两江科技评论

2019-01-22

导读：近期,来自麻省理工学院（MIT）机械学院的Nicholas X. Fang教授研究团队利用声学超材料在基于空间滤波和波矢转换的远场声学亚波长成像方面取得了重要研究成果.

导读

近期来自麻省理工学院（MIT）机械学院的Nicholas X. Fang教授研究团队利用声学超材料在基于空间滤波和波矢转换的远场声学亚波长成像方面取得了重要研究成果，该研究工作以“Far-field acoustic subwavelength imaging and edge detection based on spatial filtering and wave vector conversion”为题发表在2019年1月14的Nature Communications上。

DOI：10.1038/s41467-018-08221-7

背景

声学成像技术现已广泛应用于各个领域，如医学超声成像、无损检测、水下声呐系统和声源定位等。受波的衍射限制，传统的声学成像大多利用基波信息成像，而携带物体精细信息的高频信息则存在于易于衰减的倏逝波（evanescent aves）中。

为了突破衍射极限，近场扫描成像（near-field scanning technique）作为最早应用的亚波长成像技术出现了，但是，它需要近距离地（亚波长范围）接触成像物体，这样一来就极大地限制了它的应用。在过去的几十年中，基于声学超材料的透镜已经展示了在亚波长范围成像的潜力：在超材料内部，通过对色散关系和有效材料特性进行调整，便可以得到支持倏逝波传播的超材料；通过近场中的声超材料透镜耦合，物体的倏逝波可以被更远地测量。尽管已可以使用超材料技术来扩展倏逝波的传播距离，但是超材料内的共振结构将会引起声波热粘性损耗，降低超材料的实用性。

如果能够把倏逝波转换为行波，再把行波转换为倏逝波进行成像，那么将会极大程度提高远场亚波长成像的能力。近期来自麻省理工学院（MIT）机械学院的Nicholas X. Fang教授使用声学超材料对这一问题给出了这样的新思路。

创新研究

图一：系统示意图和系统的工作流程

上图是系统示意图和系统的工作流程，一共分为四步。第一步是使用亚波长谐振器阵列（表示为滤波器层）放大选定的亚波长空间频率；第二步是使用二元相位栅（表示为栅极层）来消除入射行波分量并把入射的倏逝波分量转换为行波。这两步的结构构成系统的发送器，并建立亚波长倏逝波与行波之间一一对应的关系。在这个过程中我们并不直接测量转换的行波，而是使用对称结构把自由空间传播的行波再次转换成倏逝波；第三步和第四步正好与第二，第一步相反。

图二：滤波层的透射性质

过滤层的模型几何参数为：b₁=5mm，a₂=2.5mm，c=2.5mm，b₂=0.75mm，h=5 mm和d₁=2.75mm。通过改变a₁，可以调整滤波后的波矢量。

图b三条理论计算的曲线对应的频率是f₀=9000 Hz，分别有a₁=4.5mm，k_e=1.5 (filter1)；a₁=6mm，k_e=2.5(filter2)；a₁=6.5 mm，k_e=3.5 (filter3)。图c是三个滤波层理论计算和模拟的振幅和相位的传递系数。

图三：栅极层的透射性质

图a是栅极层的几何参数为：w₁=1.25mm，w₂=6.95mm，L=18.75mm通过改变栅极周期d₂将得到不同的K_G。选择d₂=18.9mm作为K_G=2k₀(格栅1)，d₂=12.6mm作为K_G=2k₀(格栅2)，以及d₂=9.4mm，对于K_G=4k₀(格栅3)。图b和c分别对应发射极振幅b和相位c在栅极层理论和模拟的传递系数系数，d和e对应的是接收极。

图四：亚波长边界探测

一维单缝和双缝的亚波长成像和边缘成像。图a-c分别为30 mm(a)、15 mm(b)和10 mm(c)的单个狭缝的边缘图像。d是具有20 mm和30 mm狭缝宽度和20 mm边到边距离的双狭缝物体的形貌图像。e 是20-30 mm双缝的边缘图像。F是具有10 mm和10 mm狭缝宽度和10 mm边到边距离的双狭缝物体的形貌图像。g是10–10 mm双缝的边缘图像。在(a-g)中，黑色实线是实验测量，蓝色实线是空波导的衍射极限结果，红色虚线是理论参考。

总结

综上所述，本文设计并检测了一种基于波矢量转换的声学亚波长成像系统。谐振器阵列与特定波矢量增强波的组合，以及通过一阶衍射增加或减少波矢量的二相格栅，在亚波长和行波分量之间建立了一对一关系。所有的理论、仿真和实验数据都证实了系统能够将不同的亚波长波矢量带分离并投射到目标的远场。经过分析验证，系统的分辨率上限为l₀/4，信噪比为~6db。该系统可扩展到超声医学成像和无损检测中，以提高成像分辨率。通过引入亚波长信息来提高信息容量，还可应用于声学通信系统中。

文章链接

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08221-7

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