基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统

1.本发明涉及光声成像的技术领域，更具体地，涉及一种基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统。


背景技术：

2.光声成像是一种非标记、无损伤的成像技术，具有很高的光学对比度和成像分辨率，因此在生物、医学等领域发挥着重要作用。当利用短脉冲激光照射生物组织时，生物组织中的分子吸收光子后，能量会以热量的形式释放能量。释放的热量导致吸收体局部温度升高，温度升高后导致热膨胀而产生压力波，进而产生光声信号。光声成像结合了光学成像和声学成像的优点。一方面，比纯光学成像穿透更深，通过聚焦光束的方式，可激发组织深层的光声信号；另一方面，比传统的mri以及pet成像拥有更高的分辨率，其图像分辨率可达到亚微米、微米量级。
3.超声波传感器属于光声成像系统的核心器件，传感器的性能直接决定了成像系统的效果。光干涉型传感器为光学成像系统最有前景的核心器件，原因在于如下几个因素:光干涉型传感器制备与目前的cmos技术是兼容的、其器件尺寸可以做到极小、同时具有很高的品质因数。基于光干涉型传感器的光声成像系统具有极高的灵敏度、大的信噪比和很高的成像精度，同时也避免了压电传感器因为射频串扰而面临的高频局限的问题。当声波作用于光干涉型传感器时，由于形变效应和弹光效应的影响，微腔模式的有效折射率改变引起谐振条件变化，导致输出光谱中谐振峰位置漂移。目前主流系统中一般使用单频激光器探测并解调光谱中的超声脉冲响应信息：通过强度反馈波长跟踪技术，将激光器波长锁定于谐振某一边带的一半光强的波长处，以获取超声信号的最大线性响应；当微腔受外界超声信号的作用，发生光谱谐振峰漂移时，具有极高斜率的边带，可以将微弱的谐振漂移量转化为更明显的光强信号。如现有技术中公开了一种基于数字光频梳与微腔阵列的高灵敏超声探测方法，利用探测信号发射单元发出合适的探测信号，由连续激光器发射频率为f0的单频连续光信号，经过频移器，频移器受任意信号发生器调制；然后，探测光进入传输链路进行传输，经过调制的、具有 bw带宽的光信号经过逛耦合器，耦合进入光路系统，光信号经过传输链路入射到微腔阵列传感单元；光信号以光速快速依次分别经历多个具有高品质因子的微腔，得到微腔阵列的透过光谱，该方法可用于光声成像中。然而，一方面，使用单频激光器探测探测得到的光声信号的信噪比取决于传感元件的灵敏度和系统噪声等，在传感元件以及系统中各种设备固定的情况下，通常很难直接对系统信噪比进行提升；另一方面，探测光强变化的光电探测器和示波器的带宽可达到几 ghz甚至几十ghz，远高于光声信号的频率范围，探测系统的时域利用率较低。


技术实现要素：

4.为解决传统单载波探测并解调光谱中的超声脉冲响应信息，从而用于光声成像的方式时域利用率低、实现成本高且探测光声信号信噪比低的问题，本发明提出一种基于时
分复用多载波光干涉型传感器的光声成像系统，通过时分复用的多载波探测技术，同时对谐振范围的多个波长通道进行光强度监测，有效控制成本，提高时域利用率，进而获得高信噪比的光声信号，实现了灵敏度的光声成像。
5.为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
6.一种基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统，包括：信号发生器、可调激光器、iq调制器、偏振控制器、光干涉型传感器、光电探测器及示波器；信号发生器在每个采样周期内，按n个等时间采样间隔依次输出n个频率的多载波正弦波射频信号：f1，
…
，fn，n个正弦波射频信号输入iq调制器，可调激光器产生中心频率为f0的探测激光，iq调制器基于n个正弦波射频信号对可调激光器产生的探测激光进行单边带调制，在每个采样周期内产生中心频率为f0+f1、
…
、f0+fn的信号激光，并输入偏振控制器进行偏振态调整，通过带隙光聚焦照射，调整光干涉型传感器输出光谱中同时产生若干个谐振峰，且谐振峰中心频率为f0，调整偏振态后的信号激光作为探针，监测光干涉型传感器在每个采样周期内的n个等时间采样间隔对生物组织内激发的光声信号的时域响应信号；之后，作为探针的信号激光进入光电探测器，光强度转化为电压强度信号后传输至示波器，携带光干涉型传感器对光声信号的时域响应信号被示波器接收。
7.在技术方案中，以光干涉型传感器作为基本结构，首先利用信号发生器输出若干正弦波射频信号，利用可调激光器产生探测激光，iq调制器基于正弦波射频信号对可调激光器产生的探测激光进行单边带调制，生成了多路子载波，即信号激光，有效控制了成本，避免了多路光源复用与解复用的复杂系统的应用。基于光干涉型传感器的硫系材料光敏性，实现光干涉型传感器的输出光谱在10ghz 范围内，与iq调制器和光电探测器的带宽限制配合，提高了探测系统的时域利用率，而且光干涉型传感器的输出光谱中同时存在多个谐振峰，通过时分复用的多路载波探测技术，同时对谐振峰范围的多个波长通道进行光强度监测，进而获得高信噪比的光声信号，实现了高灵敏度的光声成像。
8.优选地，设每个采样周期时长表示为t，按n个等时间间隔依次输出n个正弦波射频信号时，每一个正弦波射频信号与采样间隔的对应关系为：在(0～1/n)t 时间间隔内，输出频率为f1的正弦波射频信号，依次类推，在(n-1/n～1)t时间间隔内，输出频率为fn的正弦波射频信号。
9.优选地，所述可调激光器为单一的c波段可调激光器。在此，后续通过调制的方式生成多路载波信号激光，有效控制了成本，也避免了多路光源复用与解复用的复杂系统的应用。
10.优选地，光干涉型传感器为基于硫系材料的片上光学微腔阵列传感器件，包括n个硫系微环以及一根将n个硫系微环串联耦合的直波导，所述n个硫系微环的尺寸相同，利用带隙光分别聚焦照射每一个硫系微环，调节该硫系微环产生的谐振峰的位置，使得光干涉型传感器的输出光谱中所有谐振峰的中心频率集中于 10ghz范围以内，可以避免在光声成像过程中需要的额外芯片电极工艺以及持续的电压驱动。
11.优选地，偏振控制器调整的偏振态为te偏振或tm偏振。对于一个光干涉型传感器件，输入不同偏振态的激光，会得到不同的光谱；如果输入混合偏振态的光源，会得到混乱的光谱，这对于传感探测是不好的；因此一般控制输入单一的偏振态。
12.优选地，生物组织内激发的光声信号由激光器聚焦激发光源照射生物组织产生。
13.优选地，监测光干涉型传感器在每个采样周期内的n个等时间采样间隔对生物组织内激发的光声信号的时域响应时，提取n个硫系微环中每一个硫系微环对光声信号的时域响应信号。
14.优选地，在提取n个硫系微环中每一个硫系微环对光声信号的时域响应信号后，得到n个时域响应信号，对n个时域响应信号作采样周期对齐，并做平均处理，以降低随机噪声。
15.一种根据所述的基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统实现的光声成像方法，所述方法包括：
16.s1.确定采样周期，利用信号发生器在每个采样周期内，按n个等时间采样间隔依次输出n个频率的多载波正弦波射频信号：f1，
…
，fn，将n个正弦波射频信号输入iq调制器；
17.s2.利用可调激光器产生中心频率为f0的探测激光，iq调制器基于n个正弦波射频信号对可调激光器产生的探测激光进行单边带调制，在每个采样周期内产生中心频率为f0+f1、
…
、f0+fn的信号激光，并输入偏振控制器调整偏振态；
18.s3.通过带隙光聚焦照射，调整光干涉型传感器的输出光谱同时产生若干个谐振峰，且谐振峰中心频率为f0；
19.s4.调整偏振态后的信号激光作为探针，监测光干涉型传感器在每个采样周期内的n个等时间采样间隔对生物组织内激发的光声信号的时域响应信号
20.s5.作为探针的信号激光进入光电探测器，光强度转化为电压强度信号后传输至示波器，携带光干涉型传感器对生物组织内激发的光声信号的时域响应信号被示波器接收。
21.优选地，步骤s5之后还包括：对时域响应信号作采样周期对齐，并做平均处理，以降低随机噪声。
22.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
23.本发明提出一种基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统，以光干涉型传感器作为基本结构，首先利用信号发生器输出若干正弦波射频信号，利用可调激光器产生探测激光，iq调制器基于正弦波射频信号对可调激光器产生的探测激光进行单边带调制，生成了多路载波，采用调制方式有效控制了成本，避免了多路光源复用与解复用的复杂系统的应用。基于光干涉型传感器的硫系材料光敏性，实现光干涉型传感器的输出光谱在10ghz范围内，与iq调制器和光电探测器的带宽限制配合，提高了探测系统的时域利用率，而且光干涉型传感器的输出光谱中同时存在多个谐振峰，通过时分复用的多路载波探测技术，同时对谐振峰范围的多个波长通道进行光强度监测，进而获得高信噪比的光声信号，实现了高灵敏度的光声成像。
附图说明
24.图1表示本发明实施例1中提出的基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统结构图；
25.图2表示本发明实施例2中提出的光干涉型传感器结构示意图；
26.图3表示本发明实施例2中提出的光干涉型传感器输出光谱的示意图；
27.图4表示本发明实施例2中提出的信号发生器输出的多载波正弦射频信号频率随
采样时间间隔的变化关系图；
28.图5表示本发明实施例1中提出的示波器接收的时域响应信号原始波形图；
29.图6表示图5中a处的局部放大图；
30.图7表示平均处理后得到的光声信号的示意图；
31.图8表示本发明实施例3中提出的基于实施例1所述光声成像系统实现的光声成像方法的流程图。
32.其中，1.信号发生器；2.可调激光器；3.iq调制器；4.偏振控制器；5.光干涉型传感器；6.光电探测器；7.示波器；51.硫系微环；52.直波导。
具体实施方式
33.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
34.为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
35.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
36.附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
37.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
38.实施例1
39.传统单载波探测并解调光谱中的超声脉冲响应信息，从而用于光声成像的方式，一方面，得到的光声信号的信噪比取决于传感元件的灵敏度和系统噪声等，在传感元件以及系统中各种设备固定的情况下，通常很难直接对系统信噪比进行提升；另一方面，探测光强变化的光电探测器和示波器的带宽可达到几ghz甚至几十ghz，远高于光声信号的频率范围，探测系统的时域利用率较低，因此，综合存在时域利用率低、实现成本高且探测光声信号信噪比低的问题，为解决以上问题，本实施例提出一种基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统，该系统的结构图如图1所示，参见图1，光声成像系统包括：信号发生器1、可调激光器2、iq调制器3、偏振控制器4、光干涉型传感器5、光电探测器 6及示波器7；信号发生器1在每个采样周期内，按n个等时间采样间隔依次输出n个频率的多载波正弦波射频信号：f1，
…
，fn，n个正弦波射频信号输入iq 调制器3，可调激光器2产生中心频率为f0的探测激光，iq调制器3基于n个正弦波射频信号对可调激光器2产生的探测激光进行单边带调制，在每个采样周期内产生中心频率为f0+f1、
…
、f0+fn的信号激光，并输入偏振控制器4进行偏振态调整，通过带隙光聚焦照射，调整光干涉型传感器5输出光谱中同时产生若干个谐振峰，且谐振峰中心频率为f0，调整偏振态后的信号激光作为探针，监测光干涉型传感器5在每个采样周期内的n个等时间采样间隔对生物组织内激发的光声信号(生物组织内激发的光声信号由激光器聚焦激发光源照射生物组织产生，参见图1，基于532nm激光器聚焦激发光源)的时域响应信号；之后，作为探针的信号激光进入光电探测器6，光强度转化为电压强度信号后传输至示波器 7，携带光干涉型传感器5对光声信号的时域响应信号被示波器7接收。
40.整体上，以光干涉型传感器5作为基本结构，首先利用信号发生器1输出若干正弦波射频信号，利用可调激光器2产生探测激光，iq调制器3基于正弦波射频信号对可调激光器2产生的探测激光进行单边带调制(“单边带调制”属于iq 调制器的一种工作方式，本领
域熟知，具体的，“单边带调制”对于中心频率为f0的激光和fn的正弦波射频信号，会根据设置偏压产生f
0-fn或f0+fn的信号激光，而“双边带调制”则会同时输出f
0-fn和f0+fn的激光，这里选用单边)，生成了多路载波，即多路信号激光，有效控制成本，避免多路光源复用与解复用的复杂系统的应用。基于光干涉型传感器5的硫系材料光敏性，实现光干涉型传感器5的输出光谱在10ghz范围内，与iq调制器3和光电探测器6的带宽限制配合，提高探测系统的时域利用率，而且光干涉型传感器5的输出光谱中同时存在多个谐振峰，通过时分复用的多路载波探测技术，同时对谐振峰范围的多个波长通道进行光强度监测，进而获得高信噪比的光声信号，实现了高灵敏度的光声成像。
41.在本实施例中，光干涉型传感器5为基于硫系材料的片上光学微腔阵列传感器件，包括n个硫系微环51以及一根将n个硫系微环51串联耦合的直波导52， n个硫系微环51的尺寸相同。参见图2，在本实施例中，光干涉型传感器5的结构采用3个硫系微环51以及一根将3个硫系微环51串联耦合的直波导52，组成片上光学微腔阵列传感器件，根据硫系材料的特性，经过合理设计，可使其在输出光谱中实现10ghz范围内(这样可以避免在光声成像过程中需要的额外芯片电极工艺以及持续的电压驱动)同时存在多个谐振峰，分别由每一个硫系微环 51对输入光进行相位干涉产生。
42.正常的硫系微环的数量越多，传感信噪比提升越大，本实施例仅以3个硫系微环为例，对系统工作过程作简要说明。在本实施例中，每个硫系微环51的半径为60um，圆心间距为65um，硫系微环51的宽度2um；3个硫系微环51通过一根宽度为1.5um的直波导52串联耦合。由于硫系材料具有光敏特性(即光致折变效应，带隙光照射在材料上引起材料分子结构变化，从而改变材料折射率)，在片上光学微腔阵列传感器件加工完成后，可使用带隙光分别聚焦照射单个硫系微环51，调节其对应产生的谐振峰位置，使得输出光谱中三个谐振峰的中心频率集中在10ghz范围以内，具体如图3中的曲线所示。图3中横坐标表示频率，纵坐标表示光强，3个硫系微环51发生谐振产生谐振峰的点可参见图3，以片上光学微腔阵列传感器件为基本结构，若要监测三个谐振的时域变化，需要产生中心频率分别为f0+f1、f0+f2、f0+f3(这里是指每个谐振的左边带一半功率处的频率) 的激光。
43.在本实施例中，偏振控制器4调整的偏振态为te偏振或tm偏振，以配合系统中光传输。
44.下面基于图2所示的光干涉型传感器结构对系统的工作过程进行说明，结合图1，在系统实际工作时，利用电脑控制信号发生器1在每个采样周期内，按n 个等时间采样间隔依次输出n个频率的多载波正弦波射频信号：f1，
…
，fn，n 个正弦波射频信号输入iq调制器3，设每个采样周期时长表示为t，按n个等时间间隔依次输出n个正弦波射频信号时，每一个正弦波射频信号与采样间隔的对应关系为：在(0～1/n)t时间间隔内，输出频率为f1的正弦波射频信号，依次类推，在(n-1/n～1)t时间间隔内，输出频率为fn的正弦波射频信号，针对于图2所示的光干涉型传感器结构时，设每个采样周期t＝5ns，对应采样频率为200mhz 内，0～1/3t时间间隔内输出频率为f1的正弦波射频信号；同样的，在1/3 t～2/3 t和 2/3 t～t的时间内分别输出频率为f2、f3正弦波射频信号，信号发生器1输出的正弦波射频信号频率随时间的变化关系整体如图4所示，输出的正弦波射频信号接入iq调制器3，将对可调激光器2产生的中心频率为f0的激光进行单边带调制，采样周期内的每个时间间隔内，分别产生中心频率为f0+f1、f0+f2、f0+f3的信号激光多路载波，之后信号激光经过偏振控制器调整所
需偏振态(te或tm偏振)，进入图2所示的光干涉型传感器结构，作为探针分别监测微腔阵列对生物组织内激发的光声信号的时域响应信号，作为探针的信号激光进入光电探测器6，光强度转化为电压强度信号后传输至示波器7，携带光干涉型传感器5对光声信号的时域响应信号被示波器7接收，接收的时域响应信号原始波形图如图5所示，监测光干涉型传感器5在每个采样周期内的3个等时间采样间隔对生物组织内激发的光声信号的时域响应时，提取3个硫系微环51中每一个硫系微环对光声信号的时域响应信号，对图5中a进行局部放大，按照每个采样周期内分别对应的时间段，提取出三个信号激光探针分别的强度变化波形，也即三个硫系微环分别的时域响应信号如图6所示，由于所设计图2所示的微腔阵列的各硫系微环到声源距离的差值远小于信号波长(对于生物光声信号的典型中心频率30mhz，水中声速1500m/s，对应的超声波长为50um)，因此信号传播至各微腔的相位差可忽略不计。
45.对3个时域响应信号作采样周期对齐，并做平均处理，以降低随机噪声，得到图7中随机噪声更低的光声时域信号，在此，采样周期对齐时，假设原本采样时间为：0 1 2 3；0.33 1.33 2.33 3.33；0.66 1.66 2.663.66的三路信号，对齐为：0 1 2 3；0 1 2 3；0 1 2 3，对齐了才能对相同采样时间的三组电压做数值平均，平均信号的信噪比由原始波形的4.10提升至7.09，提升约1.72倍，噪比提升，说明对信号的采集更加清晰，可传感更微小的超声信号，成像质量更高，且符合n次信号平均对噪声的理论抑制比进一步说明可通过继续增加硫系微环的数量(信号数)，提高信噪比。
46.使用成熟的二维步进电机控制系统，用532nm聚焦光源逐点扫描生物组织，对于组织内部不同生物结构以及成分激发出不同强度的光声信号。基于本发明实施例提出的时分复用多载波探测结合光干涉型传感器的超声传感，即可将微弱光声信号转化为极高信噪比的时域电信号，从而生成出具有高灵敏度以及高对比度的组织二维图像。
47.实施例2
48.在本实施例中，可调激光器2为单一的c波段可调激光器。单一个c波段可调激光器2作为探测光源，通过调制的方式生成多路载波信号激光，有效控制了成本，也避免了多路光源复用与解复用的复杂系统的应用。
49.实施例3
50.本实施例根据实施例1所述的基于时分复用多载波探测光干涉型传感器的光声成像系统实现的光声成像方法，该方法的流程图如图8所示，所述方法包括：
51.s1.确定采样周期，利用信号发生器1在每个采样周期内，按n个等时间采样间隔依次输出n个频率的多载波正弦波射频信号：f1，
…
，fn，将n个正弦波射频信号输入iq调制器3；
52.s2.利用可调激光器2产生中心频率为f0的探测激光，iq调制器3基于n个正弦波射频信号对可调激光器2产生的探测激光进行单边带调制，在每个采样周期内产生中心频率为f0+f1、
…
、f0+fn的信号激光，并输入偏振控制器4调整偏振态；
53.s3.通过带隙光聚焦照射，调整光干涉型传感器5的输出光谱同时产生若干个谐振峰，且谐振峰中心频率为f0；
54.s4.调整偏振态后的信号激光作为探针，监测光干涉型传感器5在每个采样周期内的n个等时间采样间隔对生物组织内激发的光声信号的时域响应信号
55.s5.作为探针的信号激光进入光电探测器6，光强度转化为电压强度信号后传输至示波器7，携带光干涉型传感器5对生物组织内激发的光声信号的时域响应信号被示波器7
接收。
56.步骤s5之后还包括：对时域响应信号作采样周期对齐，并做平均处理，以降低随机噪声。
57.显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。