一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置

本发明涉及声学超分辨聚焦，具体涉及一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置。

背景技术：

1、传统声学聚焦在空间分辨率上遵守瑞利判据和阿贝衍射理论,即存在空间分辨率无法突破衍射极限。如何对方法以及对聚焦器件进行结构层面优化设计，突破声学衍射极限限制，实现声场的超分辨聚焦，是困扰声学聚焦领域研究的重要难题。通过调控携带物体亚波长细节特征的倏逝波，可以将聚焦斑点尺寸减小至瑞利极限以下，从而实现超分辨聚焦，现有的超分辨聚焦技术基本分为通过设计负折射率超材料平面透镜(光学或声学超透镜)重建倏逝波和采用极端各向异性(椭圆或者双曲色散)的共振超材料，将倏逝波转为传播波。

2、现有的装置中，如果想要超分辨聚焦性能进一步加强，不可避免地需要调整涡旋聚焦装置的结构尺寸，以helmholtz谐振腔型涡旋聚焦装置为例，helmholtz谐振腔型涡旋聚焦装置为了强化声学超分辨涡旋聚焦的效果，即聚焦声斑的半高全宽(fwhm)进一步缩小，可以结合二元相位调制，调整谐振腔的宽度。结构尺寸调整设计繁琐，还需要进一步的结构优化设计。因此探索在不改变原有声学涡旋聚焦装置结构尺寸的情况下使得声学超分辨的效果进一步加强的装置十分必要。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其可以在通过装置实现超分辨聚焦的基础上，通过旋转多普勒效应进一步增强超分辨聚焦效果。

2、为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，包括pml完美匹配层、平面声波涡旋转换器和聚焦透镜；所述pml完美匹配层具有介质域；所述平面声波涡旋转换器设置在所述介质域内；所述聚焦透镜设置在所述介质域内。

4、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述平面声波涡旋转换器和聚焦透镜的中轴线重合。

5、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述平面声波涡旋转换器包含有多个第一扇形构件。

6、多个第一扇形构件依次拼接并构成圆柱形。

7、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述聚焦透镜包含有多个第二扇形构件。

8、多个第二扇形构件依次拼接并构成圆柱形。

9、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述第一扇形构件和第二扇形构件均包含有：中心实体、同心扇区和隔板；

10、所述隔板配置为与所述中心实体和同心扇区连接。

11、所述同心扇区为由四个亥姆霍兹谐振腔和一个法布里-珀罗谐振腔耦合而成的超材料结构单元。

12、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述介质域为空气域。

13、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述超材料结构单元的长度配置为最初入射声波波长的一半。

14、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述超材料结构单元的宽度配置为最初入射声波波长的十分之一。

15、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述平面声波涡旋转换器和聚焦透镜的间距为375mm。

16、所述平面声波涡旋转换器的半径与聚焦透镜的半径相同。

17、所述平面声波涡旋转换器的厚度与聚焦透镜的厚度相同。

18、本公开至少一实施例提供的基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置中，所述平面声波涡旋转换器具有八组第一扇形构件，每组所述第一扇形构件的圆心角均为45°，每组所述第一扇形构件具有三组同心扇区；

19、所述聚焦透镜具有四组第二扇形构件，每组所述第二扇形构件的圆心角均为90°,每组所述第二扇形构件具有十六组同心扇区。

20、本发明的有益效果为：

21、1.将旋转多普勒效应与超分辨聚焦相结合，在不改变原有装置结构尺寸的前提下，通过频移来产生旋转多普勒效应，使得装置产生的涡旋聚焦声斑的半高全宽进一步缩小，进一步增强超分辨的效果。

22、2.通过无源的方式产生涡旋聚焦声波，避免了复杂的声学换能器阵列设计，其中平面声波涡旋转换器只在部分范围内分布四个亥姆霍兹共振腔和一个法布里-珀罗谐振腔组合，极大简化了转换器整体结构；同时，通过结构调整，可是实现多种高阶涡旋的生成。

23、3.根据涡旋相位公式和聚焦相位公式离散出转换器和聚焦透镜每组结构对应的相位，将每环超材料单元中直管宽度和相位匹配，通过小范围内调整超材料单元的腔宽和直管宽度，可以实现在轴向不同位置的涡旋聚焦，转换器和聚焦透镜的厚度和半径保持不变，流程简单。

24、4.结构紧凑，占用空间小，制造成本低，可应用于声学成像、探测、通信等领域。

技术特征：

1.一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述平面声波涡旋转换器和聚焦透镜的中轴线重合。

3.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述平面声波涡旋转换器包含有多个第一扇形构件；

4.根据权利要求3所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述聚焦透镜包含有多个第二扇形构件；

5.根据权利要求4所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述第一扇形构件和第二扇形构件均包含有：

6.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述介质域为空气域。

7.根据权利要求5所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述超材料结构单元的长度配置为最初入射声波波长的一半。

8.根据权利要求7所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述超材料结构单元的宽度配置为最初入射声波波长的十分之一。

9.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述平面声波涡旋转换器和聚焦透镜的间距为375mm；

10.根据权利要求5所述的一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，其特征在于，所述平面声波涡旋转换器具有八组第一扇形构件，每组所述第一扇形构件的圆心角均为45°，每组所述第一扇形构件具有三组同心扇区；

技术总结本发明涉及声学超分辨聚焦技术领域，具体公开一种基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置，包括PML完美匹配层、平面声波涡旋转换器和聚焦透镜；所述PML完美匹配层具有介质域；所述平面声波涡旋转换器设置在所述介质域内；所述聚焦透镜设置在所述介质域内；该基于旋转多普勒效应的超分辨声涡旋聚焦装置能通过旋转多普勒效应，使得装置产生的涡旋聚焦声斑的半高全宽进一步缩小，进一步增强超分辨的效果。技术研发人员：顾敏,陈亚辉,刘冬梅受保护的技术使用者：华南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17