超声全息鬼成像

撰稿|鲁强兵

近日，来自南京大学现代工程与应用科学学院，固体微结构物理国家重点实验室陈延峰教授、卢明辉教授课题组和曹文武教授合作研究提出了一种超声全息鬼成像技术（Ultrasonic Holographic Ghost Imaging, UHGI）。相较于传统光学鬼成像只能获得样品强度信息（光学透射率或者反射率），该技术以一种简单的实验设置，实现了对样品超声波透射率和相位变化的同时成像（全息成像）。该技术有望在生物样品成像，无损检测，超透镜表征等领域实现广泛应用。成果以“Ultrasonic Holographic Ghost Imaging”为题于2022年3月21日发表在《Physical Review Applied》上。

在过去二十多年里，鬼成像因为其神秘的发生机制和潜在的应用，被广泛地研究，并取得了巨大进步。然而，现有技术无法对可见光波段电磁波的时间波形进行直接探测（只能探测到光的强度），传统的鬼成像模式只能对物体的幅度（透射率或者反射率）进行成像，而对物体进行幅度和相位同时成像需要设置复杂的干涉光路。近年来，对太赫兹电磁波的时间分辨测量验证了鬼成像可以实现幅度和相位的全息成像，展现了潜在的应用价值。相较于太赫兹，超声波更容易发射，调控和探测，更短的波长意味着更高的相位和空间分辨率，以及相比而言超声波更适合水下目标的成像。

本文提出一种基于超声波的声全息鬼成像技术，使用多通道阵列换能器发射声波，通过对阵列超声换能器发射声波进行编码，将水听器接受的声波和编码矩阵进行关联计算，可以实现样品透射率和相位变化（声程差引起的时间延时）的全息成像。结合近场成像，空间分辨率(由换能器单元尺寸决定)可以达到0.3 mm，小于二分之一对应频率的水中波长。整个实验设置简单，易于操作，获得的图像信噪比高。本研究有望拓展传统声学成像，对生物切片样品进全息成像，此外，在无损检测，声学超表面成像、水下目标探测上亦有应用价值。

该成像技术基于128单元的线性阵列换能器来演示，实验设置如图1所示。线性阵列换能器由一台多通道超声研究平台（STD128, Vantage Verasonics）驱动，编码控制换能器不同单元发射超声波，发射的声波经过样品，再通过一段脱气水，最终被水听器接收。在这里，我们使用哈达码（Hdamard）矩阵对发射的声波进行编码，以期望获得较大的信噪比。

论文对两个样品进行成像，以展示UHGI成像性能。第一个样品是光固化3D打印的透明黄色聚合物，如图2（a）所示。样品的厚度为0.7毫米，宽度为6毫米，一系列矩形凹槽，深度从0.6毫米到0.175毫米不等，共18个矩形槽，间距为0.5毫米，相邻槽之间的深度差为0.025毫米。由于声波在样品中的衰减大于水中，随着凹槽深度的加深，样品中的波传播路径变短，透射率略有增加，如图2（b）中的上虚线所示。值得注意的是，在凹槽边界处，透射率异常低，如图2（b）中的红色圆圈所示。原因是槽边界正好在换能器单元上，单元辐射的超声波被分为两部分，一部分通过较厚的固化树脂传播，另一部分通过槽中较薄的固化树脂传播。一旦两部分超声波到达水听器，由于相位差，它们将无法保持相干叠加。随着凹槽深度的减小，这种效应变得不那么明显，透射率略有增加证实了这一点。

因为超声波的相位改变相当于时间延迟，这里我们用时间延迟来表示相位改变。如图2（c）所示，延时与凹槽深度匹配良好。我们用图2（c）中的红色实线拟合所有凹槽位置的数据。根据 -4.263 ns/mm的斜率，相邻凹槽之间的深度差为0.025 mm，相邻凹槽之间的间距为1.5 mm。可以计算出，槽深每增加0.025 mm，延时增加6.3945 ns。在此基础上，我们可以计算出样品中的声速为2420 m/s，与实际测量结果2450 m/s的误差仅为1.2%。

鬼成像具有抗干扰能力，信噪比与采样矩阵有关。研究表明，哈达玛矩阵编码具有相当强的抗噪性。图3（a）和3（b）是样品响应和参考信号的卷积，数据由图2（b）或图2（c）中标记红星的固化树脂样品中获得的数据分别通过UHGI和逐点扫描成像获得。蓝色曲线是信号的包络线（黑色曲线）。我们将前2000个数据点的均方根（RMS）作为噪声级，最大值作为信号。研究发现，在2V的激励电压下，UHGI的SNRh为86.0154，是逐点扫描成像获得的7.5428 SNRr的11.4倍，结果与理论分析（详细请见论文全文）一致。

由于本实验使用近场成像，成像分辨率极限由换能器单元尺寸决定。我们准备了第二个样品来测试成像的空间分辨率。如图4（a）所示，通过激光切割在厚度为0.1 mm的钢板上加工一系列空心结构。最小间距为0.3 mm，然后是相同长度的钢挡板。每个空心宽度增加0.3 mm，共有10个空心。如图4（b）所示，透射率的实验结果与空穴一致，包括最小空穴0.3 mm。

在0.3 mm钢挡板处，透射率相对较大，这是由于钢挡板对发射元件的部分阻挡造成的。此外，与相邻图像数据的透射率对比度为35%（左侧透射率为0.82，右侧透射率为0.84，平均透射率为0.83，在0.3mm钢挡板处透射率为0.54，因此对比度=（0.83-0.54）/0.83~34.94%），超过了瑞利标准要求的20%对比度，表明精细结构可以得到有效分辨。结合近场成像，证实本实验的成像分辨率取决于换能器单元的尺寸，而不是波长。由于钢板的低透射率，在这种情况下很难进行相位成像，如图4（c）所示。

综上研究发现，在超声波段可以有效实现全息鬼成像。UHGI在更广泛的应用领域具有应用潜力，如医学成像、声全息图表征、超表面和固体内部缺陷的无损评估，水下目标探测等。结合样品的幅度信息和相位信息，可以更好的确定样品的结构形态和材料类型。

南京大学现代工程与应用科学学院卢明辉教授，曹文武教授为论文通讯作者；南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰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鲁强兵。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金，苏州国际声学产业技术研究院的支持。