[发明专利]光纤FBG水听器的双波长非线性声压解调方法及系统

说明书

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。

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：