CN106526602A - 一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于无透镜热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法及成像装置，属于目标成像探测领域；超声波发射源发出的超声波经过声波分束器分成两束：经过待成像物体透射的超声波被超声波桶探测器接收；超声波CCD探测器用于接收超声波发射源发射的超声波束。关联器用于计算两路超声波探测器探测到的超声波声强的二阶关联函数，对两路超声波信号进行符合测量，得到待成像物体的像。本发明将超声波作为波源引入鬼成像，实现了新的超声波鬼成像方法，该成像方法具有良好的抗扰动特性，与传统超声波成像相比，可以实现无透镜成像，具有分辨率高、成像质量高等优点。

Description

一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法及装置

技术领域

本发明属于目标成像探测领域，涉及到利用鬼成像原理对物体成像，特别涉及到一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法及装置。

背景技术

自从1895年德国的物理学家威廉·康拉德·伦琴发现X射线为开创医疗影像技术铺平了道路后，医学超声成像、电子计算机断层扫描、磁共振成像、数字减影血管造影技术和发射体层成像等医学成像技术逐渐出现并趋于成熟。其中，医学超声成像因为速度快、对患者无创无辐射、可连续动态及重复扫描，可实时观察运动脏器，能生成一维到四维的声像图等优点而被应用于心脏、大血管及胆囊的显示和测量。传统的医学超声成像是利用具有压电效应的压电材料制作超声探头，实现电压和声振动的转换。根据超声脉冲回波成像原理，超声探头向人体内发射的超声脉冲，在传播过程中遇到人体组织和脏器界面时产生回波，超声探头接收回波并进行放大处理后，再发射下一组脉冲，以此得到人体内部组织和脏器的结构信息的声像图。上述传统医学超声成像技术存在的问题是：人体脏器内的细小结构对入射超声波产生散射，使入射超声波的部分能量向各个空间方向散射，返回至超声探头的能量过低而无法形成清晰的人体组织和脏器图像；因为混响效应、镜像效应、后壁增强效应、旁瓣效应和部分容积效应而产生的超声伪像，破坏了声像图的真实性，降低了图像的可信度，给医师识图和疾病诊断带来不便甚至误诊。

另外，声呐在海底目标探测中应用比较广泛，尤其是探测潜艇等水下军事目标。与光学水下探测相比，超声波在水下测量与探测方面有着得天独厚的优势。电磁波在水中的衰减速度太快，而且波长越长，电磁波的功率损失越大。与电磁波相比，声波在水中的衰减速度慢得多。1906年，英国海军的刘易斯·尼克森所发明了第一个被动声呐。声呐在军事、海洋测绘、海流流速测量、水声通信等领域均有应用，在对水下目标的探测、分类、定位、跟踪，进行水下通信和导航，水文测量和海底地质地貌的勘测等方面的作用至关重要。但是，声呐只能探测到水下目标的有无，并利用声波的反射回波对水下距离进行测量，无法得到水下目标的具体像。

鬼成像的发展先后经历了纠缠双光子鬼成像、赝热光鬼成像、真热光鬼成像、反射光鬼成像和计算鬼成像等阶段。1995年，马里兰大学史砚华小组首次实验实现了基于纠缠双光子对的鬼成像。2006年，Scarcelli等人利用经典的赝热光源实现了无透镜热光鬼成像。随后吴令安小组利用铷空心阴极电子管作为光源实现了真热光鬼成像。

但是，现有传统医学超声成像易受干扰、成像分辨率低、成像质量差，以及传统声呐探测技术只能探测水下目标物体的有无而无法对目标物体成清晰像。

发明内容

本发明的目的是为了现有技术中的问题，提出一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法及成像装置，该方法利用超声波作为波源和双路鬼成像原理实现对目标物体的成像探测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，超声波发射源发出的超声波经过声波分束器分成两束：一束超声波经过待成像物体透射后被超声波桶探测器接收；另一束超声波被超声波CCD探测器接收；关联器与超声波桶探测器和超声波CCD探测器相连，且通过关联器计算超声波桶探测器和超声波CCD探测器接收到的超声波声强的二阶关联函数，从而得到待成像物体的像。

通过关联器计算超声波桶探测器和超声波CCD探测器接收到的超声波声强的二阶关联函数的具体过程：

根据二阶关联函数G⁽²⁾(x₁)的定义

G⁽²⁾(x₁)＝<P^*(x₁)P(x₁)P^*(x₂)P(x₂)>

其中，P(x₁)是待成像物体后的超声波CCD探测器上某一点x₁的声压，P(x₂)是超声波桶探测器上某一点x₂的声压，*代表共轭；

超声波CCD探测器上某一点x₁探测到的声强I₁＝<P^*(x₁)P(x₁)>＝I(x₁)

超声波桶探测器上某一点x₂探测到的声强I₂＝<P^*(x₂)P(x₂)>＝∫_object|P(x₂)h(x_s,x₂)T(x₂)|²dx₂

其中，h(x_s,x₂)是超声波从超声波发射源传播到超声波桶探测器传播过程中的脉冲响应函数，x_s代表超声波发射源上一点，T(x₂)是待成像物体的透射函数；

超声波发射源到超声波桶探测器、超声波CCD探测器的距离相等，均为z，当超声波发射源的直径D和z满足D²<<z²时，即在傍轴近似下，根据二阶关联函数的定义，得到声波鬼成像的公式为

其中D是超声波发射源的直径，λ是超声波的波长；

通过超声波桶探测器和超声波CCD探测器探测到的两束声波的声强进行符合测量后，超声波声强的二阶关联函数G⁽²⁾(x₁)中包含物体的信息，即物体的透射函数T(x₂)，所以能够得到目标物体的像。

本发明进一步的改进在于，超声波发射源发出的超声波的波长λ＝8.6mm。

本发明进一步的改进在于，通过将型号相同、中心频率一致的多个超声波传感器发射端以阵列形式排布，构成了超声波发射源。

本发明进一步的改进在于，通过与超声波传感器发射端相同中心频率的单个超声波传感器接收端构成超声波桶探测器。

本发明进一步的改进在于，通过将与超声波传感器发射端相同中心频率的多个超声波传感器接收端以阵列形式排布，构成超声波CCD探测器。

一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像装置，包括超声波发射源、声波分束器、待成像物体、超声波桶探测器、超声波CCD探测器和关联器；超声波发射源发出的超声波经过声波分束器分成两束：一束超声波经过待成像物体透射后被超声波桶探测器接收；另一束超声波被超声波CCD探测器接收；关联器与超声波桶探测器和超声波CCD探测器相连，关联器用于计算超声波桶探测器和超声波CCD探测器接收到的超声波声强的二阶关联函数，从而得到待成像物体的像。

本发明进一步的改进在于，超声波CCD探测器到声波分束器的距离与超声波桶探测器到声波分束器的距离相同。

本发明进一步的改进在于，通过将将型号相同、中心频率一致的多个超声波传感器发射端以阵列形式排布，构成了超声波发射源。

本发明进一步的改进在于，通过与超声波传感器发射端相同中心频率的单个超声波传感器接收端构成超声波桶探测器；通过将与超声波传感器发射端相同中心频率的多个超声波传感器接收端以阵列形式排布，构成超声波CCD探测器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)将超声波作为波源引入鬼成像，将鬼成像原理与超声波成像相结合，利用超声波作为波源取代传统鬼成像的热光源和赝热光源，通过双路鬼成像原理实现了新的超声波鬼成像方法，并且本发明所成像质量高、分辨率高；(2)与现有鬼成像利用真热光或赝热光作为光源相比，利用超声波作为鬼成像的波源，因为没有类似于热光源的超声波CCD探测器和桶探测器这样的器件，本发明提供可供实验使用的超声波CCD探测器和超声波桶探测器；(3)本发明中使用的超声波波长远大于光学鬼成像中光源的波长，给数值模拟和实验带来困难，本发明不仅给出了超声波鬼成像的理论推导，也实现了超声波鬼成像对待成像物体的成像，给出了数值模拟的结果；(4)与医学成像相比，本发明不易受环境温度、湿度变化的影响，具有良好的抗扰动特性；(5)分辨率高，与已有的各种超声波成像方法相比，该成像系统能够更加精确地呈现待成像物体的像；(6)成像质量高，与已有的各种超声波成像方法相比，能够实现近距离和远距离目标较高质量的成像。(7)本发明的新的超声波鬼成像方法，应用于近距离成像，针对医学成像领域，是对传统医学超声成像技术的改进，利用鬼成像的抗扰动特性，可以得到高分辨率、高质量的人体内部结构和脏器的声像图，提高医师诊断的正确率；应用于远距离成像，针对水下目标探测领域，是对现有声呐探测技术的补充，可以弥补声呐探测不能对目标物体成清晰像的劣势，完善水下探测和电子通讯系统。

附图说明

图1为无透镜热光鬼成像示意图。

图2为基于无透镜热光鬼成像原理，利用超声波作为波源实现的超声波鬼成像示意图。

图3为超声波源发射出的超声波振幅固定、相位随机、频率固定为40kHz(波长为8.6×10^-3m)、传播距离固定为1.23×10⁴m的情况下，得到的超声波分布散斑图。

图4为超声波源发射出的超声波振幅固定、相位随机、频率固定为40kHz(波长为8.6×10^-3m)、传播距离固定为1.23×10⁴m，待成像物体为40*40像素的字母“T”时，关联器12经过二阶关联计算得到的物体的像。

图中：1-热光源，2-分束器，3-CCD探测器，4-待成像物体，5-桶探测器，6-关联器，7-超声波发射源，8-声波分束器，9-待成像物体，10-超声波桶探测器，11-超声波CCD探测器，12-关联器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明的基本思想是将超声波作为波源引入鬼成像，实现了新的超声波鬼成像方法。

本发明充分考虑了鬼成像可以实现无透镜成像、成像分辨率高、抗扰动能力比传统成像技术强的优势，提出了一种利用超声波作为波源，结合双路鬼成像原理实现的超声波鬼成像方法。该方法可实现对目标物体的成像，并且无论是针对近距离成像还是远距离成像，均可实现高分辨率成像，且抗扰动能力强。

光学鬼成像是通过双光路信号的符合测量实现的。其特点是包含物体信息的信号光(signal)被无空间分辨能力的桶探测器探测；只包含光源光场分布信息的闲置光(idler)不通过物体，直接被具有空间分辨能力的CCD探测器探测。因此，通过双光路对应的两个探测器中任意一路信号都不能得到物体的像，然而通过对两路信号进行符合后即可得到物体的像。热光无透镜鬼成像的原理示意图如图1所示。图中待成像物体4后放置的无空间分辨能力的桶探测器5用于探测照射物体后的总光强；CCD探测器3是具有空间分辨能力的探测器，用于直接探测热光源的光强分布；6代表关联器，用于计算两路探测器探测到的光强的二阶关联函数，对两路光信号进行符合测量。成像时，热光源1发出的光被分束器2分成两束：信号光照射待成像物体4，桶探测器5探测照射物体后透过待成像物体的光强；CCD探测器3探测包含光源光场分布信息的闲散光。最后，关联器6对两路探测器探测到的光强符合测量，得到待成像物体4的像。

本发明的基于无透镜热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，包括以下步骤：

(1)将鬼成像原理与超声波成像相结合；

(2)利用超声波作为波源取代传统鬼成像的热光源和赝热光源，通过双路鬼成像原理实现成像；

(3)基于超声波成像的鬼成像可实现待成像物体的高质量成像、高分辨率成像，并且抗扰动能力强；

(4)实现超声波鬼成像的装置包括超声波发射源7、声波分束器8、待成像物体9、超声波桶探测器10、超声波CCD探测器11和关联器12；其中，利用型号相同、中心频率一致的多个超声波传感器发射端以阵列形式构成了超声波发射源7；用与超声波传感器发射端相同中心频率的单个超声波传感器接收端构成超声波桶探测器10；用与超声波传感器发射端相同中心频率的多个超声波传感器接收端以阵列形式构成超声波CCD探测器11。

超声波发射源7发出的超声波经过声波分束器8分成两束：一束超声波经过待成像物体9透射后被超声波桶探测器10接收；另一束超声波被超声波CCD探测器11接收。关联器12与超声波桶探测器10和超声波CCD探测器11相连，关联器12用于计算两路超声波探测器探测到的超声波声强的二阶关联函数，对两路超声波信号进行符合测量，得到待成像物体9的像。

关联器12用于计算两路超声波接收器接收到的超声波声强的二阶关联函数的具体过程：

根据二阶关联函数的定义

G⁽²⁾(x₁)＝〈P^*(x₁)P(x₁)P^*(x₂)P(x₂)>

其中，*表示共轭，P(x₁)是待成像物体后的超声波CCD探测器上某一点x₁的声压，P(x₂)是超声波桶探测器上某一点x₂的声压。

超声波CCD探测器上某一点探测到的声强I₁＝<P^*(x₁)P(x₁)>＝I(x₁)

超声波桶探测器上某一点探测到的声强I₂＝<P^*(x₂)P(x₂)>＝∫_object|P(x₂)h(x_s,x₂)T(x₂)|²dx₂其中，h(x_s,x₂)是超声波从超声波发射源传播到超声波桶探测器传播过程中的脉冲响应函数，x_s代表超声波发射源上一点，T(x₂)是待成像物体的透射函数。

超声波发射源7到超声波桶探测器10的距离和到超声波CCD探测器11的距离相等，均为z，当超声波发射源(7)的直径D和z满足D²<<z²时，即在傍轴近似下，根据超声波声强的二阶关联函数的定义，得到声波鬼成像的公式为

其中D是超声波发射源的直径，λ是超声波的波长，超声波发射源7到超声波桶探测器10的距离和到超声波CCD探测器11的距离相等，均为z。

通过两束超声波对应的两个探测器都不能得到待成像物体的像，然而通过两个探测器(超声波桶探测器10、超声波CCD探测器11探测到的两束声波的声强进行符合测量后，超声波声强的二阶关联函数中包含物体的信息，即物体的透射函数T(x₂)，可以通过计算得到目标物体的像。

鬼成像可以实现非定域成像、超分辨成像、无透镜成像，具有传统成像不具有的优势。上述关于鬼成像的研究主要利用纠缠光源、热光源、赝热光源，围绕提高成像质量和成像速度展开，没有利用超声波作为鬼成像的波源，更没有人将超声波鬼成像应用于医学影像和水下目标成像，代替传统的医学超声成像技术和声呐探测技术。

这种新的超声波鬼成像方法，应用于近距离成像，针对医学成像领域，是对传统医学超声成像技术的改进，利用鬼成像的抗扰动特性，可以得到高分辨率、高质量的人体内部结构和脏器的声像图，提高医师诊断的正确率；应用于远距离成像，针对水下目标探测领域，是对现有声呐探测技术的补充，可以弥补声呐探测不能对目标物体成清晰像的劣势，完善水下探测和电子通讯系统。

先请参阅图1和图2，图1和图2分别是无透镜热光鬼成像示意图和基于无透镜热光鬼成像原理，利用超声波作为波源实现的超声波鬼成像示意图。

参见图1，无透镜热光鬼成像装置的构成，包括：热光源1，分束器2，CCD探测器3，待成像物体4，桶探测器5以及关联器6。

参见图2，所述的利用超声波作为波源实现超声波鬼成像装置的构成，包括：超声波发射源7，声波分束器8，待成像物体9，超声波桶探测器10、超声波CCD探测器11，关联器12。

在实验室条件下，Matlab控制产生振幅固定、相位随机、频率为40kHz(波长为8.6×10^-3m)的超声波。超声波发射源发射出的超声波传播1.23×10⁴m后得到超声波分布的散斑图如图3所示。从图3中可以看出，在超声波鬼成像中，利用超声波作为波源，超声波发射源7发出的超声波传播一定距离后，可以得到超声波分布的散斑图。利用多幅不同的散斑图，进行多次符合后，即可得到待成像物体的像。

在上述内容的基础上，超声波发射源7发出的超声波经过声波分束器8分成两束：经过待成像物体9(本实施例中物体为40×40像素的字母“T”)透射的超声波被超声波桶探测器10接收；超声波CCD探测器11用于接收超声波发射源发射的超声波束。关联器12用于计算两路超声波探测器接收到的超声波声强的二阶关联函数，对两路超声波信号进行符合测量，可以得到物体的像如图4所示，可见，本发明的方法可以得到待成像物体的像。

Claims (10)

1.一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，其特征在于，超声波发射源(7)发出的超声波经过超声波分束器(8)分成两束：一束超声波经过待成像物体(9)透射后被超声波桶探测器(10)接收；另一束超声波被超声波CCD探测器(11)接收；关联器(12)与超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)相连，且通过关联器(12)计算超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)接收到的超声波声强的二阶关联函数，从而得到待成像物体(9)的像。

2.根据权利要求1所述的一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，其特征在于，通过关联器(12)计算超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)接收到的超声波声强的二阶关联函数的具体过程：

根据二阶关联函数G⁽²⁾(x₁)的定义

G⁽²⁾(x₁)＝<P^*(x₁)P(x₁)P^*(x₂)P(x₂)>

其中，P(x₁)是待成像物体后的超声波CCD探测器上某一点x₁的声压，P(x₂)是超声波桶探测器上某一点x₂的声压，*代表共轭；

超声波CCD探测器上某一点x₁探测到的声强I₁＝<P^*(x₁)P(x₁)>＝I(x₁)

超声波桶探测器上某一点x₂探测到的声强

其中，h(x_s,x₂)是超声波从超声波发射源传播到超声波桶探测器传播过程中的脉冲响应函数，x_s代表超声波发射源上一点，T(x₂)是待成像物体的透射函数；

超声波发射源(7)到超声波桶探测器(10)、超声波CCD探测器(11)的距离相等，均为z，当超声波发射源(7)的直径D和z满足D²<<z²时，即在傍轴近似下，根据超声波声强的二阶关联函数的定义，得到声波鬼成像的公式为

$G^{\left(2\right)}\left(x_1\right)={\&Integral;}_{object}{\mathrm{dx}}_2\left|T\left(x_2\right){|}^2\right\{1+{\mathrm{sinc}}^2\&lsqb;\frac{D}{\mathrm{\&lambda;}z}(x_2-x_1)\&rsqb;\}$

其中D是超声波发射源的直径，λ是超声波的波长；

对超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)探测到的两束超声波的声强进行符合测量后，超声波声强的二阶关联函数G⁽²⁾(x₁)中包含物体的信息，即物体的透射函数T(x₂)，所以能够得到目标物体的像。

3.根据权利要求1所述的一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，其特征在于，超声波发射源(7)发出的超声波的波长λ＝8.6mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，其特征在于，通过将型号相同、中心频率一致的多个超声波传感器发射端以阵列形式排布，构成了超声波发射源(7)。

5.根据权利要求4所述的一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，其特征在于，通过与超声波传感器发射端相同中心频率的单个超声波传感器接收端构成超声波桶探测器(10)。

6.根据权利要求4或5所述的一种基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像方法，其特征在于，通过将与超声波传感器发射端相同中心频率的多个超声波传感器接收端以阵列形式排布，构成超声波CCD探测器(11)。

7.一种用于实现权利要求1所述超声波鬼成像方法的基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像装置，其特征在于，包括超声波发射源(7)、声波分束器(8)、待成像物体(9)、超声波桶探测器(10)、超声波CCD探测器(11)和关联器(12)；超声波发射源(7)发出的超声波经过声波分束器(8)分成两束：一束超声波经过待成像物体(9)透射后被超声波桶探测器(10)接收；另一束超声波被超声波CCD探测器(11)接收；关联器(12)与超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)相连，关联器(12)与超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)相连，关联器(12)用于计算超声波桶探测器(10)和超声波CCD探测器(11)接收到的超声波声强的二阶关联函数，从而得到待成像物体(9)的像。

8.根据权利要求7所述的基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像装置，其特征在于，超声波CCD探测器(11)到声波分束器(8)的距离与超声波桶探测器(10)到声波分束器(8)的距离相同。

9.根据权利要求7所述的基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像装置，其特征在于，通过将将型号相同、中心频率一致的多个超声波传感器发射端以阵列形式排布，构成了超声波发射源(7)。

10.根据权利要求9所述的基于热光鬼成像原理的超声波鬼成像装置，其特征在于，通过与超声波传感器发射端相同中心频率的单个超声波传感器接收端构成超声波桶探测器(10)；通过将与超声波传感器发射端相同中心频率的多个超声波传感器接收端以阵列形式排布，构成超声波CCD探测器(11)。