[发明专利]一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法

权利要求书

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Δf_q，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。