CN85109697A

CN85109697A - 波的全息成象法

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Publication number: CN85109697A
Application number: CN 85109697
Authority: CN
Inventors: 林文渊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1987-06-24

Abstract

本文提出一种利用波的特性来成象的方法，使得利用各种波直观地观察这个世界成为可能。

它是由多个坐标系统来描述同一个反射点，或者用一些同心圆和它们的圆心来确定反射点的空间位置。经计算机处理后，在显示器上显示空间的图象。因此它可以用于：无线电探测、声波探测、计算机图片处理、残留信息探测等。

Description

本文涉及物理学的全息成象方法。

现有的全息成象有：激光全息成象。

其原理是：先将一束激光分成两部份。一部份直接照射在被摄物体上经该物体反射后与另一部份光束在照相底片上相遇。相干后被照相底片记录下来。

当用一束激光，从一定角度照射到底片上，就可还原出原物体的全息象。

本成象法是记录下同一脉冲到达各个观测点的时刻;或者每个观测点同一瞬间记录下到达该点的波的相位。经计算机处理后，计算出反射点的空间坐标。在屏幕上还原出从某一地点观测空间的图象。

这里所说的全息是指：一次观测的数据。可在屏幕上显示出不同地点观测空间的图象。这些图象与实际上到达那些地点时所看见的一样。

一、时间差成象

它是根据记录同一脉冲到达各观测点的时间差来成象的。

（一）时间差与空间点的对应关系

§1 一个观测点A

如图1所示：F为脉冲信号发射台。P为反射点，A为观测点。在A点用示波器来记录信号脉冲，就得到图2的波形。

Tf为发射台发射该脉冲的时刻;

Tfa为脉冲信号从发射台直接到达A的时刻;

Tpa为信号经P点反射后到达A的时刻：

△tap＝Tpa-Tfa

△tap＝ (PA+FP-FA)/(V)

V为该种波在当时情况下的速度。

移项后：

FP+PA＝V×△tap+FA……（1）

式（1）中，

V、FA为定值，那么对于同一个△tap的反射点在空间的轨迹，变成为：求到两定点F、A的距离之和为定值的点的轨迹。那就是以F和A为两焦点，以FA为旋转轴的椭球面A。

这样，我们就建立了空间的椭球面A与△tap之间的一一对应的关系，椭球面A上的点（任意一点）所反射的波，必定在Tpa上。示波器上Tpa位置有反射波的脉冲。该反射点必定在椭球面A上。

§2 两个观测点A、B

如图3所示：F为发射台，P为反射点，A和B为观测点。

图4为A、B点上两示波器上的波形，以及以Tf为标准相重迭后的波形。

从§1可知Tpa、Tpb与椭球面A、椭球面B相对应。

反射点P既在椭球面A上又在椭球面B上。因此P点一定在两个椭球面的相贯线AB上。

这样我们就建立了，两个椭球面的相贯线AB与Tpa和Tpb的对应关系：

相贯线AB上任何一点反射的波必定出现在Tpa和Tpb的位置上面。

反之只有当反射点是一个时才能成立，当反射点多于一个时，就可能出现下述情况：

反射点P在椭球面A上，但不在椭球面B上。而另一个反射点Q在椭球面B上，但不在椭球面A上。这时Tpa和Tpb都有反射波形出现，但相贯线AB上却没有反射点，因此就出现假点。

§3 另一种对应关系

从§1、图3和图4可得：

FP+PA＝V×△tap+FA

FP+PB＝V×△tbp+FB

两式相减得：

PA-PB＝V×（△tap-△tbp）+FA-FB

PA-PB＝V×△tab+FA-FB……（2）

由于V、FA、FB都为定值，因此对于同一个△tab式（2）变成为：

PA-PB＝C

C为定值。

所以这时P点的空间轨迹为：到两定点A、B的距离之差为定值的点的轨迹。即是以A、B为旋转轴的双曲面AB。

这样就建立了时间差△tab与双曲面AB之间的对应关系：

（1）分别属于A、B两观测点的反射脉冲Tpai和Tpbj。

当 Tpai-Tpbj＝△tab

那么由这两个脉冲所确定的反射点在双曲面AB上。

（2）双曲面AB上有一个反射点Pim。那么，在A、B观测点上一定可以找到Tpai和Tpbi。

且 Tpai-Tpbi＝△tab

（3）如果

｜Tpai-Tpbj｜＞ (AB)/(V) ……（3）

那么与Tpai和Tpbj对应的点是不存在的，因此就无须考虑。

式（3）中：AB是指图（3）中观测点A、B之间的距离，V为波速。

§4 三观测点A、B、C

暂时只考虑一个反射点P的情况。

再增加一个观测点C。与△tcp相对应的椭球面C过P点，因此与相贯线AB相交或相切。只有一个切点，就是P点。如果相交，就有两个交点。因此三个观测点还无法确定P点的位置。

§5 四个观测点

只要发射台F与四个观测点A、B、C、D不在同一个平面内。那么与△tdp相对应的椭球面D就只通过P点。

因此可得：要确定空间一个点的位置，则必须且仅须四个观测点。

由此建立了△tap、△tbp、△tcp、△tdp等四个反射脉冲与空间点的对应关系。

（二）两个以上反射点

对于两个反射点P、Q。

先将观测点A、B、C、D、E等按四个一组，组成观测组。比如ABCD、ABCE、ABDE……。

那么，在观测组ABCD中。就有△tap、△taq;△tbp，△tbq;△tcp，△tcq;△tdp，△tdq等八个反射脉冲。

根据上节△tap、△tbp、△tcp和△tdp等四个脉冲与空间一个点对应的原则。最多可确定十六个点。（确定时应先去除符合式（3）。实际上不存在的点。）这些点既有真反射点又有假点。

同理其他观测组都可最多确定十六个点。

先将两个观测组的所有的点进行比较。存同除异。如果剩下的点多于两个。就再与第三个观测组的点比较。以此类推。直到剩下点数等于反射点的数目为止。这些点就是所求的点。

理由是：真反射点在所有观测点都有对应的反射脉冲。而假点没有。

这个方法显然适用于多于两个反射点的情况。但计算量较大，没有使用计算机是办不到的。

当然，在专用的仪器上。可先将四个反射脉冲与空间点的对应关系的数据固化在EPROM中。使用时由计算机根据实测的数据，查出空间点的坐标。然后去假存真，在屏幕上显示。

（三）假点出现的几率

（1）假点出现的几率为P（A）

推导可得：

P（A）＝（ (Np)/(N) ）^m……（4）

式中：

m为观测点的数目。

N为：将与被观测空间相对应的时间区分成N等份。

Np：为N个等份中含有反射脉冲的等份数，对于同一个等份，不论含有多少个反射脉冲。其等份数为一。

具体数据由下例给出：

例1：处理一个1000×1000×1000个象素的空间。要求不出现假点。只要P（A）＜10^-9，M和Np/N的数据列于表中：

表 P（A）＜10^-9

Np/N	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
										M	9	13	17	23	30	41	58	93	197

（2）假如：我们有意识地制造假点。则增加反射点的位置是经过选择的，目的在于使其出现假点、或者为假点的出现制造条件，在这种情况下，假点出现的几率为P（B）。

推导可得：

P（B）＝ 2/(m（m-1）（m-2）)

具体数值如下两例：

例2：处理1000×1000个象素的画面：

令 P（B）＜10^-6

2/(m（m-1）（m-2）) ＜10^-6

m（m-1）（m-2）＞2×10⁶

令：当m＞2时

m（m-1）（m-2）＞（m-2）³

令

（m-2）³＝2×10⁶

解得：m＝127

处理10⁶个象素的画面只要128个观测点。

例3：处理1000×1000×1000个象素的空间。

令

P（B）＜10^-9

（m-2）³＝2×10⁹

（m-2）＝1260

m＝1262

则需要1262个观测点。

从上述三例可得：

要排除假点，所需增加观测点的数目是有限的，而不是无限的。

（四）实施设想

§1 椭球面坐标系统

从（一）§1得知△tap与椭球面A是一一对应的关系。因此在观测点A的示波器上，将时间轴分成N等分。将意味着在相应的空间里，用N+1个椭球面将空间分成N个部份。两者一一对应，自成一个F-A坐标。

同理：对于观测点B、C、D……，就有F-B、F-C、E-D……坐标。组成一个多坐标系统。共同将空间分成一块块大小不一，形态各异的体积元。但每个体积元在各个坐标上都有相应的位置。而坐标上的各个位置都有相应的体积元，于是建立了由椭球面来描述的空间。

此坐标系统的缺点是对发射台的依懒性太大了，发射台F是所有椭球面的共同焦点。

§2 双曲面坐标系统

从（一）§2得知△tab与双曲面的对应关系，△tab的大小与双曲面的渐近面的园锥角相对应的。只要以AB联线的中点O为角的顶点。将角AOB分成N等份。就是用N+1个双曲面将空间分成N个部份。建立了以观测点A、B联线中点O为原点的坐标。当双曲面被渐近面代替时，该坐标可当作极坐标。

为了便于计算机处理。屏幕显示及使各坐标基本上统一，我们做如下安排：

（1）每两个观测点为一观测对Ai、Bi。

（2）各对中AiBi的距离都一样。

（3）各对AiBi联线互相平行。

（4）各对建立以AiBi中点O为原点的极坐标。

（5）全体坐标原点Oi在一个平面上（下称坐标原点平面）。原点按图7分布。

（6）这样空间体积元可由图6所示的三个量（α、β、H）来描述。

（7）不论屏幕上显示或图片上取样。象素按图7分布。

经过上述安排所建立的坐标系统有下述优点：

（1）与发射台脱离亲密关系。整个系统由计算机发出的同步信号启动而同时观测，这样发射台的位置可任意设置，甚至可以移动。

（2）体积元近小远大。但从O点看去视角是一样。

（3）符合透视习惯。

（4）与AB垂直的剖面切割双曲面是一个园。该园可用R来描述。园上的点用园心角β描述，因此便于计算机处理和屏幕显示。

缺点：

（1）观测点较椭球面坐标系统多。

（2）出现假点的可能性比椭球面坐标系统大。

3 混合系统

仍然存在椭球面系统的缺点。

三、用途

解决利用声波、电磁波…各种波的全息成象的方法。便于用这些波来观测世界。

1.形成新的雷达系统。有如下述四个优点：

（1）与发射台分开，不易被发现。

（2）可显示以指挥所为观测点的直观图象。

（3）可直接放大所需局部空间的图象。

（4）可单独显示运动的目标。直接得出运动物体的运动方向和速度。

2.用于计算机对画面处理，可比现行方法大大缩小储存单元。

3.制成新的声纳系统，比现行声纳系统直观、全面、准确。

4.可用于地质探测。可同时探测各岩层分界面的情况。

5.揭示一种非眼成象方法。可以解释人体特异功能、海猪在水中准确辩认物体，植物对外界的反应……现象。

6.用于残留信息的辨认。

如图8所示：波源F发射一束波。经过墙壁AB反射后折向BC墙。如果以AB墙为对称平面。把F镜象对称于Q₁的位置。这样由F发射经AB墙反射的波就可以看成从Q₁发射，并直接射向BC墙的波。

同理，经过BC墙反射后，射向CD墙的波。可以认为是由Q₂发射且直接射向CD墙的波。这里的Q₁和Q₂是以BC墙平面为镜象对称的。

由此反复作图可得：经过M次反射后。可认为该波束是由很远的假波源Q_m向房屋直接射来。而不用考滤此时真波源是否还在原处，这就形成残留信息。

残留信息的特点：

（1）同一时刻发出的波所形成的假波源与房屋的距离大致相同。分散于房屋四周。

（2）不同时刻发出的波所形成的假波源与房屋的距离不同。独立分散于房屋四周。

（3）同一束波所形成的假波源从Q₁、Q₂……至Q_m的变化过程是不连续的，是瞬间变化的。

以往的成象仪器不能辨认的原因：

（1）残留信息很弱。为其他波源所发出的波所复盖。以往的仪器工作在一定的频率范围。增加复盖的可能性。

（2）仪器成象时间较长，无法适应残留信息的瞬时变化。

本成象法的有利因素：

（1）和激光一样，要求单一频率。只要测得F波源的特殊频率。就可以将其他波源区分开来。

（2）本成象法记录的是瞬时值。

（3）本成象法在测量时，可将所测频率放大后，再进行测量，信息处理，成象。

Claims

1、本文提出一种适用于各种波的全息成象方法，它是由一个波源、多个观测点，计算机及显示器所组成；它的特征是测量同一反射脉冲到达各观测点的时刻，通过计算机处理后，在屏幕上显示被测物体的象。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征是用一系列的椭球面和双曲面分割所观测的空间;从而建立多坐标的坐标系统来描述空间。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征是将全部观测点分成每两个一对的观测对;所有观测对中：两观测点的连线互相平行，连线的长相同;都以连线中点为原点建立极坐标，所有极坐标原点在同一平面内，按图7所示排列。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征是将全部观测点分成每四个一组的观测组，观测组中：每个观测组任取一脉冲，一组四个脉冲与空间一个点对应，确定所有的点，最后将各观测组所共有的点在显示器上显示，则形成所测空间的象。

5、根据权利要求1所述的方法形成的探测器，其特征是：

（1）与发射台分开，不易被发现;

（2）图象具有全息性;

（3）可直接放大局部空间的图象;

（4）可单独显示运动目标;

（5）可对残留信息进行探测。