化，对光纤内加一定的压强使其膨胀，形成微腔结构；不断调整输入光纤的气压与加热的温度，使得光纤加热点不断膨胀到原来的1～5倍。具体制备过程为：
1.剪切一段空心结构光纤，堵塞一端，另外一端链接气阀；
2.利用步骤1中的气阀连接气压输出装置，调整气压初始状态；
3.利用电弧法对光纤中的某一段位置进行加热，观察光纤的膨胀状态；
4.利用步骤3，不断调整输入光纤的气压与加热的温度，使得光纤加热点不断膨胀到原来的1～5倍。
在其中一个实施例中，所述的微腔阵列为通过一条光路，耦合多个微腔结构制备得到，耦合的微腔结构数量范围为1～1000个。
在其中一个实施例中，所述的光纤结构的材质为二氧化硅、掺稀土光纤、氟化物光纤中的任意一种。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，具有集成化程度高、传感线路无需供电、一条耦合光路即可完成大量传感点的信号回传、成本低廉、探测精度高等优点，可同时探测多达400以上的传感阵列点，超声探测范围为20kHz～1MHz，可广泛应用于超声成像等领域。
附图说明
图1是本发明各个单元连接关系示意图。
图2是本发明各个结构之间的连接关系示意图。
图3是本发明在微腔阵列对超声波探测过程中对超声波解调的示意图。
其中，1为连续激光器；2为频移器；3为任意信号发生器；4为光耦合器； 5为耦合光路；6为微腔阵列；7为光电探测器；8为模数变换器及信号处理单元。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种基于数字光频梳与微腔阵列6的高灵敏超声探测方法，其中，包括探测信号发射单元、微腔阵列6传感单元以及探测装置与信号解调单元；这三个组成部分可以通过光纤以有线的方式进行连接，也可以通过空间光路进行无线的连接。所述的探测信号发射单元包括连续激光器1、频移器2以及任意信号发生器3；所述的微腔阵列6传感单元包括光耦合器4、耦合光路5以及微腔阵列6；所述的探测装置与信号解调单元包括光电探测器7、模数变换器以及信号处理单元8；具体包括以下步骤：
S1.首先，探测信号发射单元发出合适的探测信号；由连续激光器1发射频率为f0的单频连续光信号，经过频移器2，频移器2受任意信号发生器3调制，对任意信号发生器3编写等间隔频谱电信号程序；此处的电频谱间隔Δf 可任意设置，从1Hz～20MHz任意可调；电信号的频谱带宽Bw可从1MHz～60 GHz任意可调，使得任意信号发生器3产生电频域的频率梳，此处在电域上产生的频率梳用以驱动频移器2，进而对连续单频光信号f0进行调制，产生了以 f0为中心载波，边带信号的带宽为Bw，光频谱间隔为Δf的光信号；通常的，此处设置Bw为40GHz。由于这是经过调制的信号，完整的解调一组调制信号需要完整的采集一段时间，这个时间定义为T＝1/Δf，其中光信号间隔Δ f＝1Hz～20MHz,换算为波长为少于0.01pm的波长间隔,属于高精度的波长间隔范围，因此T的长度在50ns～1s。通常来说，设置Δf＝1MHz，对应的T＝1μs。
S2.然后，探测光进入传输链路进行传输，步骤S1中经过调制的、具有Bw带宽的光信号经过逛耦合器，耦合进入光路系统；其中光路系统可以是光纤连接，也可以是空间光耦合。
S3.接着，光信号经过传输链路入射到微腔阵列6传感单元；光信号以光速快速依次分别经历多个具有高品质因子的微腔，得到微腔阵列6的透过光谱；此处，微腔阵列6的尺寸经过特殊设计，使得微腔的Q值一般在6次方以上，即每个微腔的共振频率的半峰宽在1MHz～50MHz，同时，每个微腔的谐振峰的中心频率的间隔为Δfq，范围为100MHz～10GHz。通常的，设计每个微腔共振频率半峰宽为10MHz，Δfq为100MHz，因此，对应于Bw＝40GHz以及每个微腔的共振频率的间隔100MHz，可以得到可容纳的微腔个数为N＝Bw/Δfq，即此处N＝400。信号光以光速依次遍历400个微腔器件，捕获这400个微腔器件的光谱响应。由于这些微腔阵列6器件用于超声检测，超声的振动会引起这些微腔器件的结构和有效折射率的轻微变化，从而引起经过它们的光谱的变化，通过对这个光谱的解调可以得到超声的信息。
S4.最后，经过微腔阵列6响应的光信号通过光链路出射到探测装置与信号解调单元；透过光谱经过这具有多个微腔的阵列，得到的微腔透过光谱经过耦合光路5收集到光电转换器上将光信号转换为电信号，然后通过模数变换器对电信号进行量化，再经过后续的数字信号处理即可得到每个时间T下的透过谱曲线，实现对微腔阵列6共振频率的解调；随着采集时间的增加，可以得到所有共振频率随着T的变化曲线，当外界存在超声波时，每个微腔的共振频率都会发生不同时刻、不同幅度、具有于超声波频率一直的频移抖动，通过分析超声波到达每个微腔的时间点、频移量的相位差以及强度大小，即可实现超声波的定位。具体的分析过程是：由于超声源位于空间中任意一点，对于任意平面放置的微腔阵列6具有空间位置的差异，超声在空气中传播的速度是一致的，因此超声从发射端到达微腔阵列6上个每个微腔的具有一定的时间差，对于光谱检测也就是具有相位差，通过比对这些相位差信息，就可以还原超声源的空间位置，同时，通过这几百个超声传感单元对超声源的相位差的判定，可以大大增强超声探测的精度和灵敏度。
本发明利用了光通信领域先进信号处理技术，得到了具有一定带宽的数字光频梳信号，利用数字光频梳信号对微腔光子器件进行扫描，得到超快以及高精度的微腔谐振峰扫描谱线。同时，还制作了只需要一条光路系统(光纤或波导)耦合多个微腔结构，实现多个微腔的谐振峰的等间隔波长分布。通过设计多个微腔的谐振峰的波长位置，可实现数字光频梳对这大量微腔结构的各自谐振峰的频率、功率进行快速、高精度的探测，可显著提高超声波阵列探测的效率以及处理难度，可应用于超声波的阵列探测、光声成像等领域，同时也为实现集成化、小型化的超声相控阵探测器的研究提供了基础。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，包括探测信号发射单元、微腔阵列(6)传感单元以及探测装置与信号解调单元；所述的探测信号发射单元包括连续激光器(1)、频移器(2)以及任意信号发生器(3)；所述的微腔阵列(6)传感单元包括光耦合器(4)、耦合光路(5)以及微腔阵列(6)；所述的探测装置与信号解调单元包括光电探测器(7)、模数变换器以及信号处理单元(8)；具体包括以下步骤：
S1.首先，探测信号发射单元发出合适的探测信号；由连续激光器(1)发射频率为f0的单频连续光信号，经过频移器(2)，频移器(2)受任意信号发生器(3)调制，对任意信号发生器(3)编写等间隔频谱电信号程序；此处的电频谱间隔Δf可任意设置，从1Hz～20MHz任意可调；电信号的频谱带宽Bw可从1MHz～60GHz任意可调，使得任意信号发生器(3)产生电频域的频率梳，此处在电域上产生的频率梳用以驱动频移器(2)，进而对连续单频光信号f0进行调制，产生了以f0为中心载波，边带信号的带宽为Bw，光频谱间隔为Δf的光信号；
S2.然后，探测光进入传输链路进行传输，步骤S1中经过调制的、具有Bw带宽的光信号经过光耦合器(4)，耦合进入光路系统；
S3.接着，光信号经过传输链路入射到微腔阵列(6)传感单元；光信号以光速快速依次分别经历多个具有高品质因子的微腔，得到微腔阵列(6)的透过光谱；
S4.最后，经过微腔阵列(6)响应的光信号通过光链路出射到探测装置与信号解调单元；透过光谱经过这具有多个微腔的阵列，得到的微腔透过光谱经过耦合光路收集到光电转换器上将光信号转换为电信号，然后通过模数变换器对电信号进行量化，再经过后续的数字信号处理即可得到每个时间T下的透过谱曲线，实现对微腔阵列(6)共振频率的解调；随着采集时间的增加，可以得到所有共振频率随着T的变化曲线，当外界存在超声波时，每个微腔的共振频率都会发生不同时刻、不同幅度、具有于超声波频率一直的频移抖动，通过分析超声波到达每个微腔的时间点、频移量的相位差以及强度大小，即可实现超声波的定位。
2.根据权利要求1所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，所述的S1步骤中，设置Bw为40GHz；由于这是经过调制的信号，完整的解调一组调制信号需要完整的采集一段时间，这个时间定义为T＝1/Δf，其中光信号间隔Δf＝1Hz～20MHz，换算为波长为少于0.01pm的波长间隔，属于高精度的波长间隔范围，因此T的长度在50ns～1s。
3.根据权利要求1所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，所述的S2步骤中的光路系统为空间光路耦合、光纤耦合、片上波导耦合中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，所述的S3步骤中，微腔的Q值在6次方以上，即每个微腔的共振频率的半峰宽在1MHz～50MHz，同时，每个微腔的谐振峰的中心频率的间隔为Δfq，范围为100MHz～10GHz。
5.根据权利要求1至4任一项所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，利用通信算法中的正交频分复用算法、伪随机序列算法，得到电频域的频率梳，通过调制器将电频梳调制到光域，得到光频梳信号；所述的数字光频梳信号带宽可灵活设置，范围为1Hz～1THz。
6.根据权利要求5所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，所述的微腔的制备方法包括：利用空心的光纤结构，通过二氧化碳激光加热法、电弧加热法或电热丝加热法对光纤结构进行加热至软化，对光纤内加一定的压强使其膨胀，形成微腔结构；不断调整输入光纤的气压与加热的温度，使得光纤加热点不断膨胀到原来的1～5倍。
7.根据权利要求6所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，所述的微腔阵列(6)为通过一条光路，耦合多个微腔结构制备得到，耦合的微腔结构数量范围为1～1000个。
8.根据权利要求6所述的基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，其特征在于，所述的光纤结构的材质为二氧化硅、掺稀土光纤、氟化物光纤中的任意一种。
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