振动样品内部反射点的微小振幅测量方法
【专利摘要】本发明提供一种振动样品内部反射点的微小振幅测量方法。利用线阵ccd以采样频率f0、n次采集弱相干光的m个子相干光的光强信号；对子相干光的光强信号进行傅立叶变换以获取m个、分别对应光强信号的子干涉光信号，且m个子干涉光信号还与样品内不同深度的m个位置点一一对应；将子干涉光信号对应的光强信号与第一阈值比较，当其大于所述第一阈值时，判定第l个子干涉光信号对应的第l个位置点为反射点，根据第l个子干涉光信号获取反射点的振动相位信息；对反射点的振动相位信息进行二次傅立叶变换以获取反射点的振动信号，并根据振动信号获取反射点振动的振幅。本发明提供的方法可测量样品内部的微小振幅，提高了对样品质量检测的准确性。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学检测技术，尤其涉及一种振动样品内部反射点的微小振幅测量方 法。 振动样品内部反射点的微小振幅测量方法
【背景技术】
[0002] 压电陶瓷作为一种新型材料已广泛应用于电子、光学、精密机械及引燃引爆等各 个领域。交变电场作用下，压电陶瓷元件会产生微小的机械振动，测量这种极化后的压电陶 瓷的机械振动的振幅及频率可以实现对其质量的检测，也是进一步研究压电陶瓷材性能的 重要途径。
[0003] 但是，由于压电陶瓷在交变电场下振动的振幅非常微小（一般在纳米量级），因 此，测量起来比较困难。现有技术中的微小振幅测量方法是采用光学多普勒法，图1是利用 光学多普勒法测量压电陶瓷的振动振幅的原理示意图；如图1所示，利用一单色光源10发 出的单色光分别照射到一迈克尔逊干涉仪的样品臂11和参考臂12上，被样品臂11和参考 臂12反射反射回光纤耦合器13、并在光纤耦合器13内发生干涉，通过光电探测器14采集 到第一干涉信号，通过对第一干涉信号的简化处理后，可以获得压电陶瓷振动的振幅。
[0004] 但是，由于单色光只具有单一波长，而产生干涉现象的条件的两束光的光程差为 定值，因此，只有经压电陶瓷表面反射回的光才能与样品臂反射回得光发生干涉，从而，通 过这种测量方法只能获得振动的压电陶瓷样品表面的振幅，即通过测量振幅能检测到的也 是压电陶瓷表面的质量，而如果压电陶瓷内部存在某些反射点，例如，气孔或夹杂，这种方 法便无法检测出来，从而导致了检测结果的不准确。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种振动样品内部反射点的微小振幅测 量方法，可实现对压电陶瓷及其它材料或组织内部反射点的振动振幅的测量，达到准确检 测材料质量的目的。
[0006] 本发明提供一种振动样品内部反射点的微小振幅测量方法，包括：
[0007] 步骤一、利用线阵电荷f禹合器件（charge coupled device, co))以采样频率f0、 n(n为大于或等于10的自然数）次采集弱相干光经分光后的m(m为线阵ccd的像素单元 数）个子相干光的光强信号；所述弱相干光是一宽带光源分别照射到一迈克尔逊干涉仪的 振动样品和反射镜、并在所述麦克尔逊干涉仪发生干涉形成的；
[0008] 步骤二、对所述η次采集到的mn个子相干光的光强信号进行傅立叶变换以获取η 个干涉光信号；第t个所述干涉光信号包括m个、分别对应第t次采集到的m个所述光强信 号的子干涉信号；并从所述m个所述子干涉信号中依次提取m/2个、依次与所述样品内按 深度从小到大的m/2个位置点一一对应的有效子干涉信号；其中，t取1至η之间的任意整 数；
[0009] 步骤三、将第t个干涉光信号对应的m/2个有效子干涉信号对应的光强信号分别 与第一阈值比较，当第1个（1彡1彡m/2)有效子干涉信号对应的光强信号大于所述第一 阈值时，判定第1个所述子干涉信号对应的位置点为反射点；根据第t个干涉光信号中的第 1个所述有效子干涉信号获取该反射点的振动相位信息；
[0010] 步骤四、对η个所述干涉光信号中分别对应同一反射点的η个反射点的振动相位 信息进行第二次傅立叶变换、以获取所述反射点的振动信号，并根据所述振动信号获取在 所述采样频率fc!下、所述反射点振动的振幅。
[0011] 本发明提供的方法可以用于测量压电陶瓷样品内部及表面微小振动的振幅，并可 利用测得的振幅及反射点深度等结果对样品质量作出评定，并且，本发明的方法也适用于 测量其它材料的内部质量，提高了材料质量检测的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是利用光学多普勒法测量压电陶瓷的振动振幅的原理示意图；
[0013] 图2是本发明振动样品内部反射点的微小振幅测量方法所使用的迈克尔逊干涉 仪一实施例的结构示意图；
[0014] 图3是本发明振动样品内部反射点的微小振幅测量方法实施例一的流程图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明中所述的"微小振幅"是指最大值在1微米以下的振动的振幅，尤其适用于 受激振后压电陶瓷或动物组织这种在纳米量级的振幅的测量。
[0016] 实施例一
[0017] 图3是本发明振动样品内部反射点的微小振幅测量方法实施例一的流程图；如图 3所示，本实施例提供一种振动样品内部反射点的微小振幅测量方法，包括：
[0018] 步骤301、利用线阵c⑶以采样频率匕、η次采集弱相干光经分光后的m个子相干 光的光强信号；所述弱相干光是一宽带光源分别照射到一迈克尔逊干涉仪的振动样品和反 射镜、并在所述麦克尔逊干涉仪发生干涉形成的；其中，η为大于或等于10的自然数，m为 线阵ccd的像素单元数；
[0019] 步骤302、对所述η次采集到的mn个子相干光的光强信号进行傅立叶变换以获取 η个干涉光信号，第t个所述干涉光信号包括m个、分别对应第t次采集到的m个所述光强 信号的子干涉信号；并从所述m个子干涉光信号中中依次提取m/2个、依次与所述样品内按 深度从小到大的m/2个位置点一一对应的有效子干涉信号；其中，t取1至η之间的任意整 数。
[0020] 可选地，由于子干涉信号是一组镜像值，使得m为一偶数；对应地，从所述m个所 述子干涉信号中依次提取m/2个有效子干涉信号可以为，从1?m个所述子干涉信号中 提取1?m/2作为上述有效子干涉信号；或者，也可以从1?m个所述子干涉信号中提取 (m/2) 1?m作为上述有效子干涉信号。
[0021] 步骤303、将第t个所述干涉光信号的所述m/2个有效子干涉信号对应的光强信 号分别与第一阈值比较，当第1个所述子干涉信号对应的所述光强信号大于所述第一阈值 时，判定第1个所述子干涉光信号对应的位置点为反射点，根据第t个干涉光信号中的第1 个有效子干涉光号获取该反射点的振动相位信息；其中，1<1< m ;
[0022] 步骤304、对η个所述干涉光信号中分别对应同一反射点的η个反射点的振动相位 信息进行二次傅立叶变换、以获取所述反射点的振动信号，并根据所述振动信号获取在所 述采样频率fc!下、所述反射点振动的振幅。
[0023] 具体地，图2是本发明振动样品内部反射点的微小振幅测量方法所使用的迈克尔 逊干涉仪一实施例的结构示意图；如图2所示，宽带光源20、反射镜21、样品22、光纤耦合 器24构成一迈克尔逊干涉仪；而利用该迈克尔逊干涉仪进行本实施例的测量的具体过程 如下：使宽带光源20发出的弱相干光经光纤耦合器24后分别照射到一反射镜21和样品22 上，其中，样品22可以处于由频率一定的信号驱动的微小振动状态（根据耐奎斯特采样定 律，该驱动信号的频率应小于或等于所述采样频率匕的一半）；由反射镜21反射回得弱相 干光和由振动的样品22反射回的弱相干返回至光纤耦合器24、并在光纤耦合器24内发生 干涉，干涉后的光被光栅23分成多个子相干光，再利用线阵ccd25的m个像素单元分别采 集到m个子相干光的光强信号。
[0024] 对上述η次采集到的、共mn个子相干光的光强信号进行傅里叶变换后，获得了 η 个干涉光信号，其中，每个干涉光信号包括m个子干涉信号，且第i (这里i为自然数）个所 述子干涉信号携带了样品处于同一深度上的第i个位置点的相位信息，当判定第第1个所 述子干涉信号对应的位置点为反射点后，便可通过提取该子干涉信号中的振动相位信息、 再对该振动相位信息进行第二次傅立叶变换后，获取能反映该反射点振动情况的振动信 号，进而从该振动信号中便可提取出该反射点振动的振幅。
[0025] 本实施例提供的振动样品内部反射点的微小振幅测量方法，可以用于测量极化的 压电陶瓷内部及表面微小振幅，从而可以用于检测压电陶瓷及其它类似材料的内部质量， 提高了材料质量检测的准确性；并且，本实施例提供的振动样品内部反射点的微小振幅测 量方法还可用于检测生物组织内部是否存在与周围其它组织不同的反射点，有助于对生物 组织结构的深入研究。
[0026] 实施例二
[0027] 本实施例提供一种更为具体的实施方案，在本实施例中，利用正弦信号驱动样品 (例如压电陶瓷）沿弱相干光的入射方向振动，线阵ccd可以采用具有1024个像素单元的 具体形式，下实施本发明的方法的具体过程。
[0028] 步骤401、利用线阵c⑶以采样频率fp 100次采集弱相干光经分光后的1024个子 相干光的光强信号；所述弱相干光是一宽带光源分别照射到一迈克尔逊干涉仪的振动样品 和反射镜、并在所述麦克尔逊干涉仪发生干涉形成的；其中，第t次采集到的光强信号可以 为：
[0029]
【权利要求】
1. 一种振动样品内部反射点的微小振幅测量方法，其特征在于，包括： 步骤一、利用线阵电荷耦合器件ccd以采样频率fpn次采集弱相干光经分光后的m个 子相干光的光强信号；所述弱相干光是一宽带光源分别照射到一迈克尔逊干涉仪的振动样 品和反射镜、并在所述麦克尔逊干涉仪发生干涉形成的；其中，η为大于或等于10的自然 数，m为线阵ccd的像素单元数； 步骤二、对所述η次采集到的mn个子相干光的光强信号进行傅立叶变换以获取η个干 涉光信号；第t个所述干涉光信号包括m个、分别对应第t次采集到的m个所述光强信号的 子干涉信号；并从所述m个所述子干涉信号中依次提取m/2个、依次与所述样品内按深度从 小到大的m/2个位置点一一对应的有效子干涉信号；其中，t取1至η之间的任意整数； 步骤三、将第t个所述干涉光信号的所述m/2个所述有效子干涉信号对应的所述光强 信号分别与第一阈值比较，当第1个所述有效子干涉信号对应的光强信号大于所述第一阈 值时，判定第1个所述有效子干涉信号对应的所述位置点为反射点；根据第t个所述干涉光 信号中的第1个所述有效子干涉信号获取所述反射点的振动相位信息；其中，1 < 1 < m/2 ; 步骤四、对η个所述干涉光信号中分别对应同一反射点的η个反射点的所述振动相位 信息进行第二次傅立叶变换、以获取所述反射点的振动信号，并根据所述振动信号获取在 所述采样频率fc!下、所述反射点振动的振幅。
2. 根据权利要求1所述的振动样品内部反射点的微小振幅测量方法，其特征在于，第t 次采集到的所述光强信号为：
其中，ijk，t)表示第t次采集到的光强信号，k为波矢，x为自然数，zx为第x个所述 位置点所处的深度，^为所述反射镜的反射系数，r(zx)第x个所述位置点处的光反射系数， t取1至η之间的任意整数，巧 〇表示相位； 所述对所述mn个子相干光的光强信号进行傅立叶变换获取η个干涉光信号，其中，第 t个所述干涉光信号为：
其中，g(z，t)表示干涉光信号，z表示所述样品内任一位置点所处的深度，zx为第x个 所述位置点所处的深度； 当第t个所述干涉光信号的第1个所述有效子干涉信号对应的所述位置点为反射点 时，所述第1个所述有效子干涉信号为：
其中，g(zl，t)表示子干涉光信号，δ函数表示子干涉光信号只有在自变量取〇时有 值，α为根据zl和δ (〇)生成的确定值。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据第t个所述干涉光信号的第1个 所述有效子干涉信号获取所述反射点的振动相位信息包括：
其中，im[g(zl，t)]表示取第t个所述干涉光信号中的第1个所述有效子干涉信号的 虚部，re[g(zl，t)]表示取第t个所述干涉光信号中的第1个所述有效子干涉信号的实部， arctg表示求反正切； 所述样品的振动按照正弦规律变化，所述对η个所述干涉光信号中对应同一所述反射 点的η个所述振动相位信息进行二次傅立叶变换以获取所述反射点的振动信号包括： 首先，根据振动相位信息与振动频率和振幅的关系，第t个所述干涉光信号中第1个所 述有效子干涉信号对应的所述反射点的所述振动相位信息为：
其中，λ ^为所述宽带光源的平均波长，匕为采样频率，&为所述反射点振动的频率，且 f丨为第1个所述有效子干涉信号对应的所述反射点的深度，b (zl)为所述反射点振 动的振幅； 然后，对η个所述干涉光信号中对应同一所述反射点的η个所述振动相位信息进行二 次傅立叶变换，获取所述反射点的所述振动信号，所述振动信号为：
其中，zl为第1个所述有效子干涉信号对应的反射点的深度，λ ^为所述宽带光源的平 均波长，f为相对于采样频率的频率比，只有当/=f时，才形成所述反射点的所述振动信 号，且所述振动信号表不为： φ (zx) = nb (zx) i 其中，n为与所述宽带光源的平均波长λ ^及δ (〇)有关的常数； 通过提取所述振动信号的虚部获取所述反射点振动的振幅。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据第t个所述干涉光信号中的第1 个所述有效子干涉信号获取所述反射点的振动相位信息包括：
其中，at = 1，im[g(zl，t)g#(zl，t ι)]表示取第t个干涉光信号中的第1个子干涉光 信号与第t ι个干涉光信号中的第1个有效子干涉信号的共轭的乘积积的虚部、re[g(zl， t)g#(zl，t 1)]表示取第t个干涉光信号中的第1个子干涉光信号与第t 1个干涉光信号 中的第1个有效子干涉信号的共轭的乘积的实部，arctg表示取反正切； 所述样品的振动按照正弦规律变化，所述对η个所述干涉光信号中对应同一所述反射 点的η个所述振动相位信息进行第二次傅立叶变换以获取所述反射点的振动信号包括： 首先，根据振动相位信息与振动频率和振幅的关系，将第t个所述干涉光信号中的第1 个所述有效子干涉信号对应的所述反射点的所述振动相位信息为：
其中，λ^为所述宽带光源的平均波长，h为所述采样频率，&为所述反射点振动的频 率，且f < /q < f，zl为第1个所述有效子干涉信号对应的反射点的深度，b (zl)为所述反 射点振动的振幅； 然后，对η个所述干涉光信号中对应同一所述反射点的η个所述振动相位信息进行二 次傅立叶变换，获取所述反射点的所述振动信号，所述振动信号为：
其中，zl为第1个所述有效子干涉信号对应的反射点的深度，λ ^为所述宽带光源的平 均波长，f为相对于所述采样频率的频率比，只有当/=
时，才形成所述反射点的所述振 动信号，且所述振动信号为： φ ' (zx) = b(zx) i 其中，n为与所述宽带光源的平均波长λ ^及δ (〇)有关的常数； 通过提取所述振动信号的虚部获取所述反射点振动的振幅。
5.根据权利要求2-4任一所述的方法，其特征在于，还包括： 根_
角定所述样品的可探测深度d ; 其中，λ。为所述宽带光源的平均波长，η是所述样品的折射率，δ λ取用于分光的光栅 的分辨率和所述线阵ccd分辨率中的较大值； 根据d、所述反射点所对应的所述子干涉光信号的序号1，确定所述线阵ccd包括的像 素单元数m获取第1个所述有效子干涉信号对应的反射点所处的深度zl :
【文档编号】g01n21/45gk104101420sq201310111485
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月1日 优先权日:2013年4月1日
【发明者】曾亚光, 王茗祎, 杨国建 申请人:北京师范大学