一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统和方法，系统包括液体槽、超声场生成子系统、光场生成与感知子系统以及超声场可视化与测量子系统；液体槽内盛放有液体介质，超声场生成子系统包括超声场发射模块和声边界模块，光场生成与感知子系统包括光发射模块和光场空间变换模块，超声场可视化与测量子系统包括步进旋转台、高速平面光场拍摄装置和主机，光发射模块出射的光束依次通过三维动态超声场、光场空间变换模块后，将携带超声场空间信息的光入射到高速平面光场拍摄装置，主机对高速平面光场拍摄装置的图像进行处理和分析，得到超声场图像，由主机基于超声场图像进行三维动态超声场的重建和测量。像进行三维动态超声场的重建和测量。像进行三维动态超声场的重建和测量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统和方法


[0001]本专利技术涉及超声成像领域，尤其是涉及一种用于三维动态超声场可视化和测量的光学全息成像系统和方法。

技术介绍

[0002]一直以来，超声在医疗成像、工业控制、设备检测等方面都发挥着巨大的作用。近年来，声学超材料和超表面发展迅速，声学超材料和超表面通过设计结构对超声场进行调控，可以产生一些奇异的物理性质，如负的弹性模量、负密度、负折射率等等自然界中声学材料没有的特征，开启了声学器件设计的新思路，启发研究人员做出各种新奇的声学结构。
[0003]在相关研究中，由于声场传播复杂，因此介质中的声场调控不仅需要进行理论设计，对实验验证也有很迫切的需求。然而目前超材料研究的大部分工作主要集中在空气介质中，比起空气介质，流体中超声频段的超材料的研究和应用却相对较少，其中一个重要的原因便是经过调控的复杂超声场难以被实验所测量验证。在空气介质中，可以通过设置多组传感器和数据采集，实现三维的声场可视化。而在液体中由于测量设备昂贵，点对点测量和后处理复杂，三维声场的可视化更加困难。
[0004]目前测量水中声信号最普遍的方法是采用水听器，在位移台的控制下对超声场进行扫描和探测。然而，对于高频超声，如0.5
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5MHz，波长为0.3
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3mm，水听器的探头尺寸(通常为1
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3mm)与声波波长相当，甚至大于声波波长，这种侵入性的测量既会改变被测声场也无法满足测量分辨率。并且，对于三维超声场的测量，水听器逐点探测的方式需要耗费大量的时间进行信号的采集和处理。
[0005]现有技术中，中国专利CN110243460B提出了一种利用电机和探头进行超声场测量和可视化的方法，但该方法只能探测到声源发射的超声场，而不能对反射等结构产生的超声场进行测量。另一专利CN105043531B公开了一种超声场测量装置及方法相比，此专利着重于测量超声场的声压，只能对均匀分布的简单超声场声压进行检测，观测角度唯一。
[0006]因此，有必要对液体中复杂超声场的三维可视化和定量测量进行研究。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统和方法。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009]一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，包括液体槽、超声场生成子系统、光场生成与感知子系统以及超声场可视化与测量子系统；
[0010]所述液体槽内盛放有液体介质，所述超声场生成子系统包括超声场发射模块和声边界模块，所述超声场发射模块用于生成在液体介质内沿特定方向传播的三维动态超声场；
[0011]所述光场生成与感知子系统包括光发射模块和光场空间变换模块，所述光发射模
块用于生成传播方向与超声场传播方向正交的光场；
[0012]所述超声场可视化与测量子系统包括步进旋转台、高速平面光场拍摄装置和主机，所述步进旋转台与超声场发射模块连接，步进旋转台的工作带动超声场发射模块旋转，从而带动三维动态超声场旋转，所述高速平面光场拍摄装置与主机通信连接，光发射模块出射的光束依次通过所述三维动态超声场、光场空间变换模块后，将携带超声场空间信息的光入射到所述高速平面光场拍摄装置，所述主机对高速平面光场拍摄装置的图像进行处理和分析，得到超声场图像，由所述主机基于超声场图像进行三维动态超声场的重建和测量。
[0013]进一步的，所述超声场发射模块对齐液体槽，包括但不限于：单个换能器、换能器阵列、换能器单元和声透射结构中的一种或多种的组合。
[0014]进一步的，所述声边界模块包括但不限于：声吸收体和声反射体中的一种，所述声吸收体用于吸收声波从而在空间中维持行波场，所述声反射体用于反射声波从而在空间中维持驻波场。
[0015]进一步的，所述光发射模块用于产生光场并将光场扩束至与被测的三维动态超声场的尺度相适应，包括但不限于：激光光束发射端和光束整形透镜组，所述激光光束发射端用于调制各种波长和波形的激光光束，所述光束整形透镜组用于对激光光束进行整形和扩束。
[0016]进一步的，所述光场空间变换模块用于对光场进行空间变换以提取超声场空间信息，并将被测超声场的空间信息与高速平面光场拍摄装置的感光面积相适应，所述空间变换包括但不限于傅里叶变换、空间滤波中的一种。
[0017]进一步的，光场生成与感知子系统中，所述光发射模块发射的光场穿过液体槽，光场穿过液体槽的横截面积等于被测超声场的声场面积，液体槽出射的光场经过光场空间变换模块后到达高速平面光场拍摄装置的感光面，进入高速平面光场拍摄装置的光场大小和形状等于感光面的大小和形状，这样能最大限度的确保成像的信息完整和精确。
[0018]进一步的，所述步进旋转台包括步进器和转台，所述步进器包括但不限于：马达、步进电机中的一种，所述转台与步进器相连，超声场发射模块安装在转台上。
[0019]进一步的，所述高速平面光场拍摄装置包括但不限于：高速高分辨率单反相机、CMOS高速相机、ICCD高速相机中的一种。
[0020]进一步的，所述高速平面光场拍摄装置的曝光时间至少小于被测超声场的三分之一个波长，这样才能清楚的成像。
[0021]进一步的，所述超声场可视化与测量子系统还包括同步装置，所述同步装置与超声场发射模块、步进旋转台和高速平面光场拍摄装置通信连接，发送同步脉冲信号至超声场发射模块步进旋转台和高速平面光场拍摄装置，用于控制超声场发射模块、步进旋转台和高速平面光场拍摄装置同步工作。
[0022]一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像方法，包括以下步骤：
[0023]S1、超声场发射模块在液体槽内形成待测的三维动态超声场，光发射模块形成传播方向与三维动态超声场正交的光场入射进液体槽；
[0024]S2、液体槽中出射的光场经过光场空间变换模块，携带超声场的空间分布信息入射到高速平面光场拍摄装置，高速平面光场拍摄装置拍摄超声场图像并存储；
[0025]S3控制步进旋转台工作，带动超声场发射模块旋转，从而使得超声场的角度旋转θ0，θ0为预设置的单位角度值，重复步骤S1
‑
S3，直至步骤S1
‑
S3的执行次数n＝180/θ0；
[0026]S4、主机整合n次拍摄得到的超声场图像，基于超声场图像序列进行三维动态超声场的重建和测量。
[0027]进一步的，主机通过拉东逆变换和断层重建算法进行三维动态超声场的重建，具体为：
[0028]在特定角度θ下，投影面上的信号G(ρ,θ)是物面上的超声场分布g(x,y)的拉东变换，通过对G(ρ,θ)的拉东逆变换可以得到g(x,y)的信息，二者满足如下关系：
[0029][0030][0031]其中，θ＝k*θ0，表示超声场旋转的角度，k＝0、1、2、
…
、n
‑
1，μ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，其特征在于，包括液体槽、超声场生成子系统、光场生成与感知子系统以及超声场可视化与测量子系统；所述液体槽内盛放有液体介质，所述超声场生成子系统包括超声场发射模块和声边界模块，所述超声场发射模块用于生成在液体介质内沿特定方向传播的三维动态超声场；所述光场生成与感知子系统包括光发射模块和光场空间变换模块，所述光发射模块用于生成传播方向与超声场传播方向正交的光场；所述超声场可视化与测量子系统包括步进旋转台、高速平面光场拍摄装置和主机，所述步进旋转台与超声场发射模块连接，步进旋转台的工作带动超声场发射模块旋转，从而带动三维动态超声场旋转，所述高速平面光场拍摄装置与主机通信连接，光发射模块出射的光束依次通过所述三维动态超声场、光场空间变换模块后，将携带超声场空间信息的光入射到所述高速平面光场拍摄装置，所述主机对高速平面光场拍摄装置的图像进行处理和分析，得到超声场图像，由所述主机基于超声场图像进行三维动态超声场的重建和测量。2.根据权利要求1所述的一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，其特征在于，所述超声场发射模块对齐液体槽，包括但不限于：单个换能器、换能器阵列、换能器单元和声透射结构中的一种或多种的组合。3.根据权利要求1所述的一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，其特征在于，所述声边界模块包括但不限于：声吸收体和声反射体中的一种，所述声吸收体用于吸收声波从而在空间中维持行波场，所述声反射体用于反射声波从而在空间中维持驻波场。4.根据权利要求1所述的一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，其特征在于，所述光发射模块用于产生光场并将光场扩束至与被测的三维动态超声场的尺度相适应，包括但不限于：激光光束发射端和光束整形透镜组，所述激光光束发射端用于调制各种波长和波形的激光光束，所述光束整形透镜组用于对激光光束进行整形和扩束。5.根据权利要求1所述的一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，其特征在于，所述光场空间变换模块用于对光场进行空间变换以提取超声场空间信息，并将被测超声场的空间信息与高速平面光场拍摄装置的感光面积相适应。6.根据权利要求1所述的一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系统，其特征在于，所述步进旋转台包括步进器和转台，所述步进器包括但不限于：马达、步进电机中的一种，所述转台与步进器相连，超声场发射模块安装在转台上。7.根据权利要求1所述的一种用于超声场可视化和测量的光学全息成像系...

【专利技术属性】
技术研发人员：程茜，曹君妹，解维娅，张梦娇，陈盈娜，高雅，陈一铭，吴诗颖，李佳琰，廖江南，余东，徐文逸，叶皖力，王一凡，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：