聲全息

聲全息（acoustical holography）是將全息照相原理引入聲學領域而形成的聲成像技術。又稱聲全息術。

全息照相原理是利用干涉原理來獲得被觀察物體聲場全部信息（振幅 分布和相位分布），並利用衍射原理再現物體的像。它一般包括獲得聲全息圖和由聲全息圖重建物體可見像。

基本介紹

• 中文名：聲全息
• 外文名：acoustical holography
• 別稱：聲全息術
• 特徵：全息照相原理引入聲學的成像技術

原理

聲全息是在20世紀60年代中期把全息技術引進聲學領域而形成的新學科，它是為了檢測和顯示可見光及X射線不透明的媒質中的結構而提出來的。聲波與光波在傳播特性上有相似的規律，都可利用“波陣面重建”原理進行成像。最早的聲全息成像即超聲液面全息就是參照光全息的方式。在水槽中由一個物波換能器發射的超聲束，穿過被觀察物體後投射到位於水面的液膜上；而由另一個參考波換能器發射的同頻率超聲束直接投射於液面。兩波在液面上疊加干涉形成的聲強分布，使液膜產生相應的形變構成全息圖。然後，在液面上方用雷射束照射液膜，通過光學重建獲得物體圖像。液面全息的優點是能實時重建圖像，缺點是液膜易受干擾且不穩定。又因光與聲的波長相差約五個數量級，故用光波對聲全息圖進行重建，會因縱向解析度畸變而使圖像失去三維性。

聲全息

隨後出現的掃描聲全息充分發揮聲波自身的特點。特別是利用聲學中有線性檢測器（傳聲器、水聽器、接收換能器等）可直接測出物波衍射場的幅度與相位，轉換為電信號。參考波也可用電信號模擬。兩者的相干可用電子學方法實現，因而能方便地獲得物波場的全息數據（聲全息圖）。將全息數據轉換為光學圖樣，可用於光學重建；運用計算機與數位化技術，則可更靈活地進行數據處理與圖像重建。最簡單的掃描方式是單探頭掃描，即只用一個聲接收換能器，在物波衍射場的選定平面上進行格柵式掃描。為提高記錄速度，後採用線陣掃描。但任何機械掃描均受各種限制而不可能太快（相對於聲速），難以用於運動物體的成像，因而出現了二維陣成像系統。二維陣多用方陣（陣元數N×N）或矩形陣（陣元數N×M）。為保證成像的解析度，陣的孔徑需足夠大；要達到一定視野和對比度，又需有足夠的陣元數。這無疑增加了系統硬體的規模和複雜性。要用較少的陣元獲得較大的孔徑，出現了發射陣與接收陣的綜合孔徑技術的成像系統。其中典型的有日本沖電氣公司研製的4×4發射陣與32×32接收陣綜合孔徑聲全息水下成像系統。該系統採用計算機重建，成像速率為1幀/2秒。

上述各種聲全息系統的成像距離d都遠大於聲波波長λ，即d>>λ的較遠距離，習慣上稱為常規聲全息。20世紀80年代，美國賓夕法尼亞大學的J.梅納德、E.威廉斯等提出適用於成像距離甚小於聲波長，即d<<λ的近場聲全息（NAH）。由於在極臨近被測聲源或物體的距離上測量，故除常規全息所接收的攜有目標結構低空間頻率信息的傳播波成分外，還能收到隨距離迅速衰減的倏逝波成分。而這種倏逝波成分攜有目標細結構的高空間頻率信息。所以，用記錄有傳播波和倏逝波成分的全息數據，進行圖像重建（稱為廣義聲全息重建），其成像解析度不受瑞利解析度極限（λ/2）的限制，可達到輻射聲波長的幾分之一，甚至幾十分之一。

低頻聲的波長較長，容易滿足d<<λ的條件。因而，近場聲全息特別適合於對低頻聲源進行空間定位和振動模式的準確測定。主要用於空氣中噪聲源的定位，振動物體（機器、樂器等）的模態分析。中國科學院武漢物理與數學所研製出32陣元接收線陣掃描NAH系統，在空氣中測出了古代樂器曾侯乙編磬的振動模式。

為有效測得全息數據，通過計算機進行快速傅立葉變換的運算，可方便地獲得被測聲源或目標的重建像。關鍵問題是要做到實時重建，尚需解決高密度二維接收陣和多通道快速並行處理數據的難題。當然，與其他聲成像技術一樣，研究被測聲源或目標的聲學特性，始終是獲得高質量圖像的基本物理問題。

成像的種類

聲全息的具體成像方法的種類很多，液面聲全息和掃描聲全息是最常用的兩種。液面聲全息是利用液面的變形來形成聲全息圖的。頻率為兆赫級的信號源同時激勵兩個聲源。透過物體後的物波與參考聲波在液面上相互干涉，在液面上形成了聲全息圖。當雷射照射該液面時，聲全息圖表面就把相位變化加到反射光束上，使光束產生衍射，利用光闌，只讓強度同液面上干涉圖樣振幅變化成正比的一級衍射光通過，經攝像頭接收後就可以在螢光屏上直接觀察到物體的實時重建像。若用寬度約數百個聲波周期的聲脈衝來進行液面聲全息，並採用同步的脈衝雷射來重建可見像，可以提高成像質量。

液面聲全息的優點是能實時重建物像，因此可以觀察動目標。但為了獲得可分辨的圖像，液面處需要的最低聲強為10^－3—10^－5W/cm²，所以其靈敏度較低，不宜用於較大距離的檢測。
掃描聲全息是一種靈敏的成像方法，它成像所需的聲強只要10^－11W/cm²。它是採用一個點接收器在物波與參考波重疊聲場的全息記錄平面上掃描，來獲得每一點上的相位和振幅信息。若用這個信號調製一同步掃描的點光源，使底片感光，就能得到一幅聲全息圖。當然，掃描的也不一定必須是接收器，也可以是聲源或被測物體，甚至也可以是聲源和接收器一起進行掃描。

在掃描聲全息中，也可以不用參考聲源，點接收器提供的物波信號可以直接與超音波發生器提供的參考電信號相互疊加，然後輸至顯示器，以顯示聲全息圖。這種方法不僅比較簡單，而且還有減少聲干擾信號的明顯優越性。

在由聲全息圖重建物像的方法中，除光學法重建外，隨著高速通用數字計算機的發展，以及快速傅立葉變換和阿達瑪變換等算法的出現，在聲全息中利用電子計算機進行成像處理技術也得到了發展。這種數字聲全息技術通常用換能器對聲全息圖或被物體散射的波陣面的相位和振幅進行掃描，而獲得數位化超聲數據；然後對數位化數據進行濾波或其他數位訊號處理，在計算機內重建數字物像，最後再顯示聲全息物像。由於超聲數據的數位化 ，不僅可以很方便地使用各種數字濾波技術來消除圖像中噪聲，提高成像質量，而且也便於進行圖像平移、圖像變換及圖像彩色編碼等處理工作，從而減小了像液面聲全息中菲涅耳環的干擾和在掃描聲全息中聲波多次反射、折射所造成的像的畸變。而且，數字相位檢測技術允許使用寬頻的發射脈衝，這又使空間解析度得到顯著的提高 。

技術套用

聲波能通過不透光的物質（霧氣、渾水、金屬等），故聲全息在獲得這些物質中物體形狀及其結構的可見圖像方面具有獨特優點，在材料缺陷的無損檢測、水下物體的探測與識別、人體病灶的醫學診斷的套用上，有重要套用價值。

聲全息仍是一項正在發展並具有巨大潛在套用的技術。從技術條件和套用需求來看，用於醫學診斷的實時、三維聲全息成像技術可望首先取得突破性進展。