CN113091881B - 提高光子相关法空气声压测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高光子相关法空气声压测量精度的方法，包括两束光强和偏振态相同且在同一水平面相交的光束、透射型分辨率板、显微物镜和CCD，通过以下步骤执行：将显微物镜的工作端和透射型分辨率板放置在两束光的交叉点处，在显微物镜的后方放置CCD，轴向移动CCD，使CCD可以同时获取分辨率板和干涉条纹的清晰叠加像，结合获得的叠加像得出显微物镜的放大倍率和CCD所拍摄得到的干涉条纹间距，计算出干涉条纹的实际间距，然后根据干涉条纹的实际间距，计算得到两束光束的夹角。该方法准确获得干涉条纹间距，进而能够反向计算出光束夹角，最终提高空气声压测量精度。

Description

提高光子相关法空气声压测量精度的方法

技术领域

本发明涉及光学与声学领域，具体的说，涉及了一种提高光子相关法空气声压测量精度的方法。

背景技术

光学方法测量空气声声压是目前声学计量的研究热点，该方法具有非侵入性和高空间分辨率等优势，同时可以将声压通过激光波长溯源至SI单位，用于声压量值的扁平化传递。

早在上世纪，Taylor首先提出了测量声波示踪粒子速度的概念，并在驻波管中成功测量出示踪粒子振动速度；随后，Hann和Sharpe使用光子相关技术，通过分析光电探测器捕获的单个光子事件来解调声波示踪粒子速度。韩国标准与科学研究院进一步拓展了应用，使用光子相关法解调多普勒信号测量驻波管空气声压，并将光学法与标准传声器测量结果之间的偏差降低到0.2 dB。国内方面，中国计量科学研究院在平面行波管内通过激光多普勒技术获得声场中示踪粒子的多普勒信号，使用频谱法分析得到的不同频点测量的声压偏差与传声器所得的结果低于0.3 dB；该单位还使用光子相关法在行波管中解调多普勒信号得到粒子速度，测量出空气声压，并分析了测量误差的主要来源，将在驻波管中测量声压与实验室标准传声器测量结果的偏差降低至0.11 dB。近来，韩国标准与科学研究院使用光子相关技术完成了自由场空气声声压的测量，并在0.5-16 kHz频率范围内，得到光子相关技术测量结果与传声器之间的差异在0.01-1.3 dB。

上述的光子相关法测量空气声压系统中多采用双光束双散射光路，声压测量准确性受两光束夹角、光强差异、光束有效直径、干涉条纹间距、示踪粒子粒径等参数影响。

为了让示踪粒子振动速度能够反映声场声压，实验中的声波示踪粒子要对声波有良好的跟随性，同时示踪粒子的直径和测量干涉条纹的间距必须匹配。

一般来说粒径约为条纹间距的三分之二，可以得到更高灵敏度和更宽的声压测量范围。两光束夹角影响干涉条纹间距大小，因此准确测量光束夹角对于光子相关技术准确测量声压装置和光路的设计有着重要意义。

目前使用光子相关法测量自由场空气声声压时，将测量干涉条纹间距等同于测量光束夹角，这样处理会在实际测量中引入误差，因此实际实验中最好能做到直接观察干涉条纹并对其进行测量。

另外，在实验的干涉区域内，干涉条纹的间距均匀性与光束质量、光束光强差异等因素有关，并随光束干涉位置和夹角变化，条纹间距的不均匀会导致多普勒信号频率的偏差和展宽，最终导致声压测量结果的误差，同时还要考虑干涉区内条纹间距不均匀性对夹角和间距推导关系的影响。

为了解决光束夹角与干涉条纹间距测量准确度的问题，进而提高光子相关法空气声压的测量精度，本领域技术人员一直在努力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种准确获得干涉条纹间距，进而能够反向计算出光束夹角，最终提高测量精度的提高光子相关法空气声压测量精度的方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种提高光子相关法空气声压测量精度的方法，包括两束光强和偏振态相同且在同一水平面相交的光束、透射型分辨率板、显微物镜和CCD，通过以下步骤执行：

将显微物镜的工作端和透射型分辨率板放置在两束光的交叉点处，在显微物镜的后方放置CCD，轴向移动CCD，使CCD可以同时获取分辨率板和干涉条纹的清晰叠加像，结合获得的叠加像得出显微物镜的放大倍率和CCD所拍摄得到的干涉条纹间距，计算出干涉条纹的实际间距，然后根据干涉条纹的实际间距，计算得到两束光束的夹角。

基上所述，通过以下步骤，提高测量干涉条纹间距的准确度：

在显微物镜的工作端加入透射型的分辨率板作为标准件，然后固定分辨率板、轴向移动CCD，使CCD获得最清晰的分辨率板的倒立放大实像，得到分辨率板和同一位置干涉条纹的叠加成像；

选取一处分辨率板上的标准靶条作为观察对象，做出放大后靶条的光强与像素点的曲线，选出曲线中对应两条靶条相同变化属性的两个点，结合CCD的像元尺寸，计算出两个点之间的所占的像素点数，进而得到放大后的放大尺寸，基于标准板自身的实际尺寸，对显微物镜的放大倍率进行标定；

再获得干涉条纹被放大后的间距，然后基于标定后的放大倍率，计算出干涉条纹的实际间距。

基上所述，为了提高显微物镜放大倍率的标定精度，在保证分辨率板在干涉区域的前提下，多次改变分辨率板的位置，相应的轴向移动CCD的位置进行调焦，多次对显微物镜的放大倍率进行标定，多次计算干涉条纹的实际间距，然后通过平均法，获得最终的干涉条纹的实际间距。

基上所述，在标定显微物镜的放大倍率后，通过以下步骤获得干涉条纹被放大后的间距：

选取包含干涉条纹周期较多的区域，做出干涉条纹的光强与像素点的曲线，每个峰谷代表条纹的亮暗，选取曲线中的两个峰值点，读出两峰值点之间的条纹周期数，以及总共占据的像素点，得到每个暗亮条纹占据的像素点，从而计算出放大后的条纹间距，结合标定的放大倍率，得到实际干涉条纹的间距。

基上所述，两束光束为激光器通过分束棱镜分出得到的，然后通过两面反光镜的反射发生相交。

基上所述，两束光束相交处的夹角大于15度。

基上所述，所述的激光器的规格为：波长为532 nm、功率为300 mW。

基上所述，所述显微物镜的倍率大于20倍。

基上所述，所述CCD的规格为：像元尺寸为4.65 μm×4.65 μm、像素为1280×1024。

基上所述，所述分辨率板的型号为：USAF1951美国空军分辨率板。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采用显微放大成像的方法，利用CCD结合显微物镜，将干涉条纹的图像放大，然后以像元尺寸为基准，测量得到放大后的干涉条纹的间距，从而根据原理公式中光束夹角与条纹间距的关系式，计算得到相对更加精准的光束夹角，有了准确的光束夹角数据和干涉条纹的间距数据后，就能够有效提高光子相关法空气声压测量的精度。

进一步的，为了进一步提高精度，引入标准分辨率板对显微成像的放大倍率进行标定，显著提高精准度。

进一步的，为了确保试验的稳定性，通过仿真分析高斯光束干涉条纹间距的均匀性对光束夹角的影响，优化声场测量的光路结构。

附图说明

图1是本发明中光子相关法空气声压测量的原理图。

图2是本发明实施例1中提高光子相关法空气声压测量精度的方法的原理图。

图3是本发明实施例2中CCD拍摄到的干涉条纹图。

图4是本发明实施例4中高斯光束干涉条纹仿真图。

图5和本发明实施例4中夹角为1度时不同位置干涉条纹的间距图。

图6是本发明实施例4中夹角为15度时不同位置干涉条纹的间距图。

图7是本发明中光子相关法测量自由场空气声压自相关函数曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

光子相关法测量自由场空气声压的原理示意图如图1所示，激光器射出一束高斯光束经过分束棱镜BS分成两束光强和偏振态相同的光束，分别经过平面镜M1和M2反射后，两束光在空间中相交而产生干涉区，在消声箱内加入少量示踪粒子(如图中黑点所示)，示踪粒子于声场驱动下在垂直于干涉条纹的方向进行周期性振动时产生散射光信号，相对原始光信号产生多普勒频移，利用单光子计数器来捕捉单光子信号并解调出粒子运动的速度信息，进而推导计算出声场的声压。光路中使用透镜L1实现对散射光的会聚，从而提高测量灵敏度。

单光子计数器探测信号的自相关函数形式如下：

(1)

式中：

；/>

为声场粒子瞬时振速，ω为声波的角频率，τ为延迟时间；/>

，θ为两光束夹角，d为光束有效直径；J0为零阶贝塞尔函数，D为干涉条纹间距。

理论上干涉条纹间距为

(2)

当零阶贝塞尔函数下降至第一个极小值时，

取值为3.832。则得出粒子振动速度为

(3)

式中

是自相关函数曲线到第一个极小值点的时间。

由声场粒子速度可以计算出声压为

(4)

式中Z为空气特性阻抗。

从上式可以看出，在使用光子相关法测量空气声压时，准确测量两光束的夹角和干涉条纹间距对于准确测量空气声压是十分重要的。

实施例1

基于上述原理的描述，设计本申请的其中一个技术方案，如图2所示，包括两束光强和偏振态相同且在同一水平面相交的光束、显微物镜和CCD，其中，两束光束为激光器通过分束棱镜分出得到的，然后通过两面反光镜的反射发生相交，所述的激光器的规格为：波长为532 nm、功率为300 mW，所述显微物镜的倍率通常大于20倍，本实施例选25倍，所述CCD的规格为：像元尺寸为4.65 μm×4.65 μm、像素为1280×1024。

通过以下步骤执行：

将显微物镜MO的工作端放置在两束光束的交叉点处，在显微物镜的后方放置CCD，轴向移动CCD，使CCD可以获取清晰的干涉条纹，结合显微物镜的放大倍率和CCD所拍摄得到的干涉条纹间距，计算出干涉条纹的实际间距，然后根据干涉条纹的实际间距，计算得到两束光束的夹角。

本实施例中，认为显微物镜的放大倍率是准确无误的，通过前述原理部分的公式（2），可以获得干涉条纹间距与光束夹角之间的关系式，进而完成夹角的运算。

本实施例中，通过放大干涉条纹的图像，结合CCD的参数，可以直接运算得到干涉条纹的放大尺寸，然后再结合放大倍数，就能够计算出夹角，从而获得更加精确的声压。

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别在于：加入了对于显微物镜的校准过程，因为在精细化测量的过程中，测量工具的校准工作通常是必须的，通过以下步骤实现：

在显微物镜MO的工作端加入透射型的分辨率板作为标准件，分辨率板的型号采用USAF1951美国空军分辨率板，该分辨率板是由一系列周期不同的横向和竖向分布的靶条组成，作为标准物体，靶条的周期均为已知，其中外围尺寸大，越接近中心尺寸越小，有靶条处可以透光。

然后固定分辨率板、轴向移动CCD，使CCD获得最清晰的分辨率板的倒立放大实像，得到分辨率板和同一位置干涉条纹的叠加成像；

首先，对显微成像的放大倍数进行标定，选择分辨率板的第7组第2线对作为研究对象，间距为1/144 mm。如图3所示，图中（a）为CCD拍摄到的干涉条纹图，图中（b）为CCD拍摄到的分辨率板的放大图，图中(c)为拍摄图中所选标准线对的放大图像，作出图中红线部分光强与像素点的曲线，如图3中(e)所示，每个像素大小对应于CCD的像元尺寸4.65 μm，从曲线中选取对应两边靶条相同右边界处两点，通过读出一个线对所占像素点数，可以得出该一个标准线对间距放大后的尺寸为120.9 μm，从而得到放大倍率为17.41。然后，采取类似的方式对干涉条纹周期进行计算，为了减少误差，尽可能选取包含多个周期的条纹，对应如图3中(d)所示的条纹区域。对图3中(d)中红线部分做出光强与像素点曲线，如图3中(f)所示，图中每个峰谷分别代表条纹的亮暗，读出两峰值点之间的条纹周期数，以及总共占据的像素，得出每个亮暗条纹所占像素点数为6.7，从而计算出放大后的条纹间距为31 μm，结合标定的放大倍率，可以得到实际干涉条纹间距为1.781 μm。

实施例3

本实施例与实施例1的主要区别在于：采用平均法，进一步提升检测精度。

在保证分辨率板在干涉区域的前提下，多次改变分辨率板位置，相应的轴向移动CCD的位置进行调焦，在CCD上呈现分辨率板最清晰的像，拍摄多张分辨率板和干涉条纹的叠加放大图，按照以上步骤分别得到放大倍率和实际条纹间距。多次测量的结果如表1所示，根据表中数据得出此时干涉区的条纹间距为1.791 μm，计算出两光束夹角为17.08度。

表1 不同放大倍率下得出的实际条纹间距

实施例4

本实施例与其它实施例的主要区别在于：两束光束相交处的夹角大于15度。

为了使用显微放大成像的方法测量光束夹角即干涉条纹间距，还需要考虑两束高斯光束整个干涉区中条纹间距的均匀情况，这对于测量结果有很大影响，因此使用MATLAB软件通过数值仿真考察高斯光束干涉区条纹间距均匀性，主要探究光束夹角和干涉位置对其干涉条纹间距的影响。

激光器发出的是高斯光束，具有一定的发散角，沿z方向传播的高斯光束在空气均匀介质中的复振幅表达形式为

(5)

式中：E0为常数，

为束腰半径，/>

为光束半径，/>

，k为波数，R(z)为曲率半径，/>

为相位因子。

根据常用激光器参数，假定两光束在束腰处发生干涉，此时光束R(z)曲率半径为无限大，

相位因子设为零，由光的干涉原理，得出两束高斯光束干涉区的光强分布为

(6)

假设激光波长532nm，高斯光束有效直径1.2mm，两高斯光束夹角15度，通过仿真得到干涉区的干涉条纹，如图4所示。从图中看出条纹间距分布均匀，看不到明显条纹畸变。

通过改变仿真时两光束夹角，分别得出夹角较小和夹角较大时干涉区沿轴向不同位置处的干涉条纹间距，结果如图5和图6所示。从仿真结果可以看出，当光束夹角较小时(<5度)，光强小的边缘处干涉条纹间距明显增大，当光束夹角较大时(>15度)，光强小的边缘处干涉条纹间距无明显增大。当实验中两光束夹角大于15度时可认为干涉区条纹间距均匀，可以使用显微成像方法对条纹间距进行测量。

最后，根据自由场中光子相关法测量空气声声压的实验系统，分别使用本文提出的光学显微放大成像方法以及传统三角方法得出的条纹间距和光束夹角进行空气声声压测量，分别得出最后的声压级与标准声级计测出的声压级进行对比，以验证本文提出方法的可行性。

对于图1中的X和Y值使用米尺测量五次，并求出平均值，结果如表2所示，因此空间距离测量最终结果为X=350.12 mm，Y=1324.06 mm。使用直角三角形勾股定理可以算出两束光夹角为15.05度，对应条纹间距为2.030 μm。

表2 多次空间距离测量结果

针对频率为1000 Hz自由空气声场，在不同声压级的声场下分别取得自相关曲线和极小值时间，实验中得到的自相关函数曲线如图7所示，从曲线中读取到达第一个极小值点的时间Tmin。分别使用两种方法测出的条纹间距带入计算过程得出对应声压级，与标准声级计测量结果对比结果如表3所示。

表3 两种方法得出声压级与标准声级计测量结果对比

由结果可以看出，使用光学显微成像方法获得干涉条纹间距进行空气声压测量的误差最大为0.59dB，使用传统三角法测得的干涉条纹间距进行空气声压测量误差最大为0.85dB。说明本文提出方法获得的干涉条纹间距更接近于干涉区真实条纹间距，测量空气声压结果误差更小，提高了测量结果准确度。

光子相关法测量自由场空气声压过程中，需要准确测量干涉区域的条纹间距和光束夹角，本文提出采用光学显微成像的方法成功拍摄到干涉区条纹，通过标定出干涉条纹间距的放大倍率来求得干涉区实际条纹间距，推导出干涉角度。并将该方法获得的干涉条纹间距和光束夹角应用于测量空气声压中，复现出自由空气声场声压，与标准声级计测量结果误差为0.23 dB-0.59dB。与传统三角测量方法测得条纹间距和光束夹角用于自由场空气声压测量得到的结果进行对比，表明本申请提出的方法获得的干涉条纹间距和光束夹角更接近真实值，提高了自由场空气声压复现精度。

最后应当说明的是: 上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种提高光子相关法空气声压测量精度的方法，其特征在于：包括两束光强和偏振态相同且在同一水平面相交的光束、透射型分辨率板、显微物镜和CCD，通过以下步骤执行：

将显微物镜的工作端和透射型分辨率板放置在两束光的交叉点处，在显微物镜的后方放置CCD，轴向移动CCD，使CCD可以同时获取分辨率板和干涉条纹的清晰叠加像，结合获得的叠加像得出显微物镜的放大倍率和CCD所拍摄得到的干涉条纹间距，计算出干涉条纹的实际间距，然后根据干涉条纹的实际间距，计算得到两束光束的夹角；

计算过程依据以下公式，单光子计数器探测信号的自相关函数形式如下：

(1)

式中：

；/>

为声场粒子瞬时振速，ω为声波的角频率，τ为延迟时间；

，θ为两光束夹角，d为光束有效直径；J0为零阶贝塞尔函数，D为干涉条纹间距；

理论上干涉条纹间距为

(2)

当零阶贝塞尔函数下降至第一个极小值时，

取值为3.832，则得出粒子振动速度为

(3)

式中

是自相关函数曲线到第一个极小值点的时间；

由声场粒子速度可以计算出声压为：

(4)

式中Z为空气特性阻抗；

通过以下步骤，提高测量干涉条纹间距的准确度：

在显微物镜的工作端加入透射型的分辨率板作为标准件，然后固定分辨率板、轴向移动CCD，使CCD获得最清晰的分辨率板的倒立放大实像，得到分辨率板和同一位置干涉条纹的叠加成像；

选取一处分辨率板上的标准靶条作为观察对象，做出放大后靶条的光强与像素点的曲线，选出曲线中对应两靶条相同变化属性的两个点，结合CCD的像元尺寸，计算出两个点之间的所占的像素点数，进而得到放大后的尺寸，基于标准板自身的实际尺寸，对显微物镜的放大倍率进行标定；

再获得干涉条纹被放大后的间距，然后基于标定后的放大倍率，计算出干涉条纹的实际间距；

为了提高显微物镜放大倍率的标定精度，在保证分辨率板在干涉区域的前提下，多次改变分辨率板的位置，相应的轴向移动CCD的位置进行调焦，多次对显微物镜的放大倍率进行标定，多次计算干涉条纹的实际间距，然后通过平均法，获得最终的干涉条纹的实际间距；

在标定显微物镜的放大倍率后，通过以下步骤获得干涉条纹被放大后的间距：

选取包含干涉条纹周期较多的区域，做出干涉条纹的光强与像素点的曲线，每个峰谷代表条纹的亮暗，选取曲线中的两个峰值点，读出两峰值点之间的条纹周期数，以及总共占据的像素点，得到每个暗亮条纹占据的像素点，从而计算出放大后的条纹间距，结合标定的放大倍率，得到实际干涉条纹的间距；

两束光束为激光器通过分束棱镜分出得到的，然后通过两面反光镜的反射发生相交；两束光束相交处的夹角大于15度。

2.根据权利要求1所述的提高光子相关法空气声压测量精度的方法，其特征在于：所述的激光器的规格为：波长为532 nm、功率为300 mW。

3.根据权利要求2所述的提高光子相关法空气声压测量精度的方法，其特征在于：所述显微物镜的倍率大于20倍。

4.根据权利要求3所述的提高光子相关法空气声压测量精度的方法，其特征在于：所述CCD的规格为：像元尺寸为4.65 μm×4.65 μm、像素为1280×1024。

5.根据权利要求4所述的提高光子相关法空气声压测量精度的方法，其特征在于：所述分辨率板的型号为：USAF1951美国空军分辨率板。

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