基于動態散斑的光聲成像技術探析

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

聲光成像技術結合了光學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。基于動態散斑的聲光成像方法，用聲信號以聲壓傳感面為介質來引起散斑的動態變化，通過動態散斑的分布來重建聲信息實現成像。避免了使用大量的聲壓傳感單元所帶來的系統高復雜度和高成本，成像系統簡單成本低。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，基于動態散斑的光聲成像方法的研究主要聚焦于動態散斑重建聲壓傳感面上聲信息的方法。Terence S.Leung等人研究了聲學調制動態散斑對比度規律，實現了隱藏物質的顏色探測 Aner Lev等將功率譜方法和動態散斑探測方法結合起來，實現了隱藏物體成像。Aner Lev等的方法可以實現成像,但此法受制于光學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。基于動態散斑聲光成像系統成像時的問題有：（1）把聲壓傳感面上的聲強分布作為目標的重建像,沒能給出理論分析；（2）這種通過對動態散斑圖中各像素求功率譜來確定聲強分布的方法要求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。

針對動態散斑聲光成像重建目標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系為基于動態散斑的聲光成像提供了可靠的理論依據。探究了目標與聲壓傳感面間距對成像的影響，并提出了比較CCD相機各像素點散斑光強動態變化范圍的方法來對目標進行形貌重建。通過仿真對不同目標進行成像，驗證了所提出成像方法的有效性。經理論分析此方法的成像分辨率僅受到CCD相機像素數目的影響，成像能達到光學成像分辨率。

2 成像系統及理論分析

如圖1所示為基于動態散斑的光學成像方法系統示意圖，主要由激光器、擴束鏡、粗糙的聲壓傳感薄面、光學透鏡、CCD相機以及聲源組成，且粗糙傳感面和CCD相機感光面分別位移光學透鏡的物面與像面，待測目標物體緊靠聲壓傳感面。聲源向待測目標發出頻率為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。這個振動將會調制被擴束鏡擴束的入射光波進而調制反射光波。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的，最終這些圖像被CCD相機記錄。

圖1 基于動態散斑的光學成像方法系統示意圖

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

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

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境噪聲可以忽略不計，即IB=0。并且區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。這導致傳感面上背后存在目標物體的區域聲強值大于不存在物體的區域，即這些區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上的散斑光強分布。又由于每個單元區域與CCD上的像素點一一對應，因此如圖2（c）所示的像素點1接收到的光強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相機上有更大光強動態范圍的像素點區域來確定物體的像。

圖2 重建成像分析圖

為找到光強變化有更大動態范圍的像素點，對每個CCD像素點繪制每個像素上獲取的光強隨時間的變化規律，將有更大動態范圍的像素點標記出來。這些更大動態范圍的像素點所構成的區域正好構成了物體的形貌分布。

3 仿真成像

對如圖3所示的目標依本文所述第一章所述方法進行仿真成像。用Matlab依圖3所示流程獲數值仿真取動態散斑圖組。首先，將目標轉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，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，調控附加隨機相位幅值為1的平面光矩陣，進行兩次傅里葉變換后獲得成像平面上的光強分布動態矩陣UI。存儲UI并可視化輸出散斑記錄為一幀圖像，隨機步長改變時間因子記錄圖像。

圖3 仿真獲取動態散斑流程示意圖

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

圖4 實驗結果

4 討論與分析

本文提出的基于動態散斑的聲光成像方法，是通過建立起CCD相機像素點與對應的聲壓傳感面劃分單元區域的關系來標記物點的方式。顯然，由于CCD相機只能讀取整數個像素點，所以這里要求對區域的劃分不能超過CCD相機的像素，并且CCD的像素大小應為劃分區域的整數倍，當劃分單元數與CCD像素數相同時達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，將介質作為成像的探測口徑，這里由于探測目標與探測口徑緊靠，根據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相機分辨率的影響。因此基于動態散斑的聲光成像方法不僅能實現對被遮擋物的成像且成像像素能達到CCD相機的像素，即達到光成像的分辨率。

應該指出，當待測物體原理聲壓傳感面時，由于反射聲波需要經過傳播后才能到達聲壓傳感面，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域都能接收到反射聲波，導致無法在CCD上確定需要的光強動態范圍更大的像素點，最終導致無法成像。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用。

除此之外，CCD相機上各像素光強大小隨對應聲壓傳感面上區域的起伏大小的規律值得額外關注。眾多研究表明，CCD上各像素光強大小變化與對應區域起伏大小之間存在確定的數學關系。通過確立此數學關系，就能通過獲取光強的方式獲得傳感面上各點的離面位移值，這將使得動態散斑聲光成像的方法基本原理能夠運用于聲壓、聲強值的探測，基于動態散斑的聲光成像方法值得進一步研究。

5 結語

本文通過理論分析獲得了基于動態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論如下：

（1）成像系統中CCD各像素的光強變化范圍被與之對應聲壓傳感面區域調控，因此能夠通過確定聲強變化動態范圍更大的區域實現對物體的成像。

（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，其成像分辨率能達到光成像分辨率。

（3）聲壓傳感面上各區域的起伏大小與對應的CCD像素點上的光強大小可能存在確定的數學關系，這有待進一步研究。