[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

说明书

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。

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。