[发明专利]一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法及系统

权利要求书

1.一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测方法，具体步骤包括：

A.激光器输出激光；

B.激光经过焦距可调的有限共轭系统后聚焦到置于被测声场中的反馈物上，反馈物由被测声场驱动振动；

C.聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；

D.采集激光自混合信号并将其转化为电信号，对电信号进行分析处理即可获得被测声场的声音信号；

其中：

步骤B中，为确保激光在经过焦距可调的有限共轭系统后能够聚焦到反馈物上，需要对有限共轭系统进行调焦，调焦过程中利用可视化指示系统对有限共轭系统在被测声场中的聚焦位置进行观察；

步骤D中，信号的具体分析处理方法如下：

基于激光自混合干涉理论，得到：

φ_F＝φ₀-Csin[φ_F+arctan(α)] (1)

I＝I₀+ΔIcos(φ_F) (2)

式(1)和式(2)中，C为反馈光强度，α为激光器的线宽展宽因子，式(2)中I和I₀分别为有反馈光和无反馈光时激光器的输出激光的信号强度，ΔI为有反馈时的输出光信号强度变化幅度，φ_F和φ₀分别为有反馈光和无反馈光时激光器输出激光的相位，其中φ_F的表达式如下：

式(3)中，υ为有反馈光时的激光频率，c为真空中的光速，L_ext为实时外腔长度；

在声场中，空气中平面声波任意一点处t时刻声压p表示为：

p＝Acos(2πft+2πr/λ) (4)

式(4)中，p为矢量，A为声压的振幅，f为声波信号的频率，λ为声波波长，r为空间中任意一点处的位置矢量，声场空间中任意一点处的反馈物受到声压作用，使反馈物与激光器所组成的激光自混合系统外腔长度受声压产生受迫振动，所引起的自混合系统外腔长度变化为：

ΔL_ext＝kp (5)

式(5)中，k是声压引起外腔长度变化的比例系数；

因此利用激光自混合效应，结合式(1)至式(5)，通过对激光器的输出激光的信号强度进行测量，能够解调出激光器的外腔相位变化，进一步获得反馈物所处位置声场的变化，从而还原出任意一点处的声场信息。

2.一种可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，其特征在于：包括激光器、准直透镜、滤光片、短焦透镜、焦距可调的有限共轭系统、可视化指示系统、反馈物、光电探测器和信号处理单元；

所述激光器出射红外光或者可见光，激光依次经准直透镜、滤光片、短焦透镜、有限共轭系统后聚焦到反馈物上；

所述反馈物置于被测声场中，由被测声场驱动振动，聚焦到反馈物上的激光信号经反馈物反射后沿原路反馈回激光器谐振腔内，形成带有声场信息的激光自混合信号；

所述光电探测器用于采集激光自混合信号并将其转化为电信号后输出到信号处理单元；

所述信号处理单元对接收到的电信号进行分析处理，获得反馈物所在位置的声场信息；

所述可视化指示系统用于指示激光经过有限共轭系统后在被测声场中的聚焦位置，所述可视化指示系统包括目镜、反射镜、聚焦透镜、对焦屏和可转动的反光板；

当有限共轭系统不调焦时，反光板置于初始位置，不遮挡激光器发射的激光，且被测声场中的自然光不经反光板折射到对焦屏上，当有限共轭系统调焦时，转动反光板，使反光板的一面朝向激光器，遮挡激光器发射的激光，激光不经过有限共轭系统，另一面朝向被测声场中的反馈物，且反光板中心距短焦透镜焦平面的距离与距对焦屏的距离相等，照射到反馈物上的自然光经过有限共轭系统到达反光板的另一面，经反光板折射到对焦屏上形成影像，形成的影像经聚焦透镜聚焦、反射镜反射后呈现到目镜上，反射镜的入射光路和出射光路垂直，自然光在有限共轭系统中传输时的信号应当与不调焦时激光在有限共轭系统中传输时的信号共光轴。

3.根据权利要求2所述的可视化调焦的激光自混合信号声音检测系统，其特征在于：所述反射镜为平面镜或者五角棱镜。