本發明涉及一種流速測量方法及裝置，尤其是一種全光學光聲多普勒橫向流速測量方法及裝置，屬于光聲流速測量領域。

背景技術：

當波源與觀察者的相對位置發生變化時，觀察者接收到波的頻率也會發生變化，這種現象叫做多普勒效應。自19世紀Christian Doppler發現多普勒效應以后，多普勒技術一直以來受到人們的持續的關注，先后發現了超聲多普勒技術、激光多普勒技術和光聲多普勒技術，在測速領域得到了廣泛的應用。而光聲多普勒技術作為一種新型的測速手段，光聲多普勒測量流速彌補超聲多普勒對低流速不敏感和激光多普勒的測量深度不足的缺陷。光聲多普勒技術是在光聲轉化的基礎上發展而來的，當物質吸收了調制的光能，因吸收的光能導致吸收體局部瞬間產生溫升，從而導致媒質因熱脹冷縮產生超聲信號，如果吸收體是運動的，由于多普勒效應，探測到的超聲信號也會發生頻率的移動，通過對采集到的信號多普勒頻移的運算，進而得到吸收體的運動速度，該技術兼具了超聲多普勒測速的測量深度和激光多普勒測速精確度的優點。光聲多普勒血流速度的測量提供了豐富的生理、病理信息及代謝功能等信息，在生物醫學領域具有廣闊的應用前景。

超聲多普勒測速技術因測量深度較深和速度較大，目前主要應用于管脈成像，特別是動脈血管這種深層高速的測量，而對毛細血管內的低速流速超聲多普勒測速技術就不敏感。而激光多普勒測速技術主要是依賴光的散射來實現測速的，因為光透過生物組織時受到生物組織的吸收，光能迅速的減少，所以激光多普勒測速技術主要應用于表皮的高反射的生物組織內血流的測量。測量低反射、深層組織處的微循環血流速度時，超聲多普勒測速技術和激光多普勒測速技術都不能很好的實現，而血液中應包含有豐富的血紅細胞，可以通過對運動的血紅細胞對光的吸收產生光聲多普勒效應來實現低反射、深層組織處的微循環血流速度的測量。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種全光學光聲多普勒橫向流速測量方法。

本發明的另一目的在于提供一種實現上述方法的全光學光聲多普勒橫向流速測量裝置。

本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到：

全光學光聲多普勒橫向流速測量方法，所述方法包括以下步驟：

S1、將激光照射到被測物體上產生光聲信號；

S2、將激光光束通過邁克爾遜干涉儀來探測被測物體的光聲信號；

S3、利用光電平衡探測器將激光探測到的干涉信號轉化成電信號，然后利用數字采集卡對轉化成的電信號進行采集，將采集到的光聲信號進行存儲；

S4、對A掃描采集的光聲信號進行希爾伯特變換，然后定義復函數；

S5、對A掃描采集的光聲信號做多普勒頻譜標準差的計算；

S6、建立血流速度的測量模型，獲得多普勒頻譜標準差和多普勒頻譜頻帶展寬之間的關系，計算出散射顆粒流動速度的大??；

S7、對每次A掃描采集的光聲信號重復步驟S4～S6，計算出測量區域內流動物體速度。

進一步的，步驟S4包括：

S41、對A掃描采集的光聲信號進行希爾伯特變換，如下式：

其中，H表示希爾伯特變換，*表示卷積，p(t)表示A掃描采集的光聲信號，表示希爾伯特變換后的信號，p(t)與正交；

S42、定義復函數，如下式：

進一步的，步驟S5中，所述多普勒頻譜標準差的計算，如下式：

其中，S(ω)表示多普勒功率譜，表示平均多普勒角頻率，表示第j次A掃描采集的光聲信號的復函數，T表示相鄰A掃描的時間間隔。

進一步的，步驟S6包括：

S61、多普勒頻譜頻帶展寬是由探測光束的兩條邊緣光線引起的極限多普勒頻移之差決定的，兩條邊緣光纖對應的平均多普勒頻移為：

S62、聯立式(4)和式(5)，推算出多普勒頻譜頻帶展寬，如下式：

其中，B_d為多普勒頻譜頻帶展寬，f₀為A掃描采集的光聲信號的中心頻率，c為超聲波在介質中的傳播速度，V為散射顆粒流動速度，θ為多普勒角，為有效數值孔徑角，NA_eff為透鏡的有效數值孔徑；

S63、聯立式(3)和式(6)，根據計算出散射顆粒流動速度V的大小，如下式：

進一步的，步驟S1中的激光波長為532nm。

進一步的，步驟S2中的激光波長1310nm。

本發明的另一目的可以通過采取如下技術方案達到：

實現上述方法的全光學光聲多普勒橫向流速測量裝置，所述裝置包括光聲信號探測源、光環行器、光纖耦合器、掃描延遲線、準直鏡、光聲信號激發源、二向色鏡、光電二極管、光電平衡探測器、數字采集卡和計算機；

所述光聲信號激發源采用第一激光器，所述光聲信號激發源、二向色鏡和準直鏡依次連接，第一激光器發出的激光通過二向色鏡和準直鏡照射到被測物體上產生光聲信號；

所述光環行器、光纖耦合器、掃描延遲線和準直鏡構成邁克爾遜干涉儀，所述光聲信號探測源采用第二激光器，所述光聲信號探測源、光環行器和光纖耦合器依次連接，所述光纖耦合器分別與掃描延遲線和準直鏡連接，第二激光器發出的激光光束依次通過光環行器、的光纖耦合器分成兩束光：一束通過準直鏡照射在被測物體上作為探測光，另一束通過掃描延遲線作為參考光，兩束反射回來的光在光纖耦合器產生干涉，探測被測物體的光聲信號；

所述光環行器和光纖耦合器分別與光電平衡探測器連接，所述二向色鏡、光電二極管和數字采集卡依次連接；

所述光電平衡探測器、數字采集卡和計算機依次連接，光電平衡探測器將激光探測到的干涉信號轉化成電信號，然后數字采集卡對轉化成的電信號進行采集，將采集到的光聲信號存儲到計算機。

進一步的，所述計算機內有LABVIEW數據采集控制平臺和圖像重建的MATLAB程序。

本發明相對于現有技術具有如下的有益效果：

1、本發明首先將數字采集卡采集到的光聲信號進行希爾伯特變換，把實數信號拓展為復解析信號(即定義復函數)，然后進行多普勒頻譜標準差的計算；接著聯立多普勒頻譜標準差公式和多普勒頻譜頻帶展寬公式，將采集的光聲信號的強度和物體流動的速度聯系起來，通過相鄰A掃描采集的光聲信號之間的關聯性來求出速度的大小，通過此方法可以解決多普勒角在90°時無法檢測到速度的問題，通過相鄰A掃描采集的光聲信號之間關聯性來計算速度，而不是用鎖相來求光聲信號頻移來計算速度，簡化了測量的方法。

2、本發明不依賴于超聲探頭，而是利用麥克爾遜干涉儀全光學的方法檢測超聲信號，實現流速的測量。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的全光學光聲多普勒橫向流速測量裝置的結構框圖。

圖2為本發明實施例1的全光學光聲多普勒橫向流速測量方法的流程圖。

圖3a～圖3c為本發明實施例2的全光學光聲多普勒橫向流速測量方法在流體模擬試驗中的測量結果圖。

其中，1-光聲信號探測源，2-光環行器，3-光纖耦合器，4-掃描延遲線，5-準直鏡，6-光聲信號激發源，7-二向色鏡，8-被測物體，9-光電二極管，10-光電平衡探測器，11-數字采集卡，12-計算機。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。

實施例1：

如圖1所示，本實施例的全光學光聲多普勒橫向流速測量裝置包括光聲信號探測源1、光環行器2、光纖耦合器3、掃描延遲線4、準直鏡5、光聲信號激發源6、二向色鏡7、光電二極管9、光電平衡探測器10、數字采集卡11和計算機12。

所述光聲信號激發源6采用第一激光器，所述光聲信號激發源6、二向色鏡7和準直鏡5依次連接，第一激光器發出的激光通過二向色鏡7和準直鏡5照射到被測物體8上產生光聲信號；其中，第一激光器發出的激光波長為532nm；

所述光環行器2、光纖耦合器3、掃描延遲線4和準直鏡5構成邁克爾遜干涉儀，所述光聲信號探測源1采用第二激光器，所述光聲信號探測源1、光環行器2和光纖耦合器3依次連接，所述光纖耦合器3分別與掃描延遲線4和準直鏡5連接，第二激光器發出的激光光束依次通過光環行器2、光纖耦合器3分成兩束光：一束通過準直鏡5照射在被測物體8上作為探測光，另一束通過掃描延遲線4作為參考光，兩束反射回來的光在光纖耦合器3產生干涉，探測被測物體8的光聲信號；其中，第二激光器發出的激光波長為1310nm，所述光纖耦合器3采用2*2光纖耦合器；

所述光環行器2和光纖耦合器3分別與光電平衡探測器10連接；所述二向色鏡7、光電二極管9和數字采集卡11依次連接，做一個歸一化處理(激光輸出的能量不穩定)，作為能量校正；

所述光電平衡探測器10、數字采集卡11和計算機12依次連接，光電平衡探測器10將激光探測到的干涉信號轉化成電信號，然后數字采集卡11對轉化成的電信號進行采集，將采集到的光聲信號存儲到計算機12；其中，所述數字采集卡11采用NI(National Instruments，美國國家儀器有限公司)的數字采集卡，所述計算機12內有LABVIEW數據采集控制平臺和圖像重建的MATLAB程序。

如圖2所示，本實施例還提供了一種全光學光聲多普勒橫向流速測量方法，該方法在上述裝置的基礎上實現，包括以下步驟：

S1、將波長為532nm的激光照射到被測物體上產生光聲信號；

S2、將波長為1310nm激光光束通過邁克爾遜干涉儀來探測被測物體的光聲信號；

S3、利用光電平衡探測器將激光探測到的干涉信號轉化成電信號，然后利用數字采集卡對轉化成的電信號進行采集，將采集到的光聲信號進行存儲；

S4、對A掃描采集的光聲信號進行希爾伯特變換，然后定義復函數，包括：

S41、對A掃描采集的光聲信號進行希爾伯特變換，如下式：

其中，H表示希爾伯特變換，*表示卷積，p(t)表示A掃描采集的光聲信號，表示希爾伯特變換后的信號，p(t)與正交；

S42、定義復函數，如下式：

S5、對A掃描采集的光聲信號做多普勒頻譜標準差的計算，如下式：

其中，S(ω)表示多普勒功率譜，表示平均多普勒角頻率，表示第j次A掃描采集的光聲信號的復函數，T表示相鄰A掃描的時間間隔。

S6、建立血流速度的測量模型，獲得多普勒頻譜標準差和多普勒頻譜頻帶展寬之間的關系，計算出散射顆粒流動速度的大??；

當運動的粒子以一定的角度穿越超聲束時，除了產生多普勒頻移f之外，同時還存在渡越時間的頻譜拓寬效應：單一散射體散射回的信號不是單一的頻率，其頻譜被拓寬為B_d；

受到頻譜展寬效應的影響，當波束和流速之間的夾角為90°時，測量的多普勒頻移并不像通常所認為的是零，而是以零頻率為中心對稱的具有一定帶寬的橫向多普勒頻譜；常規多普勒技術在波束和流速之間的夾角大于75°時，就無法檢測到頻率的移動，造成了測量的盲區，而橫向多普勒技術可以在波束和流速之間的夾角在90°時測量多普勒頻譜展寬來實現測速。

S61、多普勒頻譜頻帶展寬是由探測光束的兩條邊緣光線引起的極限多普勒頻移之差決定的，兩條邊緣光纖對應的平均多普勒頻移為：

S62、聯立式(4)和式(5)，推算出多普勒頻譜頻帶展寬，如下式：

其中，B_d為多普勒頻譜頻帶展寬，f₀為A掃描采集的光聲信號的中心頻率，c為超聲波在介質中的傳播速度，V為散射顆粒流動速度，θ為多普勒角，為有效數值孔徑角，NA_eff為透鏡的有效數值孔徑；

S63、聯立式(3)和式(6)，根據計算出散射顆粒流動速度V的大小，如下式：

S7、對每次A掃描采集的光聲信號重復步驟S4～S6，計算出測量區域內流動物體速度。

S8、計算出測量區域內流動物體速度后結束流程。

本實施例的光聲成像系統不依賴于超聲探頭，而利用麥克爾遜干涉儀全光學的方法檢測超聲信號，實現流速的測量。

實施例2：

本實施例為具體的應用實例，532nm的激光器通過二向色鏡和準直鏡照射在被測物體上產生光聲信號，1310nm的激光器發出的激光光束依次通過光環行器2、光纖耦合器分成兩束光：一束通過準直鏡照射在被測物體上作為探測光，另一束通過掃描延遲線作為參考光，兩束反射回來的光在光纖耦合器產生干涉，探測被測物體的光聲信號，最后通過計算機對光聲信號分析計算得到測量區域內流動物體速度的大小。

以下為流體模擬實驗：

被測的細管(管內徑：300um，外徑500um)內充以紅色染色顆粒(直徑5 0.4um；吸收峰值波長：512nm)，通過注射泵來控制顆粒在0-3mm/s(速度的間隔為0.5mm/s)范圍內勻速流動，用532nm的激光器照射被測物體上產生光聲信號，然后用1310nm的激光器來檢測光聲信號，通過光電平衡探測器將探測到的光聲信號傳送到計算機，并進行數據處理。

如圖3a所示，為采集區域內的管內的成像截面圖，通過對采集的光聲信號做計算處理得到區域內的流速成像圖如圖3b所示，圖3c為0-3mm/s(速度的間隔為0.5mm/s)范圍內測量得到的液體速度和實際液體速度之間的關系圖，其中散點值為實驗室，直線代表理論值，從圖像中可以看出，對于不同流速的液體，采用本實施例的方法測得的結果與理論值非常接近，因此可以看出本實施例的方法具有較高的準確度。

綜上所述，本發明提供的全光學光聲多普勒橫向流速測量方法及裝置，首先將測得光聲信號做希爾伯特變換得到復函數，計算出多普勒頻譜標準差；接著建立流速的測量模型，并將多普勒頻譜標準差和多普勒展寬公式聯系起來，以計算測量區域內流動物體速度。

以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明專利所公開的范圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都屬于本發明專利的保護范圍。