本发明可以应用在声压测量，具体来说可以用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统。
背景技术：
1、高强度聚焦超声(hifu-high intensity focused ultrasound)具有指向性强、穿透性好、可聚焦、无辐射等特点，hifu治疗技术通过将高强度聚焦超声波聚焦于病灶部位，利用高热效应、空化效应、机械效应及声化学效应使靶区肿瘤组织发生凝固性坏死，提供了一种无创或微创治疗病变组织的方法，hifu治疗的关键是在极短时间内使靶区组织产生不可逆的凝固性坏死，同时不损伤其它组织。在靶区组织内产生的损伤区域主要是由聚焦声场中声焦域的形状和位置决定的，其损伤程度则与hifu峰值声压的大小以及治疗时间(综合产生的热效应)密切相关。为了保障hifu治疗剂量的准确性和治疗的安全性，必须对hifu声场参数及声压空间分布进行准确的测量。
2、现有的hifu声场分布测量，通常是利用高频水听器通过三维扫描的方式得到。高频水听器的声压灵敏度，即输出电压与接收声压之比，需要经过严格的校准，以监测声输出的安全性。但目前用于高强度声场测量的高频水听器，其校准过程大多是在百kpa甚至以下级别的低声压场中完成的，而hifu治疗声场的声压可达数十mpa甚至近百mpa，高频水听器声压灵敏度在高声压场中的线性度并不能得到保证。因此需要开展高声压场下高频水听器的校准研究工作，以保障超声治疗设备输出剂量的精确定量测量。
3、基于光学干涉原理的水听器校准方法，能够实现医学超声场声压量值溯源。该方法基于激光干涉技术测量声场中薄膜的振动，实现声压的定量测量。但受限于技术发展，尚未实现高声压hifu声场的定量测量，其中一个关键原因是激光干涉系统带宽需求与被测hifu声压的关系未明确，以及高带宽激光干涉仪的缺失。
4、为了实现激光外差干涉测量，需要在激光外差干涉系统内部生成光学载波，即两束具有一定频差的激光。常见的光学载波获取方法有基于塞曼效应、应力诱导双折射、声光调制法等。塞曼效应是利用原子的光谱线在外磁场中出现分裂且偏振的现象，将激光源置于磁场中，从而产生一定频差的光学载波；应力诱导双折射利用双折射晶体在不同应力下折射率的变化，使得激光谐振腔内不同偏振态的激光光程发生变化，从而实现输出光频差的调节；以上两种方法均是对激光光源进行相关操作，而声光调制法则是对激光器输出后的激光进行处理，利用声光调制效应，将超声频率叠加到激光频率上，从而实现了对激光频率的改变。
5、目前的激光外差干涉系统载波获取方法，大多是为位移测量或者一般振动测量而设计的，对光学载体的需求通常不超过几十兆赫，无法获取更高的光学载波。无法达到hifu声压的测量对数百兆赫量级的光学载波的要求。塞曼效应获取的载波频率较小，一般为兆赫兹量级，一般用于位移测量领域。应力诱导双折射虽然获取的载波频率范围较大，但需要直接更改激光谐振腔光路，造成实际操作难度增大，因此未得到广泛的应用。声光调制法也能获取有较大的载波频率范围，并且在位移测量和振动测量领域都获得了广泛的应用，用于位移测量的载波频率一般为兆赫兹量级，用于振动测量的载波频率一般为几十兆赫兹，对于位移测量的激光外差干涉系统，其带宽要求一般取决于光学细分数、激光波长和被测位移的最大速度，并与最大速度成正比。
6、对于振动/声场测量，现有的激光外差干涉系统模型基于线性声场条件，通过对线性声场作用下的激光外差干涉信号进行第一类贝塞尔函数展开，发现质点振动信号在激光外差干涉信号频域得到展宽，出现了振动频率的多次谐波，其对应的幅值系数为各阶贝塞尔函数，激光外差干涉信号带宽取决于不可忽略的阶数最大的多次谐波，通过引入适当的判定系数，得到声压大小和振动频率与系统带宽的关系为线性关系。目前基于激光外差干涉法的声压测量系统多采用该方法对其系统带宽进行估算。
7、对于位移测量的激光外差干涉系统，其带宽估计方法无法适用于声场测量。对于声场测量的激光外差干涉系统，其带宽估计方法基于线性声场条件，而hifu声场具有丰富的多次谐波，为非线性声场，因此无法沿用线性声场条件下的带宽评估方法。因此需要一种用于hifu声压测量的激光外差干涉系统。
技术实现思路
1、针对上述问题，本发明提出了一种用于hifu声压测量的激光外差干涉系统。
2、本发明包括hifu换能器、水介质、hifu声场、薄膜固定环、光学窗口、测量光束、高带宽激光外差干涉测量装置、水箱、透声反光薄膜，所述水箱一侧设置有光学窗口，所述hifu换能器、光学窗口和高带宽激光外差干涉测量装置位于同一轴线，所述hifu换能器和光学窗口之间设置有透声反光薄膜，所述hifu换能器和透声反光薄膜设置在所述水箱内，所述水箱内设置有水介质，所述光学窗口的光路输入端与所述高带宽激光外差干涉测量装置的输出端连接。
3、进一步地，所述hifu换能器的声轴垂直于透声反光薄膜并与测量光束的光轴重合。
4、进一步地，所述hifu换能器的声轴的焦点与透声反光薄膜。
5、进一步地，所述水箱可以为开口容器，也可以为密闭加压容器。
6、进一步地，所述高带宽激光外差干涉测量装置包括单频稳频激光光源、偏振分光棱镜a、二分之一波片、反射镜、测量光束、透镜组、四分之一波片、偏振分光棱镜b、偏振分光棱镜c、高速光电探测器、透镜a、大频差声光移频器、透镜b、高速数字示波器、信号解调处理单元，所述单频稳频激光光源的光路输出电源与所述偏振分光棱镜a的输入端连接，所述偏振分光棱镜a的第一光路输出端与所述偏振分光棱镜c的第一输入端连接，所述偏振分光棱镜c的输出端与所述高速光电探测器的输入端连接，测量光束与所述偏振分光棱镜b的第一光路输入端连接，所述偏振分光棱镜a的第二光路输出端与所述反射镜的输入端连接，所述反射镜的输出端与所述偏振分光棱镜b的第二光路输入端连接，所述偏振分光棱镜b的输出端与所述偏振分光棱镜c的第二输入端连接，所述高速光电探测器的输出端与所述高速数字示波器的输入端连接，所述高速数字示波器的输出端与所述信号解调处理单元的输入端连接。
7、进一步地，hifu声压测量的方法包括以下步骤：
8、利用水听器对hifu声场焦点位置的声压进行测量，得到声压随时间的变化曲线；并根据声压与振动位移的关系，得到质点振动位移随时间的变化x′(t)；
9、hifu声场在高声压下产生非线性效应，声压随时间的变化曲线出现丰富的多次谐波，即振动位移x(t)频谱中出现工作频率f1的多次谐波：
10、
11、式中，fi为f1的第i次谐波，ai为各谐波幅值，为各谐波相位；
12、激光外差干涉信号的公式表示为：
13、
14、x′(t)带入公式(2)得到激光外差干涉信号i′(t)，并通过数值仿真分析的方法，对其进行fft运算，得到激光外差干涉信号i′(t)的频域分布情况，进而得到满足测量要求的最小带宽；
15、通过改变hifu换能器的激励电压下，可得到不同大小的峰值声压，由此可以得到激光外差干涉系统带宽的要求随峰值声压的变化曲线。
16、进一步地，对激光外差干涉系统带宽的需求与峰值声压的关系进行多项式拟合，验证了二次拟合具有更小的拟合误差，激光外差干涉系统带宽的需求b与峰值声压pp的关系可以表示为：
17、
18、式中，a2、a1和a0分别为峰值声压pp多次项的系数。
19、本发明能够更准确的获得用于hifu声压测量的激光外差干涉系统带宽需求，为激光外差干涉系统设计提供理论依据。由于激光外差干涉系统带宽需求随hifu声压呈二次方规律变化，而不是以往认为的呈线性规律变化，这就导致hifu声压越高，对激光外差干涉系统带宽的需求与按照传统方法设置的带宽相差越大，造成hifu声压测量不确定度增大甚至无法进行测量。
20、本发明提出的符合hifu声压测量需求的高带宽激光外差干涉测量系统，利用透声反光薄膜获取hifu声压信息，具有高带宽的特点，在满足激光外差干涉系统带宽需求随被测hifu声压峰值的变化规律的前提下，能够显著提高hifu压测量的不确定度水平和hifu声压的测量上限。
1.一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，包括hifu换能器、水介质、hifu声场、薄膜固定环、光学窗口、测量光束、高带宽激光外差干涉测量装置、水箱、透声反光薄膜，所述水箱一侧设置有光学窗口，所述hifu换能器、光学窗口和高带宽激光外差干涉测量装置位于同一轴线，所述hifu换能器和光学窗口之间设置有透声反光薄膜，所述hifu换能器和透声反光薄膜设置在所述水箱内，所述水箱内设置有水介质，所述光学窗口的光路输入端与所述高带宽激光外差干涉测量装置的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，所述hifu换能器的声轴垂直于透声反光薄膜并与测量光束的光轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，所述hifu换能器的声轴的焦点与透声反光薄膜重合。
4.根据权利要求1所述的一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，所述水箱为开口容器或者密闭加压容器。
5.根据权利要求1所述的一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，所述高带宽激光外差干涉测量装置包括单频稳频激光光源、偏振分光棱镜a、二分之一波片、反射镜、测量光束、透镜组、四分之一波片、偏振分光棱镜b、偏振分光棱镜c、高速光电探测器、透镜a、大频差声光移频器、透镜b、高速数字示波器、信号解调处理单元，所述单频稳频激光光源的光路输出端与所述偏振分光棱镜a的输入端连接，所述偏振分光棱镜a的第一光路输出端与所述偏振分光棱镜c的第一输入端连接，所述偏振分光棱镜c的输出端与所述高速光电探测器的输入端连接，测量光束与所述偏振分光棱镜b的第一光路输入端连接，所述偏振分光棱镜a的第二光路输出端与所述反射镜的输入端连接，所述反射镜的输出端与所述偏振分光棱镜b的第二光路输入端连接，所述偏振分光棱镜b的输出端与所述偏振分光棱镜c的第二输入端连接，所述高速光电探测器的输出端与所述高速数字示波器的输入端连接，所述高速数字示波器的输出端与所述信号解调处理单元的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，hifu声压测量的方法包括以下步骤：
7.根据权利要求1所述的一种用于hifu声压测量的高带宽激光外差干涉系统，其特征在于，对激光外差干涉系统带宽的需求与峰值声压的关系进行多项式拟合，验证了二次拟合具有更小的拟合误差，激光外差干涉系统带宽的需求b与峰值声压pp的关系可以表示为：
