本发明可以应用在水听器指向性响应校准，具体来说是一种医用水听器指向性响应校准系统及其方法。
背景技术：
1、医用超声是现代医学的重要组成部分，在临床诊断、理疗和治疗领域存在广泛应用，医用水听器作为物理传感器存在有效孔径，即非理想点接收器的尺寸效应在测量声场参数时引入测量不确定度，其孔径对超声场表征的影响称为空间平均效应。同时，随着频率升高和传播距离增加，声波非线性指数增加，其声束宽度随着频率的增大而减小，需要医用水听器的有效孔径半径越小，以准确评估对声场参数的影响。由于声传播衍射效应的影响，其有效孔径与实际制作的物理孔径区别较大。因此，准确测量水听器有效孔径、建立空间平均效应评估与修正方法，对实现医用声场参数的精准计量至关重要。
2、水听器有效孔径通过指向性响应测量得到，即水听器的测量输出在不同声波入射角度且通过其敏感元件中心的频率响应。但由于高频超声场指向性尖锐导致水听器敏感元件与旋转轴并非同心，引入极大测量误差、制约了该参数的准确计量。在现有技术中,测量医用水听器指向性响应时，首先设置旋转角度，如0°、90°、180°和270°；然后在每个旋转角度设置条件下，调节滑动角度测量水听器输出响应，如在(-90°～90°)滑动角度范围内测量水听器输出响应。测试步骤如图2所示：
3、(1)该方法由于不具有微调机构，将医用水听器敏感元件调节至旋转与滑动的中心困难。具体体现在：在调节水听器敏感元与旋转中心同轴时，由于旋转中心不可见，水听器敏感元需反复安装，以与旋转轴同轴；在调节水听器敏感元与滑动中心同轴时，电机滑动轴与水听器工装的滑动中心要求同轴，水听器敏感元也需反复安装，以与滑动轴同轴，降低非同轴引起测量不确定度增大。
4、(2)由于旋转与滑动中心不可见，通过目视等方法同轴调节不确定度较大，尤其考虑医用水听器工作在兆赫兹以上，其波长在亚毫米量级，对同轴调节的步进要求高。即随着测量频率的升高，由敏感元中心与旋转/滑动中心非同心引入的测量不确定度愈加增大。因此需要一种医用水听器指向性响应校准系统及其方法。
技术实现思路
1、本发明旨在提出一种医用水听器指向性响应校准系统及其方法，解决水听器敏感元与旋转中心非同轴引入的测量不确定度增大的问题，适用于兆赫兹级指向性响应测量与有效半径分析。
2、本发明具体包括以下步骤：
3、1)水听器与横移装置的y轴移至靠近换能器位置；对准水听器和超声换能器，使用水位作为辅助参考；
4、2)返回距离z＝200mm；使用200v脉冲激励测量；设置示波器延迟135μs采集；
5、3)使用步进控制将发射换能器水平和垂直方向对齐，以使水听器接收信号最大，分别设置15mhz或3mhz的猝发音信号，在水平和垂直方向上移动±1.5mm，寻找空间对称位置，通过微调俯仰台调整超声换能器的角度以使其对齐；
6、4)搜索水听器与声轴相差零角度的位置；分别设置旋转±10°，寻找旋转对称位置，以使水听器与声轴相对角度为零；
7、5)采用脉冲激励后分别旋转角度以及微调水听器空间位置实现水听器与旋转轴同轴；设置脉冲激励方式，分别旋转至±15°调整水听器与旋转轴相对位置；
8、6)再次调整水听器相对声轴的零角度位置，并横向检查是否为最大位置并设置15mhz或3mhz的猝发音信号使用猝发音信号激励；
9、7)将旋转步进电机控制，切换为“距离”控制，启动扫描程序，在新的测量频率下检查并跟踪最大位置。
10、进一步地，所述医用水听器敏感元为圆对称结构；当为矩形或其他形状的敏感元时，可在不同旋转角度下获得其指向性响应，分别标记水听器工装的不同角度，将水听器通过标记安装在不同旋转角度的位置，可研究验证不同旋转角度下的指向性差异，旋转角度可至少设置为0°和90°这两个相互垂直的方向上，所述医用水听器为压电针式水听器，薄膜水听器，仓式水听器或者光纤水听器。
11、进一步地，所述水听器的指向性响应表达为：
12、dθ(f)＝[v(θ,f)/v(0,f)] (1)
13、其中v(θ,f)为频率f和角度θ时水听器输出电压；v(0,f)为声轴无偏转时输出电压；
14、可将指向性响应的复数形式分别改写成幅度和相位表示：
15、|dθ(f)|＝|v(θ,f)|/|v(0,f)| (2)
16、φθ(f)＝φ(θ,f)-φ(0,f) (3)
17、通过采集不同角度下水听器全波形输出，进行频谱分析和相位特征点提取，以实现幅度和相位指向性响应测量。
18、进一步地，获取指向性响应数据时，激励形式可以是猝发音信号，也可以是脉冲激励；
19、当激励形式为猝发音信号时，在不同猝发音频率下采集不同角度时的水听器全波形输出，采集其波形幅度可得幅度响应，通过互谱密度函数可求解相位响应绘制不同频率下的指向性响应曲线；
20、当激励形式为脉冲激励时，采集不同角度时的水听器全波形输出，并对其进行傅里叶变换，得到不同频率下的幅度响应和相位响应绘制不同频率下的指向性响应曲线。
21、进一步地，通过手动或者电控旋转台调节超声换能器与水听器空间位置及姿态以保证同轴。
22、7、在另外一个方面，一种医用水听器指向性响应校准系统，用以执行一种医用水听器指向性响应校准方法，包括运动执行机构、数据采集模块和数据处理模块，所述运动执行机构包括机械扫查机构和多轴步进控制器，数据采集模块由超声换能器、医用水听器和采集板卡组成，所述医用水听器的信号输出端与所述采集板卡的输入端连接，所述采集板卡的输出端与上位机的数据处理模块连接，所述上位机的控制输出端与所述多轴步进控制器的通讯端连接，所述多轴步进控制器的控制输出端与所述机械扫查机构的输入端连接，所述机械扫查机构包括x、y、z三维电控平移机构、电控旋转台，第一俯仰台，第二俯仰台和手动平移装置，手动平移装置用于调节医用水听器敏感元件位置，所述超声换能器和医用水听器设置在水槽内并浸没于水介质中，所述超声换能器通过夹具与所述第一俯仰台连接，所述第一俯仰台设置在所述x、y、z三维电控平移机构上，所述x、y、z三维电控平移机构和所述手动平移装置位于所述水槽上方，所述医用水听器的一端与所述电控旋转台连接，所述电控旋转台通过所述第二俯仰台设置在所述手动平移装置上，所述电控旋转台包括x轴平移台,z轴平移台和旋转台。
23、进一步地，所述超声换能器为基于压电效应的换能器或者基于激光超声的换能器。
24、本发明采用上述技术方案与现有技术相比，最大的特点在于：
25、(1)本发明可以实现医用水听器指向性响应校准，通过俯仰台和平移台微调，可实现水听器敏感元与旋转轴同轴，降低兆赫兹级指向性响应测量不确定度；
26、(2)本发明通过软件程序控制，实现水听器自动旋转和指向性数据采集，极大提升测量效率，并可实现对测量结果的自动分析与计算，利用不同指向性响应模型计算有效半径，并导出原始数据记录。
1.一种医用水听器指向性响应校准方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种医用水听器指向性响应校准方法，其特征在于，所述医用水听器敏感元为圆对称结构；当为矩形或其他形状的敏感元时，可在不同旋转角度下获得其指向性响应，分别标记水听器工装的不同角度，将水听器通过标记安装在不同旋转角度的位置，可研究验证不同旋转角度下的指向性差异，旋转角度可至少设置为0°和90°这两个相互垂直的方向上，所述医用水听器为压电针式水听器，薄膜水听器，仓式水听器或者光纤水听器。
3.根据权利要求1所述的一种医用水听器指向性响应校准方法，其特征在于，所述水听器的指向性响应表达为：
4.根据权利要求1所述的一种医用水听器指向性响应校准方法，其特征在于，获取指向性响应数据时，激励形式可以是猝发音信号，也可以是脉冲激励；
5.根据权利要求1所述的一种医用水听器指向性响应校准方法，其特征在于，通过手动或者电控旋转台调节超声换能器与水听器空间位置及姿态以保证同轴。
6.一种医用水听器指向性响应校准系统，用以执行权利要求1-5所述的一种医用水听器指向性响应校准方法，其特征在于，包括运动执行机构、数据采集模块和数据处理模块，所述运动执行机构包括机械扫查机构和多轴步进控制器，数据采集模块由超声换能器、医用水听器和采集板卡组成，所述医用水听器的信号输出端与所述采集板卡的输入端连接，所述采集板卡的输出端与上位机的数据处理模块连接，所述上位机的控制输出端与所述多轴步进控制器的通讯端连接，所述多轴步进控制器的控制输出端与所述机械扫查机构的输入端连接，所述机械扫查机构包括x、y、z三维电控平移机构、电控旋转台，第一俯仰台，第二俯仰台和手动平移装置，手动平移装置用于调节医用水听器敏感元件位置，所述超声换能器和医用水听器设置在水槽内并浸没于水介质中，所述超声换能器通过夹具与所述第一俯仰台连接，所述第一俯仰台设置在所述x、y、z三维电控平移机构上，所述x、y、z三维电控平移机构和所述手动平移装置位于所述水槽上方，所述医用水听器的一端与所述电控旋转台连接，所述电控旋转台通过所述第二俯仰台设置在所述手动平移装置上，所述电控旋转台包括x轴平移台,z轴平移台和旋转台。
7.根据权利要求6所述的一种医用水听器指向性响应校准系统，其特征在于，所述超声换能器为基于压电效应的换能器或者基于激光超声的换能器。
