[发明专利]一种光声多普勒流速测量装置及方法

权利要求书

1.一种光声多普勒流速测量方法，采用了光声多普勒流速测量装置，装置包括第一光学干涉检测系统、第二光学干涉检测系统、光声激发系统、扫描系统、与门电路及计算机；所述第一光学干涉检测系统一端与计算机内的数据采集卡进行电连接，第一光学干涉检测系统另一端与与门电路进行电连接；所述第二光学干涉检测系统一端与计算机内的数据采集卡进行电连接，第二光学干涉检测系统另一端与与门电路进行电连接；所述与门电路与光声激发系统进行电连接，光声激发系统与计算机进行电连接；所述扫描系统与第一光学干涉检测系统和第二光学干涉检测系统均进行光连接，扫描系统与样品进行光连接；所述光声激发系统与扫描系统进行光连接；所述第一光学干涉检测系统包括第一探测光源、第一环形器、第一2×2光纤耦合器、第一准直器、第一反射镜、第一平衡探测器、第一高通滤波器及第一电压比较器；所述第一探测光源、第一环形器、第一2×2光纤耦合器及第一准直器之间依次通过光纤进行连接，所述第一反射镜与第一准直器之间进行光连接；所述第一平衡探测器与第一环形器和第一2×2光纤耦合器均通过光纤进行连接；所述第一平衡探测器输出的电压信号一路接入第一高通滤波器，另一路接入第一电压比较器；所述第一高通滤波器与计算机的数据采集卡进行电连接；所述第一电压比较器与与门电路进行电连接；所述第二光学干涉检测系统包括第二探测光源、第二环形器、第二2×2光纤耦合器、第二准直器、第二反射镜、第二平衡探测器、第二高通滤波器及第二电压比较器；所述第二探测光源、第二环形器、第二2×2光纤耦合器及第二准直器之间依次通过光纤进行连接，所述第二反射镜与第二准直器之间进行光连接；所述第二平衡探测器与第二环形器和第二2×2光纤耦合器均通过光纤进行连接；所述第二平衡探测器输出的电压信号一路接入第二高通滤波器，另一路接入第二电压比较器；所述第二高通滤波器与计算机的数据采集卡进行电连接；所述第二电压比较器与与门电路进行电连接；所述光声激发系统包括脉冲激光光源、第一透镜、第二透镜及第三反射镜；所述与门电路输出的触发信号接入脉冲激光光源，脉冲激光光源与计算机进行电连接；所述脉冲激光光源输出的激发光依次通过第一透镜及第二透镜射向第三反射镜；所述扫描系统包括第三准直器、第四准直器、二色镜、扫描振镜及第三透镜；所述第三准直器与第一2×2光纤耦合器通过光纤进行连接，第三准直器输出的第一检测光依次通过二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品；所述第四准直器与第二2×2光纤耦合器通过光纤进行连接，第四准直器输出的第二检测光依次通过二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品；由所述第三反射镜反射的激发光依次通过二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品；所述激发光、第一检测光及第二检测光在样品内部汇聚在一点上用以产生光声信号；其特征在于：测量方法包括如下步骤：

步骤一：启动第一探测光源和第二探测光源；其中，由第一探测光源发出的激光依次经过第一环形器和第一2×2光纤耦合器后分两路输出，一路作为第一参考光依次通过第一准直器及第一反射镜后并原路返回第一2×2光纤耦合器，另一路作为第一检测光依次经过第三准直器、二色镜、扫描振镜、第三透镜及样品后并原路返回第一2×2光纤耦合器；同时，由第二探测光源发出的激光依次经过第二环形器和第二2×2光纤耦合器后分两路输出，一路作为第二参考光依次通过第二准直器及第二反射镜后并原路返回第二2×2光纤耦合器，另一路作为第二检测光依次经过第四准直器、二色镜、扫描振镜、第三透镜及样品后并原路返回第二2×2光纤耦合器；

步骤二：当第一参考光和第一检测光原路返回第一2×2光纤耦合器，会被第一2×2光纤耦合器再次分成两部分，一部分光通过第一环形器进入第一平衡探测器，另一部分光直接进入第一平衡探测器，参考光和检测光在第一平衡探测器干涉，并转换为电信号，然后由第一平衡探测器的RF端输出差分信号，用于提高对比度；同理，当第二参考光和第二检测光原路返回第二2×2光纤耦合器，会被第二2×2光纤耦合器再次分成两部分，一部分光通过第二环形器进入第二平衡探测器，另一部分直接进入第二平衡探测器，参考光和检测光在第二平衡探测器干涉，并转换为电信号，然后由第二平衡探测器的RF端输出差分信号，用于提高对比度；

步骤三：确定第一光学干涉检测系统和第二光学干涉检测系统的最大灵敏度状态；其中，在第一光学干涉检测系统内，实时检测第一平衡探测器的RF端输出的差分信号，当差分信号为零时，探测灵敏度最大，才可以完成光声信号的激发和采集，即零点触发；同理，在第二光学干涉检测系统内，实时检测第二平衡探测器的RF端输出的差分信号，只有差分信号为零时，探测灵敏度最大，才可以完成光声信号的激发和采集，即零点触发；

步骤四：将第一光学干涉检测系统和第二光学干涉检测系统的最大灵敏度状态进行同步，首先通过第一电压比较器实时监测第一平衡探测器输出的第一电压信号并记为V1，同时通过第二电压比较器实时监测第二平衡探测器输出的第二电压信号并记为V2，同时设定第一电压比较器和第二电压比较器的阈值h接近零，当满足∣V1∣＜h且∣V2∣＜h时，第一电压比较器和第二电压比较器输出高电平，之后由与门电路输出触发信号给脉冲激光光源；

步骤五：当脉冲激光光源接收到来自与门电路的触发信号后，则脉冲激光光源启动，由脉冲激光光源输出激发光，激发光依次经过第一透镜、第二透镜、第三反射镜、二色镜、扫描振镜及第三透镜射向样品，并与第一检测光及第二检测光在样品内部汇聚在一点上，样品吸收激光能量后会产生光声压，光声压又会促使样品内部激发点的光学折射率发生变大，进而使第一检测光及第二检测光的反射光强增大，并产生光声信号；

步骤六：脉冲激光光源输出激发光的同时，输出触发信号给计算机，计算机的数据采集卡对光声信号进行采集，根据采集到的光声信号，由计算机自动计算样品内的粒子运动速度，样品内的粒子运动速度计算过程如下：

将样品内的粒子运动速度记为V，将激发光、第一检测光及第二检测光在样品内部汇聚的点记为P点，将第一检测光与激发光之间的夹角记为将第二检测光与激发光之间的夹角记为P点产生的脉冲光声信号由第一检测光及第二检测光进行探测；

相对于P点的运动粒子，假定第一检测光为逆流且第二检测光为顺流，则第一检测光产生的多普勒频移为负且第二检测光产生的多普勒频移为正；

再假定不考虑多普勒效应时的本底脉冲光声频率为f₀，则第一检测光探测到的运动粒子的多普勒频移和第二检测光探测到的运动粒子的多普勒频移的计算公式如下：

式中，f_d1为第一检测光探测到的运动粒子的多普勒频移，f_d2为第二检测光探测到的运动粒子的多普勒频移，f₀为本底脉冲光声频率，为第一检测光与激发光之间的夹角，为第二检测光与激发光之间的夹角，V为粒子运动速度，c为超声传播速度；其中，和均取锐角，f_d1和f_d2均取正值；脉冲光声信号为宽带信号，用脉冲超声的平均频率计算多普勒频移，脉冲超声的平均频率定义如下：

式中，P(ω)为光声信号的功率谱密度函数；因此，可以分别计算出和其中，为由第一检测光探测到的脉冲光声信号的平均频率，为由第二检测光探测到的脉冲光声信号的平均频率；则粒子运动速度V可以写成下式：

又由于多普勒频移相对较小，则本底脉冲光声频率f₀可近似为因此可以得到下式：

式中，及均为已知量，只需将这些已知量带入上式，就可以得出样品内的粒子运动速度V。