PRApplied|声学超分辨计算成像

撰稿|由课题组供稿

近日，南京大学的卢明辉教授、陈延峰教授课题组与美国宾夕法尼亚州立大学的景云教授合作，提出了一种声学超分辨计算成像的物理机制及系统，实现了远场下单传感器的亚波长成像。该方法具有抗环境干扰的鲁棒性，为复杂环境下单像素声成像提供了解决方案，具有重要的潜在应用价值。相关成果以“Far-Field Subwavelength Acoustic Computational Imaging with a Single Detector”为题，于2022年7月19日发表在物理学期刊《Physical Review Applied》上。

声学成像在很多领域都有广泛的应用，例如生物医学成像、无损检测、水下声纳系统等。然而，传统声学成像的分辨率受到衍射极限的限制，其无法在远场下清晰地分辨成像物体的亚波长特征。如何突破衍射极限实现亚波长成像，是成像领域的热点问题。另外，传统声学成像往往依赖于点对点的探测方式，这种方式的电路复杂，成本昂贵，并且对环境的干扰因素异常敏感。

鬼成像是一种源于光学领域的间接成像技术，可以通过关联“结构化”照明图案和透射场的总强度获得物体的图像。这种基于结构化采样的计算成像方式，由于其非定域性、抗干扰能力强和单像素成像等特点受到研究人员的广泛关注。近年来，该技术也从量子/经典光学系统，拓展至更丰富的粒子（电子、中子）系统及机械波（声波）系统中，展示出丰富的物理效应和应用场景。例如，本课题组提出基于超声波的声全息鬼成像技术，可以实现样品透过率和相位变化的全息成像（https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.034052）；声学时域计算鬼成像具有抗噪声的鲁棒性，能够为复杂噪声环境下的声探测、识别提供了新的解决方案（https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.064044）。

本文结合了计算成像和声学超透镜的设计思路，提出了一种声学超分辨空间鬼成像系统，其仅需单个传感器，即可以实现远场下单点探测的亚波长成像。针对亚波长的成像物体，本工作不仅实验上实现了远场探测下λ/57的成像分辨率，还分析了该系统下倏逝波的传输机制。研究表明，由于物体和掩模版的空间频率卷积作用，物体的倏逝波信息能够编码至远场的行波中。另外，该方法能够很大程度上免疫环境的散射干扰，具有很强的鲁棒性。

通过对比了两种直接成像的方法，本工作展示了声学超分辨空间鬼成像系统的独特优势。当入射声波经过物体之后，携带物体亚波长细节特征的倏逝波，随着传播距离的增加呈指数衰减，其被束缚在物体的近场附近，如图1（a）所示。孔洞结构型超透镜，其作用在物体的近场区域，能够实现倏逝波至行波的耦合传输。但是，倏逝场离开结构表面后，将再次指数衰减，无法传播至更远的探测区域，如图1（b）所示。

图1（c）为本工作的超分辨计算成像系统，该系统基于鬼成像“结构化”采样的思路，在声学超透镜成像架构的基础之上，添加了一组掩膜板，用于成像目标的结构化探测。由于物体和掩模版的空间频率卷积作用，物体的倏逝波分量可以影响透射场整体的行波分量，进而这部分信息可以传递至远场。通过时序上改变掩模版的图案，并依次记录下探测的强度信息。基于计算鬼成像的图像重构算法，通过关联掩模版的空间图案以及对应的透射场的强度，即可恢复出物体的图像。

图1 （a）入射声波经过亚波长物体之后，倏逝场携带了物体的亚波长特征，其随着传播距离的增加呈指数衰减，进而导致远场处亚波长信息的丢失；（b）孔洞结构型超透镜，其作用在物体的近场区域，能够实现倏逝波至行波的耦合传输。但是，倏逝场离开结构表面后，其将再次指数衰减，无法传播至更远的探测区域；（c）声学超分辨计算成像系统示意图

本工作理论上分析了该成像系统下倏逝波的传输行为，并对两种桶探测信号进行分析，表明该系统仅通过透射场行波分量的探测即可恢复出物体的图像（图2）。

图2（a）物体和掩模版的空间频率卷积示意图。Y_b1由所有的波矢分量所贡献，Y_b2仅由行波分量贡献；（b）不同掩模版作用下的桶探测信号

为了验证该成像系统，本工作了开展声学超分辨鬼成像的实验和数值仿真工作。声学超透镜和掩模版图案的相关设计，如图3、图4所示。实验上，传感器分别置于超透镜的近场和远场区域。通过测量一组掩模版对应的透射场强度后（测量次数N = 256），基于二阶关联算法，恢复出“N”、“J”、“U”物体的图像，如图5所示。可以看出，两种探测距离下，成像结果都较好，可以分辨出物体的亚波长细节特征，图像的分辨率约为λ/57。

图3（a）超透镜的结构示意图；（b）超透镜的色散关系

图4 掩膜版的空间信息（a）144×256的局部哈达玛矩阵；（b）不同掩膜版的空间图案

图5 实验结果（a）目标图像；（b）近场探测（D = 0.25λ）时的成像结果；（c）远场探测（D = 2λ）时的成像结果。D为声传感器至声透镜的距离。

为了验证该系统的鲁棒性，本工作进一步研究散射干扰对成像方式的影响。在该实验中，传感器前放置了两个干扰物体，分别为一块带孔洞的钢板和一块多孔海绵，实验装置和成像结果如图6所示。结果表明，散射效应几乎对鬼成像结果没有影响，该方法具有抗环境干扰的鲁棒性。

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图6 干扰环境下的实验结果（a）实验系统示意图；（b）远场探测（D = 2λ）时的成像结果

本工作为声学超分辨空间成像以及倏逝场的探测提供了新的方法。理论上，该工作分析了计算成像系统中倏逝波的传输行为，为远场超分辨成像提供理论支持。实验上，实现了λ/57的亚波长成像分辨率，并验证了该方法具有抗环境干扰的鲁棒性。相比传统的直接成像方法，声学超分辨计算成像系统具有以下特点和优势：（i）远场亚波长的成像能力；（ii）对环境中非相关散射不敏感，表现出较强的鲁棒性；（iii）仅需单个传感器即可成像，无需空间声场扫描，并且传感器的位置非常灵活。因此，本工作为复杂环境下单像素声成像提供了解决方案，具有十分重要的应用价值。

南京大学的卢明辉教授为论文通讯作者，南京大学的陈延峰教授、宾夕法尼亚州立大学的景云教授对研究工作提供了重要指导；论文第一作者为南京大学博士研究生田源。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等相关项目的支持。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014046