周書宇，李東杰

（中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽 621900）

1 前言

聲光成像技術(shù)結(jié)合了光學(xué)成像的高分辨率和超聲成像的成像深度,對生物組織、隱藏物體能夠非入侵式的無損和高分辨成像?；趧討B(tài)散斑的聲光成像方法，用聲信號以聲壓傳感面為介質(zhì)來引起散斑的動態(tài)變化，通過動態(tài)散斑的分布來重建聲信息實現(xiàn)成像。避免了使用大量的聲壓傳感單元所帶來的系統(tǒng)高復(fù)雜度和高成本，成像系統(tǒng)簡單成本低。同時，由于散斑圖像對聲壓傳感面的微小變化極為敏感，極小的面起伏便可引起散斑圖的分布的明顯變化，成像有較高的分辨率。

目前，基于動態(tài)散斑的光聲成像方法的研究主要聚焦于動態(tài)散斑重建聲壓傳感面上聲信息的方法。Terence S.Leung等人研究了聲學(xué)調(diào)制動態(tài)散斑對比度規(guī)律，實現(xiàn)了隱藏物質(zhì)的顏色探測 Aner Lev等將功率譜方法和動態(tài)散斑探測方法結(jié)合起來，實現(xiàn)了隱藏物體成像。Aner Lev等的方法可以實現(xiàn)成像,但此法受制于光學(xué)CCD的采樣頻率，且為滿足功率譜方法的運算條件，需要大量的采樣時間?；趧討B(tài)散斑聲光成像系統(tǒng)成像時的問題有：（1）把聲壓傳感面上的聲強(qiáng)分布作為目標(biāo)的重建像,沒能給出理論分析；（2）這種通過對動態(tài)散斑圖中各像素求功率譜來確定聲強(qiáng)分布的方法要求CCD采樣頻率是聲頻率的兩倍，并且需采集足夠的散斑圖像以用于功率譜計算將耗費大量的時間。

針對動態(tài)散斑聲光成像重建目標(biāo)像時缺少的理論分析以及功率譜方法受到的限制,本文分析了傳感面上聲壓與物體形貌分布的關(guān)系為基于動態(tài)散斑的聲光成像提供了可靠的理論依據(jù)。探究了目標(biāo)與聲壓傳感面間距對成像的影響，并提出了比較CCD相機(jī)各像素點散斑光強(qiáng)動態(tài)變化范圍的方法來對目標(biāo)進(jìn)行形貌重建。通過仿真對不同目標(biāo)進(jìn)行成像，驗證了所提出成像方法的有效性。經(jīng)理論分析此方法的成像分辨率僅受到CCD相機(jī)像素數(shù)目的影響，成像能達(dá)到光學(xué)成像分辨率。

2 成像系統(tǒng)及理論分析

如圖1所示為基于動態(tài)散斑的光學(xué)成像方法系統(tǒng)示意圖，主要由激光器、擴(kuò)束鏡、粗糙的聲壓傳感薄面、光學(xué)透鏡、CCD相機(jī)以及聲源組成，且粗糙傳感面和CCD相機(jī)感光面分別位移光學(xué)透鏡的物面與像面，待測目標(biāo)物體緊靠聲壓傳感面。聲源向待測目標(biāo)發(fā)出頻率為fo的聲波，聲波透過傳感面后打到物體上，被物體反射作用在傳感面上。因此，傳感面收到由聲源發(fā)出的入射波與被物體反射的聲波共同作用而振動。這個振動將會調(diào)制被擴(kuò)束鏡擴(kuò)束的入射光波進(jìn)而調(diào)制反射光波。由于物體傳感面表面粗糙，使得反射的光波干涉形成散斑圖像，又由于傳感面振動，因此散斑圖像將是動態(tài)的，最終這些圖像被CCD相機(jī)記錄。

圖1 基于動態(tài)散斑的光學(xué)成像方法系統(tǒng)示意圖

聲壓傳感面和CCD相機(jī)感光面分別位于光學(xué)透鏡的物面與像面，理論上CCD上每個像素所接受到的光強(qiáng)受相應(yīng)的粗糙面上的區(qū)域控制，依照CCD的像素數(shù)目N×N將聲壓傳感面劃分為N×N各區(qū)域，對任意一個區(qū)域，它所接受到的聲強(qiáng)可以表示為：

式中，IB表示環(huán)境噪聲；Ii為由聲源發(fā)射的入射聲波；Ir為被物體發(fā)射的聲波。

顯然，我們可以通過屏蔽噪聲或者加大入射聲波功率的方法來使得環(huán)境噪聲可以忽略不計，即IB=0。并且區(qū)域單元屬于背后沒有物體的單元時如圖2（b）中單元1，由于物體緊靠，反射的聲波無法傳播到該單元因而該單元的Ir值為0，而背后存在物體的單元如圖2（b）中單元2，Ir值則不為0。這導(dǎo)致傳感面上背后存在目標(biāo)物體的區(qū)域聲強(qiáng)值大于不存在物體的區(qū)域，即這些區(qū)域單元有更大的起伏（單元2的起伏大于單元1的起伏），這些起伏將影響CCD上的散斑光強(qiáng)分布。又由于每個單元區(qū)域與CCD上的像素點一一對應(yīng)，因此如圖2（c）所示的像素點1接收到的光強(qiáng)的變化范圍小于像素點2的變化范圍，所以可以通過確定CCD相機(jī)上有更大光強(qiáng)動態(tài)范圍的像素點區(qū)域來確定物體的像。

圖2 重建成像分析圖

為找到光強(qiáng)變化有更大動態(tài)范圍的像素點，對每個CCD像素點繪制每個像素上獲取的光強(qiáng)隨時間的變化規(guī)律，將有更大動態(tài)范圍的像素點標(biāo)記出來。這些更大動態(tài)范圍的像素點所構(gòu)成的區(qū)域正好構(gòu)成了物體的形貌分布。

3 仿真成像

對如圖3所示的目標(biāo)依本文所述第一章所述方法進(jìn)行仿真成像。用Matlab依圖3所示流程獲數(shù)值仿真取動態(tài)散斑圖組。首先，將目標(biāo)轉(zhuǎn)換為二值化的矩陣即存在物點時矩陣元的值為1，不存在物點時矩陣元的值為0。輸入二值矩陣UO作為目標(biāo)，對UO附加時間因子并與入射聲波矩陣UR相乘得到反射聲矩陣UACC與UR疊加得到聲場分布矩陣UZ，UZ是傳感面上各點的離面振動矩陣，調(diào)控附加隨機(jī)相位幅值為1的平面光矩陣，進(jìn)行兩次傅里葉變換后獲得成像平面上的光強(qiáng)分布動態(tài)矩陣UI。存儲UI并可視化輸出散斑記錄為一幀圖像，隨機(jī)步長改變時間因子記錄圖像。

圖3 仿真獲取動態(tài)散斑流程示意圖

對獲取的多幀散斑圖像，對每個像素做像素接收光強(qiáng)隨時間的變化曲線圖，圖4（b）給出了典型的光強(qiáng)變化動態(tài)范圍大的像素點與光強(qiáng)變化動態(tài)范圍小的像素點接收到的光強(qiáng)隨時間變化的動態(tài)范圍。并把動態(tài)范圍大的點標(biāo)記為白點動態(tài)范圍小的點標(biāo)記為黑點，當(dāng)完成所有像素點的標(biāo)記后，即獲得物體的像如圖4（c）所示。改變目標(biāo)形狀如圖4（d），依照相同的獲取散斑與重建流程成像結(jié)果如圖4（e）。通過此仿真證明了我們提出的成像方法能實現(xiàn)隱藏在傳感面后的物體的成像，與理論分析的結(jié)果相同。

圖4 實驗結(jié)果

4 討論與分析

本文提出的基于動態(tài)散斑的聲光成像方法，是通過建立起CCD相機(jī)像素點與對應(yīng)的聲壓傳感面劃分單元區(qū)域的關(guān)系來標(biāo)記物點的方式。顯然，由于CCD相機(jī)只能讀取整數(shù)個像素點，所以這里要求對區(qū)域的劃分不能超過CCD相機(jī)的像素，并且CCD的像素大小應(yīng)為劃分區(qū)域的整數(shù)倍，當(dāng)劃分單元數(shù)與CCD像素數(shù)相同時達(dá)到此法的成像極限分辨率。這種方法將聲波作為探測波能夠穿透作為遮擋物的介質(zhì)，將介質(zhì)作為成像的探測口徑，這里由于探測目標(biāo)與探測口徑緊靠，根據(jù)衍射極限分辨率公式:

式中，λ為聲波波長，D為探測口徑大小，L為待測物到口徑的距離，Δx為距離分辨率。

L趨近于0使得成像分辨率不受聲衍射極限的限制，而僅受到CCD相機(jī)分辨率的影響。因此基于動態(tài)散斑的聲光成像方法不僅能實現(xiàn)對被遮擋物的成像且成像像素能達(dá)到CCD相機(jī)的像素，即達(dá)到光成像的分辨率。

應(yīng)該指出，當(dāng)待測物體原理聲壓傳感面時，由于反射聲波需要經(jīng)過傳播后才能到達(dá)聲壓傳感面，按照波的衍射，傳播后的反射聲波往往大于傳感面，這使得傳感面上每個區(qū)域都能接收到反射聲波，導(dǎo)致無法在CCD上確定需要的光強(qiáng)動態(tài)范圍更大的像素點，最終導(dǎo)致無法成像。因此本文提出的成像方法需在待測物體緊靠聲壓傳感面的場景應(yīng)用。

除此之外，CCD相機(jī)上各像素光強(qiáng)大小隨對應(yīng)聲壓傳感面上區(qū)域的起伏大小的規(guī)律值得額外關(guān)注。眾多研究表明，CCD上各像素光強(qiáng)大小變化與對應(yīng)區(qū)域起伏大小之間存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過確立此數(shù)學(xué)關(guān)系，就能通過獲取光強(qiáng)的方式獲得傳感面上各點的離面位移值，這將使得動態(tài)散斑聲光成像的方法基本原理能夠運用于聲壓、聲強(qiáng)值的探測，基于動態(tài)散斑的聲光成像方法值得進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語

本文通過理論分析獲得了基于動態(tài)散斑的聲光成像方法，通過仿真驗證了該方法的正確性，分析成像方法的成像分辨率。理論和仿真分析得到的結(jié)論如下：

（1）成像系統(tǒng)中CCD各像素的光強(qiáng)變化范圍被與之對應(yīng)聲壓傳感面區(qū)域調(diào)控，因此能夠通過確定聲強(qiáng)變化動態(tài)范圍更大的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對物體的成像。

（2）這種成像方法不受聲衍射極限分辨率的影響，僅受到CCD像素大小的限制，其成像分辨率能達(dá)到光成像分辨率。

（3）聲壓傳感面上各區(qū)域的起伏大小與對應(yīng)的CCD像素點上的光強(qiáng)大小可能存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，這有待進(jìn)一步研究。