光声多普勒效应的角度相关性实验研究

摘要

自1880年光声效应被发现以来，由于其光学激发、声学检测的独特优势，基于光声效应的测量技术有了长足发展。其中，光声多普勒技术在微流体速度测量方面显示了重要应用前景，是本文研究的主要内容。由于聚苯乙烯光吸收性颗粒与血红细胞在激光辐射时均可以产生热弹性膨胀进而产生超声波，实验中采用了尺寸相当的微米球形聚苯乙烯颗粒在微软管中流动来模拟血红细胞在血管中的状态。静止的颗粒作为光吸收体和超声波发射源，发出的超声波频率等于激光的调制频率。当颗粒随流体运动时，根据多普勒效应，颗粒发出的声波将产生多普勒频移，并且由于速率分布将在频移附近有频谱展宽。实验中利用聚焦型水浸式超声换能器收集微弱的超声波，经前置放大后利用锁相放大器获取时域信号，再通过傅里叶变换得到频域信息。最后通过对信号的综合分析，获取流体的速度信息。
　　多普勒频移取决于流体的速度矢量，因此本文分别研究了频移与流体速度大小和方向的对应关系，对后者的研究目前还未见报道。设定参考频率等于调制频率时，固定多普勒角度不变，得出多普勒频移与流体平均速度大小成正比;固定流体平均速度大小不变，得出多普勒频移与探测角的余弦值成正比。本文还提出了一种基于频域信号判断流速方向的方法:在参考频率与调制频率之间人为引入一个频率差，通过分析在频域上此频率差两侧的多普勒信号分布，可以直观地得到朝向或背离换能器的流动速度方向信息。
　　利用光声多普勒效应来测量微循环中血流矢量信息，对于毛细血管的活体探测以及微循环系统的3D重构具有潜在的研究价值和前瞻性的指导意义。而这种基于光声效应的无损探测方式在临床研究和早期病变诊断中也将具有丰富的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第一节 研究的目的和意义

第二节 光声成像的发展和研究现状

第三节 光声多普勒技术特点和研究进展

第四节 论文内容与创新点

1．4．1 论文内容

1．4．2 本文创新点

第二章 光声多普勒测流速技术相对于常用多普勒技术的特点

第一节 多普勒效应原理和多种多普勒测流速技术概述

2．1．1 多普勒效应原理

2．1．2 多种多普勒测流速技术概述

第二节 激光多普勒测流速

第三节 光学相干层析多普勒测流速

第四节 超声多普勒测流速矢量

2．4．1 超声多普勒测流速大小

2．4．2 超声多普勒频移测量流速方向

第五节 光声多普勒测流速技术

第六节 小结：光声多普勒测流速技术与其他几种多普勒测流速技术比较

第三章 颗粒光声多普勒效应的基本原理

第一节 单个静止球形颗粒光声效应的产生

第二节 运动颗粒的光声多普勒效应

第四章 光声多普勒测量实验系统

第一节 实验系统整体介绍

第二节 激光的调制

第三节 分散液流动状态

第四节 超声波换能器

4．4．1 超声波物理基础

4．4．2 超声波换能器的原理与结构

4．4．3 超声波换能器的平均多普勒频移与收集角关系

第五节 微弱信号检测

4．5．1 微弱信号检测概述与常规检测方法

4．5．2 锁相放大器原理及应用

4．5．3 正交矢量型锁相放大器结构

第五章 实验结果及讨论

第一节 系统调节过程、水箱材质影响及噪声分析

5．1．1 实验系统调节

5．1．2 水箱材质对实验影响

5．1．3 实验噪声

第二节 光声多普勒频移与颗粒运动速度大小关系

5．2．1 环形小管测量光声多普勒频移与颗粒运动速度大小关系

5．2．2 直管测量光声多普勒频移与颗粒运动速度大小关系

第三节 光声多普勒频移随角度变化

5．3．1 光声多普勒频移与探测角度关系

5．3．2 利用参考频率不同于调制频率方法研究光声多普勒频移与探测角度关系

第四节 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的论文与研究成果