本發(fā)明涉及聲學(xué)成像，特別是涉及一種聲學(xué)相位全息成像方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的聲全息圖側(cè)重于生成具有聲振幅或強(qiáng)度場的3d圖像，該聲振幅或密度場指示觀察者可以感知的能量分布。在以前的情況下，相位是圖像平面上的一個疏忽的物理量。然而，在信息通信方面，相位是另一種有價值的信息載體，其分布包含與振幅信道等效的信息。在這里展示了通過超材料對“聲相位全息圖”的觀察。證明，在相位通道中設(shè)計的全息圖比傳統(tǒng)的振幅全息圖具有魯棒性和抗干擾能力，這可能會導(dǎo)致聲/光通信的應(yīng)用。

2、聲全息技術(shù)是一種先進(jìn)的聲波操控手段，通過記錄和重建波場完整信息，實(shí)現(xiàn)對聲場的精確控制和成像。在近年來的研究中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，對粒子操縱、改善醫(yī)學(xué)成像和超聲治療等多種應(yīng)用具有重要意義。在過去的幾年里，人們在研究聲全息控制方面做出了相當(dāng)大的努力，全息圖通常由主動換能器陣列或被動超材料進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對聲波的相位、振幅的逐像素調(diào)制。然而實(shí)現(xiàn)對聲音的完全控制仍具有挑戰(zhàn)性，這需要對聲全息中兩個自由度上的振幅和相位進(jìn)行完全獨(dú)立的調(diào)制，這兩個自由度共同決定了任意信號。圖1為聲全息成像機(jī)制圖；其中，a為相位調(diào)控的振幅全息(ah?by?pm)；b為幅值相位解耦調(diào)控的幅值全息(apm的ah)；c為幅值相位解耦調(diào)控的相位全息術(shù)(apm的ph)。然而，當(dāng)入射波與復(fù)雜的超表面相互作用時，振幅和相位之間必須發(fā)生復(fù)雜的耦合效應(yīng)，以往的純相位全息(pm)方法忽略了相位調(diào)制過程中不可避免的振幅信息變化所引起的誤差(圖1a所示)，相位調(diào)制雖然能夠調(diào)整聲場，但無法解決幅度對圖像的影響。在高分辨率成像中，嚴(yán)格依賴相位控制可能導(dǎo)致失真。為了克服這一缺陷，提出了同時控制振幅和相位的振幅相位全息(apm)方法，從而有效地提高了操縱全息聲場的能力(圖1c所示)，尤其是對于創(chuàng)建復(fù)雜的3d圖案。盡管apm方法提高了聲場控制的自由度，但其系統(tǒng)往往會引入計算復(fù)雜性，并由于固有的振幅操縱而導(dǎo)致能量損失，從而影響聲音傳播的整體效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是針對背景技術(shù)中存在的問題，提出一種聲學(xué)相位全息成像方法，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的全息成像。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一方面提供一種聲學(xué)相位全息成像方法，包括以下具體步驟：

4、s1、將待成像的全息圖離散為亞波長尺度的圖像像素序列，并放在相位位置；

5、步驟s1中，在全息平面上編碼振幅aj和相位φj的聲壓pj通過疊加圖像平面上所有像素點(diǎn)的波分量來計算，聲壓的計算由下式表征：

6、

7、其中n為圖像像素總數(shù)，a0l和φ0l分別為(xl,yl,zl)處第l像素處的幅值和初始相位，aj和φj分別為全息圖平面上第j個像素處的幅值和相位，圖像像素與全息圖像素在(xj,yj,zj)處的距離表征為

8、s2、采用時間反轉(zhuǎn)方法計算重建全息圖所需的全息平面的振幅和相位分布；

9、步驟2中利用時間反轉(zhuǎn)特性，將預(yù)先設(shè)計的聲全息圖像直接投影，全息圖像表征為：

10、

11、其中n為全息圖像像素總數(shù)，為空間點(diǎn)(x,y,z)和全息圖平面上的全息圖像素(xj,yj,zj)間的距離；產(chǎn)生純相位全息的方案假設(shè)幅值均為aj＝1，純相位全息被表征為：

12、

13、s3、采用角蜥優(yōu)化算法求解最優(yōu)耦合補(bǔ)償幅值；

14、步驟s3中在求解最優(yōu)耦合補(bǔ)償幅值前，需要確定像素點(diǎn)之間的耦合關(guān)系：包括目標(biāo)像素點(diǎn)之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)和全局像素點(diǎn)的幅值-相位間接弱耦合效應(yīng)。

15、步驟s3中振幅a(x)和相位φ(x)在空間變化通過聲波的波動方程進(jìn)行耦合，聲壓通過波動方程或其傳播的復(fù)數(shù)形式來描述，將聲壓表示為復(fù)數(shù)形式p(x)＝a(x)eiφ(x)；

16、振幅a(x)和相位φ(x)之間的耦合關(guān)系通過復(fù)聲壓的導(dǎo)數(shù)來描述；

17、在聲波傳播中，振幅的變化率與相位的變化率通過傳播方程相互關(guān)聯(lián)，將振幅變化和相位變化之間的耦合關(guān)系表征為：

18、

19、通過干涉和波動方程將振幅和相位在空間中的耦合特性緊密相連，在沒有衰減和散射的理想情況下，振幅和相位的關(guān)系簡化為：

20、

21、目標(biāo)像素點(diǎn)之間的強(qiáng)耦合效應(yīng)：

22、相位全息圖中的單個像素點(diǎn)定義為p(i,j)，其振幅和相位分別表示為a(i,j)和φ(i,j)；相位全息圖的復(fù)數(shù)表征為：p(i,j)＝a(i,j)eiφ(i,j)

23、對應(yīng)補(bǔ)償幅值后的聲全息圖中單個像素點(diǎn)的聲壓定義為c(i,j)；

24、其中c(i,j)是與相位全息圖p(i,j)相關(guān)的調(diào)節(jié)因子，可以表征為：

25、c(i,j)strong＝f(p(i,j))＝k1a(i,j)+k2φ(i,j)

26、其中f函數(shù)為理想情況下振幅和相位之間的非線性映射關(guān)系；k1和k2分別作為幅值和相位的調(diào)解因子，表征幅值和相位對補(bǔ)償幅值的影響程度；通過調(diào)整c(i,j)，補(bǔ)償成像精細(xì)度。

27、全局間接弱耦合效應(yīng)

28、表征為：

29、

30、其中dd表示全局所有與目標(biāo)像素點(diǎn)距離為d的像素點(diǎn)的集合；將定義為距離衰減因子；wd是與距離d相關(guān)的權(quán)重系數(shù)，它反映不同層像素點(diǎn)間的耦合效應(yīng)對目標(biāo)像素點(diǎn)耦合效應(yīng)的影響程度；φ(x,y)-φ(i,j)表示目標(biāo)像素與外圍像素之間的相位差；

31、弱耦合層對中間像素點(diǎn)的影響閾值大小被定義為e＝10-5，即當(dāng)弱耦合層像素對目標(biāo)像素的弱耦合影響小于e時，便停止對外層像素點(diǎn)的搜索；

32、利用角蜥優(yōu)化算法中的血液噴射策略，平衡全息圖中局部目標(biāo)像素點(diǎn)的直接強(qiáng)耦合效應(yīng)和全局像素點(diǎn)對目標(biāo)像素間的接弱耦合效應(yīng)，將強(qiáng)耦合和弱耦合效應(yīng)的全局像素間的耦合效應(yīng)表征為：

33、

34、s4、利用全息平面對入射聲波進(jìn)行反射，編碼耦合后傳輸圖像的相位和補(bǔ)償幅值信息，以重建與預(yù)設(shè)計圖像匹配的聲全息圖，實(shí)現(xiàn)相位成像；所重建的相位全息圖是通過對[0，2π]范圍內(nèi)的測量相位取余弦得到的，使相位全息圖的范圍從[0，2π]變?yōu)閇-1，1]，具體包括：

35、線性化處理：相位信息本身是非線性的，因?yàn)樗谝粋€周期內(nèi)從0變化到2π。通過取余弦，可以將這種非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系。余弦函數(shù)在[0，2π]區(qū)間內(nèi)是周期性的，且其值域?yàn)閇-1，1]，這種線性化處理有助于簡化后續(xù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算和信號處理過程。

36、增強(qiáng)對比度：在圖像處理中，將相位信息轉(zhuǎn)換為[-1，1]范圍可以增強(qiáng)圖像的對比度。余弦函數(shù)的輸出值在-1到1之間，這種范圍的擴(kuò)展使得圖像的細(xì)節(jié)更加明顯，便于觀察和分析。

37、步驟s4中反射聲波的相位和幅值的解耦調(diào)制通過調(diào)節(jié)全息平面單元格的幾何形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

38、優(yōu)選的，在正面聲音的照射下，聲波在全息平面單元格內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間中達(dá)到解耦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)反射聲波的相位和幅值的解耦調(diào)制；聲波在全息平面上振幅和相位的解耦調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了全息面上所有幅值和相位的組合都可以在[0,1]和[0,2π]全范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)制。

39、本發(fā)明的第二方面提供一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，所述計算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)上述的聲學(xué)相位全息成像方法的步驟。

40、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果：

41、1、本發(fā)明提出了一種聲相位全息(acoustic?phase?hologram，aph)方法，旨在適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的全息成像需求。通過預(yù)設(shè)計相位圖像，并利用時間反轉(zhuǎn)技術(shù)，在全息平面上實(shí)現(xiàn)幅度相位解耦調(diào)控，進(jìn)而在像平面上得到具有抵抗能量衰減、抗干擾能力的相位圖像。

42、2.本發(fā)明深入研究了全息圖中全局像素間的相位和幅值的耦合機(jī)理，引入了角蜥優(yōu)化算法(hloa)迭代尋優(yōu)復(fù)雜環(huán)境下的相位圖像的最優(yōu)耦合補(bǔ)償幅值，采用時間反轉(zhuǎn)方法來計算重建全息圖所需的超表面振幅和相位分布。通過利用lossy?acousticmetamaterial(lam)結(jié)構(gòu)編碼耦合后傳輸圖像的相位和補(bǔ)償幅值信息；本發(fā)明依賴于利用相位全息耦合復(fù)雜環(huán)境下相應(yīng)相位全息圖的補(bǔ)償幅值，最終得到同時具備聲場精細(xì)化調(diào)控能力與抗干擾能力的相位全息圖。

43、3.本發(fā)明的方法同時具備了傳統(tǒng)純相位調(diào)控(phase?modulation,pm)方法中相位調(diào)制不直接引起能量損失的優(yōu)勢，并融合了幅度相位解耦調(diào)控(amplitude-phasemodulation,apm)方法同時調(diào)控相位和振幅增加聲場控制自由度的特點(diǎn)。解決了pm在復(fù)雜聲場和多路徑環(huán)境下，因缺乏對振幅的調(diào)控而導(dǎo)致成像精細(xì)度不足的問題，以及apm方法直接調(diào)控振幅帶來的不必要能量損失，影響系統(tǒng)效率的問題。與傳統(tǒng)聲學(xué)超表面的pm和apm相比，aph方法能夠在具有能量損失的情況下，獲得復(fù)雜聲場下的高保真度和高質(zhì)量的聲全息圖，這對于聲全息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。