本发明公开一种同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法及装置。本发明通过将一束激光垂直于超声波的传播方向照明该超声波在液态介质中形成的动态超声位相光栅，其衍射光在透镜的像面上形成动态超声位相光栅的衍射频谱；将混合光电二极管阵列探测器设置在透镜的像面处，记录衍射频谱出现的方向、1级衍射光强及相邻衍射频谱之间的距离；通过数据的处理，得到被测超声波的传播方向、声强及频率。该装置包括光源、光纤、透镜、透镜座、平板玻璃、混合光电二极管阵列探测器、探测器座、驱动及扫描放大电路和计算机；光纤的出光端口、透镜、平板玻璃、探测器依次排列，探测器设置在透镜的成像面上，驱动及扫描放大电路分别与探测器和计算机连接。
1.一种同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将一束激光垂直于超声波的传播方向照明该超声波在液态介质中形成的动态超声位相光栅，其衍射光在透镜的像面上形成动态超声位相光栅的衍射频谱；
(2)将混合光电二极管阵列探测器设置在透镜的像面处，记录衍射频谱出现的方向、1级衍射光强及相邻衍射频谱之间的距离；
(3)通过数据的处理及分析，得到被测超声波的传播方向、声强及频率；
步骤(2)中所述的混合光电二极管阵列探测器的结构如下：混合光电二极管阵列探测器的受光平面为圆形，分三区：左半圆由不同半径的半环形光电二极管阵列组成；右半圆由依次排列的扇形光电二极管阵列组成，中心光电二极管为一只独立光电二极管；
步骤(3)中所述的被测超声波的传播方向依据衍射频谱出现的方向即可判断得到；
步骤(3)中所述的被测超声波的声强通过式(A)计算得到：
In为动态超声位相光栅的衍射频谱n级的光强，P为被测超声波的声强；
步骤(3)中所述的被测超声波的频率通过0级频谱与1级频谱之间的距离x由式(B)确定：x∝f (B)；
2.根据权利要求1所述的同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法，其特征在于：步骤(1)中所述的激光为从光纤端口发射且通过透镜的激光；
3.根据权利要求1所述的同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法，其特征在于：所述的半环形光电二极管中相邻的半环形光电二极管的半径差为5～15微米；
所述的扇形光电二极管为顶角是1～3°的扇形光电二极管；
所述的中心光电二极管的受光区为直径100～200微米的正圆形，表面镀有减光膜。
4.一种同时测量超声波方向、声强及频率的装置，是依据权利要求1～3任一项所述的测量超声波方向、声强及频率的光学方法设计得到，其特征在于：包括光源、光纤、透镜、透镜座、平板玻璃、混合光电二极管阵列探测器、探测器座、驱动及扫描放大电路和计算机；其中，光源与光纤的一端连接；沿着光束前进方向，光纤的出光端口、透镜、平板玻璃、混合光电二极管阵列探测器依次排列，光纤的出光端口、透镜、平板玻璃和混合光电二极管阵列探测器共轴，混合光电二极管阵列探测器设置在透镜的成像面上，驱动及扫描放大电路分别与混合光电二极管阵列探测器和计算机连接；透镜座为中空结构，一个面上设置光纤通过的孔洞，另一个面设置用于放置透镜的结构，透镜座、光纤和透镜形成一个密闭防水的空间；探测器座为中空结构，在其中一个面上设置用于放置平板玻璃的结构，探测器座和平板玻璃形成另一个密闭防水的空间，混合光电二极管阵列探测器位于该空间内；
所述的混合光电二极管阵列探测器的结构如下：混合光电二极管阵列探测器的受光平面为圆形，分三区：左半圆由不同半径的半环形光电二极管阵列组成；右半圆由依次排列的扇形光电二极管阵列组成，中心光电二极管为一只独立光电二极管。
5.根据权利要求4所述的同时测量超声波方向、声强及频率的装置，其特征在于：所述的半环形光电二极管中相邻的半环形光电二极管的半径差为5～15微米；
所述的扇形光电二极管为顶角是1～3°的扇形光电二极管；
所述的中心光电二极管的受光区为直径100～200微米的正圆形，表面镀有减光膜。
6.根据权利要求4所述的同时测量超声波方向、声强及频率的装置，其特征在于：所述的光源为波长为532nm、635nm、650nm、780nm或808nm的连续半导体激光器；
所述的透镜座和所述的探测器座通过二根细柱相连固定，其连线方向与混合光电二极管阵列探测器的半圆交界线一致。
7.根据权利要求4～6任一项所述的同时测量超声波方向、声强及频率的装置，其特征在于：还包括防水套、防水垫圈A和防水垫圈B；防水套设置在光纤和透镜座之间，其包裹住光纤；防水垫圈A设置在透镜和透镜座之间，防水垫圈B设置在平板玻璃和探测器座之间。
8.权利要求4～7任一项所述的同时测量超声波方向、声强及频率的装置的使用方法，其特征在于包括如下步骤：(1)调整装置：调整光纤的端口、透镜、平板玻璃及混合光电二极管阵列探测器共轴，使混合光电二极管阵列探测器的受光面位于光纤的端口的成像面上，微调其位置，使混合光电二极管阵列探测器的中心二极管输出最大；
(2)定标：将调整好的装置封装及防水处理，再置于水中，使用已知频率及声强的超声波垂直于光轴方向照射，对混合光电二极管阵列探测器中的每个二极管分别进行声强及频率定标；混合光电二极管阵列探测器的左半圆对超声的强度及频率进行测量，右半圆对超声传播方向进行判断；混合光电二极管阵列探测器输出信号经计算机处理后，实现对超声波的传播方向、声强及其频率的同时测量；
(3)测量：定标后的装置即可对待测定的超声波的传播方向、声强及其频率进行同时测量。
一种同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于光学测量与计量技术领域，特别涉及一种同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法及装置。
背景技术
[0002] 探测液体中超声传播方向、声强及频率大小，对于水下声源定位和声源信号定量分析具有重要的实用价值。目前，对水下声源的传播方向的定位装置和测量声强大小装置主要以电学、电磁学方法为主，如动圈式、静电式、可变磁阻式、磁致伸缩式及压电式等水声器或超声探测器。超声引起电路中相关电学量变化，再根据电学量与声压的关系测量得出声压或声强大小。基于电学或电磁学的测量方法或单个装置，在判断声源方向时较为困难，需要分多方位综合探测或阵列器件(装置)才能确定声源的具体方向及位置；还存在容易受电磁干扰、灵敏度低及抗冲击性能不佳等不足。另外，基于光学方法测量超声波声压或声强的方法，主要是根据光学干涉原理，其结构一般较为复杂，往往需要双光分束或者多光束，成本较高，单个器件往往难以实时迅速判断声源方向。水下声纳光纤阵列探测系统是当前较为实用的水声强度测量及定位系统。
[0003] 申请号为201510860847.1、发明名称为“一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及应用”的专利申请基于光的衍射原理，利用0级衍射，提出一种测量水中声强方法，但不能同时测量超声传播方向及频率，装置结构也相对复杂。
发明内容
[0004] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法。
[0005] 本发明的另一目的在于提供实现一种同时测量超声波方向、声强及频率的装置，是依据上述测量超声波方向、声强及频率的光学方法设计得到。
[0006] 本发明的再一目的在于提供所述同时测量超声波方向、声强及频率的装置的应用。
[0007] 本发明的目的通过下述技术方案实现：一种同时测量超声波方向、声强及频率的光学方法，包括如下步骤：
[0008] (1)将一束激光垂直于超声波的传播方向照明该超声波在液态介质中形成的动态超声位相光栅，其衍射光在透镜的像面上形成动态超声位相光栅的衍射频谱；
[0009] (2)将混合光电二极管阵列探测器设置在透镜的像面处，记录衍射频谱出现的方向、1级衍射光强及相邻衍射频谱(极大点)之间的距离；
[0010] (3)通过数据的处理及分析，得到被测超声波的传播方向、声强及频率。
[0011] 步骤(1)中所述的激光优选为从光纤端口发射且通过透镜的激光。
[0012] 所述的透镜优选为凸透镜。
[0013] 步骤(2)中所述的混合光电二极管阵列探测器的结构如下：混合光电二极管阵列探测器的受光平面为圆形，分三区：左半圆由不同半径的半环形光电二极管阵列组成；右半圆由依次排列的扇形光电二极管阵列组成，中心光电二极管为一只独立光电二极管。
[0014] 所述的半环形光电二极管中相邻的半环形光电二极管的半径差优选为5～15微米。
[0015] 所述的扇形光电二极管优选为顶角是1～3°的扇形光电二极管。
[0016] 所述的中心光电二极管的受光区为直径100～200微米的正圆形，表面镀有减光膜。该中心光电二极管起光束对中作用，用于确定混合光电二极管阵列探测器中心严格位于光轴上，与0级衍射光谱重合。
[0017] 步骤(3)中所述的被测超声波的传播方向依据衍射频谱出现的方向即可判断得到，即被测超声波的传播方向与衍射频谱出现的方向相同。
[0018] 步骤(3)中所述的被测超声波的声强通过式(A)计算得到：
[0019] In∝P (A)；
[0020] In为动态超声位相光栅的衍射频谱n级的光强，P为被测超声波的声强。
[0021] 步骤(3)中所述的被测超声波的频率通过0级频谱与1级频谱之间的距离x由式(B)确定：
[0022] x∝f (B)；
[0023] x与超声频率f成正比。
[0024] 步骤(3)中还包括定标步骤，具体如下：使用标准的超声波强度探测器测量超声波强度P，改变不同的超声波强度，实验得到本方法的+1级或-1级衍射光谱强度In与P的关系或曲线，实现超声波声强的定标。
[0025] 一种同时测量超声波方向、声强及频率的装置，是依据上述测量超声波方向、声强及频率的光学方法设计得到，包括光源、光纤、透镜、透镜座、平板玻璃、混合光电二极管阵列探测器、探测器座、驱动及扫描放大电路和计算机；其中，光源与光纤的一端连接；沿着光束前进方向，光纤的出光端口、透镜、平板玻璃、混合光电二极管阵列探测器依次排列，光纤的出光端口、透镜、平板玻璃和混合光电二极管阵列探测器共轴，混合光电二极管阵列探测器设置在透镜的成像面上，驱动及扫描放大电路分别与混合光电二极管阵列探测器和计算机连接；透镜座为中空结构，一个面上设置光纤通过的孔洞，另一个面设置用于放置透镜的结构，透镜座、光纤和透镜形成一个密闭防水的空间；探测器座为中空结构，在其中一个面上设置用于放置平板玻璃的结构，探测器座和平板玻璃形成另一个密闭防水的空间，混合光电二极管阵列探测器位于该空间内；
[0026] 所述的混合光电二极管阵列探测器的结构如下：混合光电二极管阵列探测器的受光平面为圆形，分三区：左半圆由不同半径的半环形光电二极管阵列组成；右半圆由依次排列的扇形光电二极管阵列组成，中心光电二极管为一只独立光电二极管。
[0027] 所述的半环形光电二极管中相邻的半环形光电二极管的半径差优选为5～15微米。
[0028] 所述的扇形光电二极管优选为顶角是1～3°的扇形光电二极管。
[0029] 所述的中心光电二极管的受光区为直径100～200微米的正圆形，表面镀有减光膜。该中心光电二极管起光束对中作用，用于确定混合光电二极管阵列探测器中心严格位于光轴上，与0级衍射光谱重合。
[0030] 为了防水效果更好，所述的同时测量超声波方向、声强及频率的装置，还包括防水套、防水垫圈A和防水垫圈B；防水套设置在光纤和透镜座之间，其包裹住光纤；防水垫圈A设置在透镜和透镜座之间，防水垫圈B设置在平板玻璃和探测器座之间。
[0031] 所述的透镜座和所述的探测器座优选为通过二根细柱相连固定，其连线方向与混合光电二极管阵列探测器的半圆交界线一致。
[0032] 所述的光源可为各种小功率半导体激光器，如波长为532、635、650或780、808nm等的连续半导体激光器。
[0033] 所述的光纤优选为多模石英光纤或塑料光纤。
[0034] 所述的光纤优选为设置在光纤套内，从而光纤能够得到更好的保护。
[0035] 所述的透镜为凸透镜，优选为玻璃材质的凸透镜或纤维材质的凸透镜。
[0036] 所述的同时测量超声波方向、声强及频率的装置的使用方法，包括如下步骤：
[0037] (1)调整装置：调整光纤的端口、透镜、平板玻璃及混合光电二极管阵列探测器共轴，使混合光电二极管阵列探测器的受光面位于光纤的端口的成像面上，微调其位置，使混合光电二极管阵列探测器的中心二极管输出最大；
[0038] (2)定标：将调整好的装置封装及防水处理，再置于水中，使用已知频率及声强的超声波垂直于光轴方向照射，对混合光电二极管阵列探测器中的每个二极管分别进行声强及频率定标；混合光电二极管阵列探测器的左半圆对超声的强度及频率进行测量，右半圆对超声传播方向进行判断；混合光电二极管阵列探测器输出信号经计算机处理后，实现对超声波的传播方向、声强及其频率的同时测量；
[0039] (3)测量：定标后的装置即可对待测定的超声波的传播方向、声强及其频率进行同时测量。
[0040] 本发明的原理：超声波作为纵波，在液态介质中传播过程时会引起液态介质折射率的周期性变化，形成了动态的超声位相光栅。当光沿超声波传播方向垂直照射时，会在超声传播方向的透镜像面上产生一系列的衍射光极大点，即衍射频谱。如图1所示，沿X、Y及45°方向传播的超声波在像面的各方向上出现衍射频谱，其光强能量分布主要集中在0级及±1级。确定频谱出现的方向，就可以判断超声的传播方向。
[0041] 根据光栅的衍射理论，动态超声位相光栅衍射频谱n级的光强度为
[0042] In＝J2n(δφm) (1)
[0043] 式中n为衍射等级，取0、1、2……等整数，δφm为超声引起的位相变化幅值。当取n＝1(即对应于1级衍射频谱)时，其光强In与δφm关系分布如图2所示。可知，1级衍射频谱光强与位相变化幅值成正比。当0.1π<δφm<0.5π时，In与δφm关系可近似看做线性关系。即，[0044] In∝δφm (2)
[0045] 由于光栅位相变化幅值与超声波声强P成正比，有
[0046] δφm∝P (3)
[0047] 由式(1)、(2)和(3)可知，
[0048] In∝P (4)
[0049] 即得通过探测+1级或-1级衍射光谱强度，可得到超声波声强。式(4)的具体形式或比例系数可以通过实验定标。使用标准的超声波强度探测器测量超声波强度P，改变不同的超声波强度，实验得到本方法的+1级或-1级衍射光谱强度In与P的关系或曲线。实现超声波声强的定标。
[0050] 另外，0级频谱与1级频谱之间的距离x与超声频率f成正比，由式(5)描述：
[0051] x∝f (5)
[0052] 其具体的函数关系也很容易通过系统参数，如光纤出光端口与透镜的距离、透镜焦距及激光波长等确定。因此，也可以测量x来得到超声的频率f。
[0053] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0054] (1)本发明提供的方法和单个装置可以实现超声方向、声强及其频率的同时测量或探测。
[0055] (2)本发明提供的单个装置可以同时进行多束超声强度探测，容易实现多路不同方向的保密通信或多超声源的探测。
[0056] (3)本发明提供的单个装置不需扫描就能实现声源方向的判断，数据处理简单快速，适合实时测量。
[0057] (4)本发明提供的装置成本低、结构简单，容易实现小型化或微型化。
附图说明
[0058] 图1是超声波传播方向与超声位相光栅衍射频谱的关系图。
[0059] 图2是超声位相光栅1级衍射强度与相位变化幅值的关系图。
[0060] 图3是本发明提供的装置的一种典型结构示意图。
[0061] 图4是透镜座与探测器座的连接截面示意图。
[0062] 图5是混合光电二极管阵列探测器受光面的光电二极管分布示意图。
[0063] 其中，1-光源、2-光纤、3-防水套、4-紧固螺圈、5-透镜、6-防水垫圈、7-防水垫圈、8-平板玻璃、、9-紧固螺圈10-混合光电二极管阵列探测器、11-驱动及扫描放大电路、12-透镜座、13-探测器座、14-防水电缆、15-计算机。
具体实施方式
[0064] 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。
[0065] 实施例1
[0066] 一种同时测量超声波方向、声强及频率的装置，如图3所示，包括光源1、光纤2、防水套3、紧固螺圈4、透镜5、防水垫圈6、防水垫圈7、平板玻璃8、紧固螺圈9、混合光电二极管阵列探测器10、驱动及扫描放大电路11、透镜座12、探测器座13、防水电缆14及计算机15。光源1与光纤2的一端连接；沿着光束前进方向，光纤2的出光端口、透镜5、平板玻璃8、混合光电二极管阵列探测器10依次排列，光纤2的出光端口、透镜5、平板玻璃8和混合光电二极管阵列探测器10共轴，混合光电二极管阵列探测器10设置在透镜5的成像面上，驱动及扫描放大电路11分别与混合光电二极管阵列探测器10和计算机15连接，防水电缆14设置在驱动及扫描放大电路11与计算机15之间；透镜座12为中空结构，一个面上设置光纤2通过的孔洞，另一个面设置用于放置透镜5的结构，透镜座12、光纤2和透镜5形成一个密闭防水的空间；探测器座13为中空结构，在其中一个面上设置用于放置平板玻璃8的结构，探测器座13和平板玻璃8形成另一个密闭防水的空间，混合光电二极管阵列探测器10位于该空间内；防水套
3设置在光纤2和透镜座12之间，其包裹住光纤2，防止装置渗水；防水垫圈6设置在透镜5和透镜座12之间，防水垫圈7设置在平板玻璃8和探测器座13之间。
[0067] 光源1可为各种带光纤的小功率半导体激光器，如波长为532、635、650或780、808nm等的连续半导体激光器；光纤2首选多模石英或塑料光纤，并在光纤2外面加一层光纤套其保护作用；透镜5可选择玻璃或纤维材料的凸透镜；透镜座12及探测器座13可以设计为圆柱状，采用不锈钢、铜、铝等金属材料加工，表面发黑处理；透镜座12及探测器座13采用二根细柱相连固定，其连线方向与混合光电二极管阵列探测器10的半圆交界线一致，以免干扰超声波的传播。二根细柱横截面如图4所示；
[0068] 混合光电二极管阵列探测器10的结构组成示意图如图5所示。该光电二极管阵列受光平面分三区：左半圆由不同半径的半环形光电二极管阵列组成；右半圆由依次排列的扇形光电二极管阵列组成，中心光电二极管为一个独立光电二极管。独立中心光电二极管(阴影区)起光束对中作用，用于确定混合光电二极管阵列探测器10中心严格位于光轴上，与0级衍射光谱重合。中心光电二极管半径取100～200微米，表面镀有减光膜；相邻半环形光电二极管半径差取5～15微米，半径差越小，测量频率的精度越高；每个扇形光电二极管顶角取1～3°，顶角越小，测量超声波方向精度越高。所有光电二极管依次排列连接，通过驱动及扫描放大电路11实现二极管的电压信号串行输出。每个光电二极管的光电特性必须独立定标，才能用于装配。驱动及扫描放大电路11配合混合光电二极管阵列探测器10的结构而设计制作，要考虑光电二极管阵列的数量及其具体结构形式，该电路具有供电、信号滤波、放大及时序扫描等功能。
[0069] 本发明装置的调整装配及定标过程为：调整光纤2的端口、透镜5、平板玻璃8及混合光电二极管阵列探测器10共轴，使探测器10受光面位于端口的成像面上，微调其位置，使混合光电二极管阵列探测器10的中心二极管输出最大，这时装置已经调整到位；最后把装置封装及防水处理。把本装置置于水中，使用已知频率及声强的超声波垂直于光轴方向照射，对混合光电二极管阵列探测器10中的每个二极管分别进行声强及频率定标。探测器10的左半圆对超声的强度及频率进行测量，右半圆对超声传播方向进行判断。探测器10输出信号经计算机15处理后，实现对超声波的传播方向、声强及其频率的同时测量。
[0070] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
