CN106618496A - 全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置，将激光照射到被测物体上产生光声信号；将激光光束通过迈克尔逊干涉仪来探测被测物体的光声信号；利用光电平衡探测器将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后利用数字采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号进行存储；对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，定义复函数，计算出光声信号做多普勒频谱标准差，通过建立血流速度的测量模型，获得多普勒频谱标准差和多普勒频谱频带展宽之间的关系，计算出测量区域内流动物体速度。本发明不仅解决了低反射、深层、低流速的测量，而且还解决了当多普勒角接近90°时无法测得多普勒频移的问题。

Description

全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种流速测量方法及装置，尤其是一种全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置，属于光声流速测量领域。

背景技术

当波源与观察者的相对位置发生变化时，观察者接收到波的频率也会发生变化，这种现象叫做多普勒效应。自19世纪Christian Doppler发现多普勒效应以后，多普勒技术一直以来受到人们的持续的关注，先后发现了超声多普勒技术、激光多普勒技术和光声多普勒技术，在测速领域得到了广泛的应用。而光声多普勒技术作为一种新型的测速手段，光声多普勒测量流速弥补超声多普勒对低流速不敏感和激光多普勒的测量深度不足的缺陷。光声多普勒技术是在光声转化的基础上发展而来的，当物质吸收了调制的光能，因吸收的光能导致吸收体局部瞬间产生温升，从而导致媒质因热胀冷缩产生超声信号，如果吸收体是运动的，由于多普勒效应，探测到的超声信号也会发生频率的移动，通过对采集到的信号多普勒频移的运算，进而得到吸收体的运动速度，该技术兼具了超声多普勒测速的测量深度和激光多普勒测速精确度的优点。光声多普勒血流速度的测量提供了丰富的生理、病理信息及代谢功能等信息，在生物医学领域具有广阔的应用前景。

超声多普勒测速技术因测量深度较深和速度较大，目前主要应用于管脉成像，特别是动脉血管这种深层高速的测量，而对毛细血管内的低速流速超声多普勒测速技术就不敏感。而激光多普勒测速技术主要是依赖光的散射来实现测速的，因为光透过生物组织时受到生物组织的吸收，光能迅速的减少，所以激光多普勒测速技术主要应用于表皮的高反射的生物组织内血流的测量。测量低反射、深层组织处的微循环血流速度时，超声多普勒测速技术和激光多普勒测速技术都不能很好的实现，而血液中应包含有丰富的血红细胞，可以通过对运动的血红细胞对光的吸收产生光声多普勒效应来实现低反射、深层组织处的微循环血流速度的测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种全光学光声多普勒横向流速测量方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现上述方法的全光学光声多普勒横向流速测量装置。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

全光学光声多普勒横向流速测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将激光照射到被测物体上产生光声信号；

S2、将激光光束通过迈克尔逊干涉仪来探测被测物体的光声信号；

S3、利用光电平衡探测器将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后利用数字采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号进行存储；

S4、对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，然后定义复函数；

S5、对A扫描采集的光声信号做多普勒频谱标准差的计算；

S6、建立血流速度的测量模型，获得多普勒频谱标准差和多普勒频谱频带展宽之间的关系，计算出散射颗粒流动速度的大小；

S7、对每次A扫描采集的光声信号重复步骤S4～S6，计算出测量区域内流动物体速度。

进一步的，步骤S4包括：

S41、对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，如下式：

其中，H表示希尔伯特变换，*表示卷积，p(t)表示A扫描采集的光声信号，表示希尔伯特变换后的信号，p(t)与正交；

S42、定义复函数，如下式：

进一步的，步骤S5中，所述多普勒频谱标准差的计算，如下式：

其中，S(ω)表示多普勒功率谱，表示平均多普勒角频率，表示第j次A扫描采集的光声信号的复函数，T表示相邻A扫描的时间间隔。

进一步的，步骤S6包括：

S61、多普勒频谱频带展宽是由探测光束的两条边缘光线引起的极限多普勒频移之差决定的，两条边缘光纤对应的平均多普勒频移为：

S62、联立式(4)和式(5)，推算出多普勒频谱频带展宽，如下式：

其中，B_d为多普勒频谱频带展宽，f₀为A扫描采集的光声信号的中心频率，c为超声波在介质中的传播速度，V为散射颗粒流动速度，θ为多普勒角，为有效数值孔径角，NA_eff为透镜的有效数值孔径；

S63、联立式(3)和式(6)，根据计算出散射颗粒流动速度V的大小，如下式：

进一步的，步骤S1中的激光波长为532nm。

进一步的，步骤S2中的激光波长1310nm。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

实现上述方法的全光学光声多普勒横向流速测量装置，所述装置包括光声信号探测源、光环行器、光纤耦合器、扫描延迟线、准直镜、光声信号激发源、二向色镜、光电二极管、光电平衡探测器、数字采集卡和计算机；

所述光声信号激发源采用第一激光器，所述光声信号激发源、二向色镜和准直镜依次连接，第一激光器发出的激光通过二向色镜和准直镜照射到被测物体上产生光声信号；

所述光环行器、光纤耦合器、扫描延迟线和准直镜构成迈克尔逊干涉仪，所述光声信号探测源采用第二激光器，所述光声信号探测源、光环行器和光纤耦合器依次连接，所述光纤耦合器分别与扫描延迟线和准直镜连接，第二激光器发出的激光光束依次通过光环行器、的光纤耦合器分成两束光：一束通过准直镜照射在被测物体上作为探测光，另一束通过扫描延迟线作为参考光，两束反射回来的光在光纤耦合器产生干涉，探测被测物体的光声信号；

所述光环行器和光纤耦合器分别与光电平衡探测器连接，所述二向色镜、光电二极管和数字采集卡依次连接；

所述光电平衡探测器、数字采集卡和计算机依次连接，光电平衡探测器将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后数字采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号存储到计算机。

进一步的，所述计算机内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明首先将数字采集卡采集到的光声信号进行希尔伯特变换，把实数信号拓展为复解析信号(即定义复函数)，然后进行多普勒频谱标准差的计算；接着联立多普勒频谱标准差公式和多普勒频谱频带展宽公式，将采集的光声信号的强度和物体流动的速度联系起来，通过相邻A扫描采集的光声信号之间的关联性来求出速度的大小，通过此方法可以解决多普勒角在90°时无法检测到速度的问题，通过相邻A扫描采集的光声信号之间关联性来计算速度，而不是用锁相来求光声信号频移来计算速度，简化了测量的方法。

2、本发明不依赖于超声探头，而是利用麦克尔逊干涉仪全光学的方法检测超声信号，实现流速的测量。

附图说明

图1为本发明实施例1的全光学光声多普勒横向流速测量装置的结构框图。

图2为本发明实施例1的全光学光声多普勒横向流速测量方法的流程图。

图3a～图3c为本发明实施例2的全光学光声多普勒横向流速测量方法在流体模拟试验中的测量结果图。

其中，1-光声信号探测源，2-光环行器，3-光纤耦合器，4-扫描延迟线，5-准直镜，6-光声信号激发源，7-二向色镜，8-被测物体，9-光电二极管，10-光电平衡探测器，11-数字采集卡，12-计算机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例的全光学光声多普勒横向流速测量装置包括光声信号探测源1、光环行器2、光纤耦合器3、扫描延迟线4、准直镜5、光声信号激发源6、二向色镜7、光电二极管9、光电平衡探测器10、数字采集卡11和计算机12。

所述光声信号激发源6采用第一激光器，所述光声信号激发源6、二向色镜7和准直镜5依次连接，第一激光器发出的激光通过二向色镜7和准直镜5照射到被测物体8上产生光声信号；其中，第一激光器发出的激光波长为532nm；

所述光环行器2、光纤耦合器3、扫描延迟线4和准直镜5构成迈克尔逊干涉仪，所述光声信号探测源1采用第二激光器，所述光声信号探测源1、光环行器2和光纤耦合器3依次连接，所述光纤耦合器3分别与扫描延迟线4和准直镜5连接，第二激光器发出的激光光束依次通过光环行器2、光纤耦合器3分成两束光：一束通过准直镜5照射在被测物体8上作为探测光，另一束通过扫描延迟线4作为参考光，两束反射回来的光在光纤耦合器3产生干涉，探测被测物体8的光声信号；其中，第二激光器发出的激光波长为1310nm，所述光纤耦合器3采用2*2光纤耦合器；

所述光环行器2和光纤耦合器3分别与光电平衡探测器10连接；所述二向色镜7、光电二极管9和数字采集卡11依次连接，做一个归一化处理(激光输出的能量不稳定)，作为能量校正；

所述光电平衡探测器10、数字采集卡11和计算机12依次连接，光电平衡探测器10将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后数字采集卡11对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号存储到计算机12；其中，所述数字采集卡11采用NI(NationalInstruments，美国国家仪器有限公司)的数字采集卡，所述计算机12内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。

如图2所示，本实施例还提供了一种全光学光声多普勒横向流速测量方法，该方法在上述装置的基础上实现，包括以下步骤：

S1、将波长为532nm的激光照射到被测物体上产生光声信号；

S2、将波长为1310nm激光光束通过迈克尔逊干涉仪来探测被测物体的光声信号；

S3、利用光电平衡探测器将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后利用数字采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号进行存储；

S4、对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，然后定义复函数，包括：

S41、对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，如下式：

其中，H表示希尔伯特变换，*表示卷积，p(t)表示A扫描采集的光声信号，表示希尔伯特变换后的信号，p(t)与正交；

S42、定义复函数，如下式：

S5、对A扫描采集的光声信号做多普勒频谱标准差的计算，如下式：

其中，S(ω)表示多普勒功率谱，表示平均多普勒角频率，表示第j次A扫描采集的光声信号的复函数，T表示相邻A扫描的时间间隔。

S6、建立血流速度的测量模型，获得多普勒频谱标准差和多普勒频谱频带展宽之间的关系，计算出散射颗粒流动速度的大小；

当运动的粒子以一定的角度穿越超声束时，除了产生多普勒频移f之外，同时还存在渡越时间的频谱拓宽效应：单一散射体散射回的信号不是单一的频率，其频谱被拓宽为B_d；

受到频谱展宽效应的影响，当波束和流速之间的夹角为90°时，测量的多普勒频移并不像通常所认为的是零，而是以零频率为中心对称的具有一定带宽的横向多普勒频谱；常规多普勒技术在波束和流速之间的夹角大于75°时，就无法检测到频率的移动，造成了测量的盲区，而横向多普勒技术可以在波束和流速之间的夹角在90°时测量多普勒频谱展宽来实现测速。

S61、多普勒频谱频带展宽是由探测光束的两条边缘光线引起的极限多普勒频移之差决定的，两条边缘光纤对应的平均多普勒频移为：

S62、联立式(4)和式(5)，推算出多普勒频谱频带展宽，如下式：

其中，B_d为多普勒频谱频带展宽，f₀为A扫描采集的光声信号的中心频率，c为超声波在介质中的传播速度，V为散射颗粒流动速度，θ为多普勒角，为有效数值孔径角，NA_eff为透镜的有效数值孔径；

S63、联立式(3)和式(6)，根据计算出散射颗粒流动速度V的大小，如下式：

S7、对每次A扫描采集的光声信号重复步骤S4～S6，计算出测量区域内流动物体速度。

S8、计算出测量区域内流动物体速度后结束流程。

本实施例的光声成像***不依赖于超声探头，而利用麦克尔逊干涉仪全光学的方法检测超声信号，实现流速的测量。

实施例2：

本实施例为具体的应用实例，532nm的激光器通过二向色镜和准直镜照射在被测物体上产生光声信号，1310nm的激光器发出的激光光束依次通过光环行器2、光纤耦合器分成两束光：一束通过准直镜照射在被测物体上作为探测光，另一束通过扫描延迟线作为参考光，两束反射回来的光在光纤耦合器产生干涉，探测被测物体的光声信号，最后通过计算机对光声信号分析计算得到测量区域内流动物体速度的大小。

以下为流体模拟实验：

被测的细管(管内径：300um，外径500um)内充以红色染色颗粒(直径5 0.4um；吸收峰值波长：512nm)，通过注射泵来控制颗粒在0-3mm/s(速度的间隔为0.5mm/s)范围内匀速流动，用532nm的激光器照射被测物体上产生光声信号，然后用1310nm的激光器来检测光声信号，通过光电平衡探测器将探测到的光声信号传送到计算机，并进行数据处理。

如图3a所示，为采集区域内的管内的成像截面图，通过对采集的光声信号做计算处理得到区域内的流速成像图如图3b所示，图3c为0-3mm/s(速度的间隔为0.5mm/s)范围内测量得到的液体速度和实际液体速度之间的关系图，其中散点值为实验室，直线代表理论值，从图像中可以看出，对于不同流速的液体，采用本实施例的方法测得的结果与理论值非常接近，因此可以看出本实施例的方法具有较高的准确度。

综上所述，本发明提供的全光学光声多普勒横向流速测量方法及装置，首先将测得光声信号做希尔伯特变换得到复函数，计算出多普勒频谱标准差；接着建立流速的测量模型，并将多普勒频谱标准差和多普勒展宽公式联系起来，以计算测量区域内流动物体速度。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.全光学光声多普勒横向流速测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、将激光照射到被测物体上产生光声信号；

S2、将激光光束通过迈克尔逊干涉仪来探测被测物体的光声信号；

S3、利用光电平衡探测器将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后利用数字采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号进行存储；

S4、对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，然后定义复函数；

S5、对A扫描采集的光声信号做多普勒频谱标准差的计算；

S6、建立血流速度的测量模型，获得多普勒频谱标准差和多普勒频谱频带展宽之间的关系，计算出散射颗粒流动速度的大小；

S7、对每次A扫描采集的光声信号重复步骤S4～S6，计算出测量区域内流动物体速度。

2.根据权利要求1所述的全光学光声多普勒横向流速测量方法，其特征在于：步骤S4包括：

S41、对A扫描采集的光声信号进行希尔伯特变换，如下式：

$\tilde{p}\left(t\right)=H\[p\left(t\right)\]=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}\frac{p\left(t\right)}{t-\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}=p\left(t\right)*\frac{1}{\mathrm{\π}t}---\left(1\right)$

其中，H表示希尔伯特变换，*表示卷积，p(t)表示A扫描采集的光声信号，表示希尔伯特变换后的信号，p(t)与正交；

S42、定义复函数，如下式：

$z\left(t\right)=p\left(t\right)+j\tilde{p}\left(t\right)---\left(2\right).$

3.根据权利要求1所述的全光学光声多普勒横向流速测量方法，其特征在于：步骤S5中，所述多普勒频谱标准差的计算，如下式：

其中，S(ω)表示多普勒功率谱，表示平均多普勒角频率，表示第j次A扫描采集的光声信号的复函数，T表示相邻A扫描的时间间隔。

4.根据权利要求3所述的全光学光声多普勒横向流速测量方法，其特征在于：步骤S6包括：

S61、多普勒频谱频带展宽是由探测光束的两条边缘光线引起的极限多普勒频移之差决定的，两条边缘光纤对应的平均多普勒频移为：

S62、联立式(4)和式(5)，推算出多普勒频谱频带展宽，如下式：

其中，B_d为多普勒频谱频带展宽，f₀为A扫描采集的光声信号的中心频率，c为超声波在介质中的传播速度，V为散射颗粒流动速度，θ为多普勒角，为有效数值孔径角，NA_eff为透镜的有效数值孔径；

S63、联立式(3)和式(6)，根据计算出散射颗粒流动速度V的大小，如下式：

$V=\frac{\mathrm{\λ}\mathrm{\σ}}{2{\mathrm{sin\θNA}}_{eff}}---\left(7\right).$

5.根据权利要求1-4任一项所述的全光学光声多普勒横向流速测量方法，其特征在于：步骤S1中的激光波长为532nm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的全光学光声多普勒横向流速测量方法，其特征在于：步骤S2中的激光波长1310nm。

7.实现权利要求1-6任一项所述方法的全光学光声多普勒横向流速测量装置，其特征在于：所述装置包括光声信号探测源、光环行器、光纤耦合器、扫描延迟线、准直镜、光声信号激发源、二向色镜、光电二极管、光电平衡探测器、数字采集卡和计算机；

所述光声信号激发源采用第一激光器，所述光声信号激发源、二向色镜和准直镜依次连接，第一激光器发出的激光通过二向色镜和准直镜照射到被测物体上产生光声信号；

所述光环行器、光纤耦合器、扫描延迟线和准直镜构成迈克尔逊干涉仪，所述光声信号探测源采用第二激光器，所述光声信号探测源、光环行器和光纤耦合器依次连接，所述光纤耦合器分别与扫描延迟线和准直镜连接，第二激光器发出的激光光束依次通过光环行器、的光纤耦合器分成两束光：一束通过准直镜照射在被测物体上作为探测光，另一束通过扫描延迟线作为参考光，两束反射回来的光在光纤耦合器产生干涉，探测被测物体的光声信号；

所述光环行器和光纤耦合器分别与光电平衡探测器连接，所述二向色镜、光电二极管和数字采集卡依次连接；

所述光电平衡探测器、数字采集卡和计算机依次连接，光电平衡探测器将激光探测到的干涉信号转化成电信号，然后数字采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号存储到计算机。

8.根据权利要求7所述的所述的全光学光声多普勒横向流速测量装置，其特征在于：所述计算机内有LABVIEW数据采集控制平台和图像重建的MATLAB程序。