全息術(shù)在信號采集和檢測中的應(yīng)用淺析

遲文德

中央人民廣播電臺，北京 100866

1 概述

全息概念的提出最初源于光學(xué)領(lǐng)域，由英國著名物理學(xué)家丹尼斯·蓋博（Dennis Gabor）于1948年在改進(jìn)和提高電子顯微鏡的分辨率時發(fā)明的一種技術(shù)，時稱其為全息術(shù)（Holographic），并在1971年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。該技術(shù)利用光的干涉和衍射原理，把物體表面光波上各點的相位和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上的變化量，通過特殊感光材料記錄下來并投射到膠片上形成成像平面，稱為全息圖或全息照片。當(dāng)以相干的激光光束照射全息圖時，原始波場能完整地再現(xiàn)出來，使觀察者從某個角度發(fā)現(xiàn)仿佛原來的物體仍放在那里。這個發(fā)現(xiàn)引起了人們對全息術(shù)的極大關(guān)注。

此后，隨著光學(xué)技術(shù)、原材料的不斷發(fā)展成熟和許多學(xué)者的深入研究，全息術(shù)的應(yīng)用潛力才真正得以顯現(xiàn)，并逐漸滲透到其他領(lǐng)域，如全息干涉計量術(shù)、全息存儲、光學(xué)儀器、全息顯微術(shù)、全息攝影、顯示全息，聲學(xué)全息等。全息圖猶如一個復(fù)雜的光柵，在相干光源的照射下能夠再現(xiàn)原物的整個圖像，而且具有很強(qiáng)的立體感和視覺效果。

全息術(shù)的原理不僅適用于光波，還適用于各種形式的波動，如X射線、微波、聲波，電子波等。只要這些波動在形成干涉花樣時具有足夠的相干性。全息技術(shù)有望在電影、電視、展覽、顯微鏡、計量學(xué)、高密度光盤、軍事偵察、金屬內(nèi)部探測、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態(tài)變化的瞬時過程（如核爆炸）等各個方面獲得廣泛應(yīng)用。全息圖可用于展示人物肖像，三維廣告等。模壓全息圖由于它的三維層次感，并隨視角變化的彩虹效應(yīng)，可以作為防偽標(biāo)識用于商標(biāo)、證件，裝飾品等。在軍事偵察和監(jiān)視上，一般的雷達(dá)只能探測到目標(biāo)的方位和距離，而全息術(shù)能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的立體影像，對于及時識別飛機(jī)、艦艇或障礙物等有很大作用。由于可見光在大氣或水中傳播時衰減很快，因而發(fā)展出紅外、微波及超聲全息以適應(yīng)不良?xì)夂驐l件。超聲波穿透能力強(qiáng)，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫(yī)療透視以及工業(yè)無損探傷等。全息圖可制成各種薄膜型光學(xué)元件，如各種透鏡、光柵、濾波器等，工藝十分緊湊、輕巧。微波全息、近場聲全息等廣泛應(yīng)用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機(jī)機(jī)翼蜂窩結(jié)構(gòu)的無損檢驗，地震波、核爆炸等的全息過程。研究成功的白光全息和全景彩虹全息使人們能看到景物的各個側(cè)面。全息三維立體顯像技術(shù)推動了全息攝像和立體電視的發(fā)展。全息立體電視對增強(qiáng)觀眾的視覺感染力將達(dá)到意想不到的效果。

2 全息術(shù)與信號采集

應(yīng)用全息術(shù)的基本思想可進(jìn)行信號的采集和提取。通常，任何信號都表現(xiàn)為一定能量和運動特征的物理量，其傳播過程中作為載體的介質(zhì)則會產(chǎn)生相應(yīng)的變化“痕跡”，將其過程以某種形式記錄、保存并再現(xiàn)，并進(jìn)行信號的相似度識別和失真度分析。

2.1 全息術(shù)與指紋信號識別

人類手指表面的皮膚凸凹不平形成各種形態(tài)各異的紋路且終身不變。依靠這種唯一特性，通過和預(yù)先采集的指紋進(jìn)行比較，我們就可以把一個人同他的指紋對應(yīng)起來。指紋識別的應(yīng)用在筆記本電腦、手機(jī)、門禁、考勤中的身份確認(rèn)等。人們不必輸入和記憶各種密碼，只需憑借指紋這個自身的生理特點來標(biāo)識身份。

獲得良好的指紋圖像是一個十分復(fù)雜的問題。因為用于測量的指紋僅是相當(dāng)小的一片表皮，所以指紋采集設(shè)備應(yīng)有足夠好的分辨率以獲得指紋的細(xì)節(jié)。常用的全息指紋圖像采集技術(shù)包括：光全息技術(shù)、超聲全息技術(shù)、半導(dǎo)體硅技術(shù)。用采集卡、DSP芯片和具有特殊記憶功能的材料或傳感器把各種物理量如溫度、濕度、光照、聲音等先變成電壓，再經(jīng)放大、整形、線性化以達(dá)到可測控數(shù)據(jù)的要求。

2.1.1 光全息技術(shù)

應(yīng)用光全息術(shù)進(jìn)行指紋采集是最成熟和廣泛的技術(shù)。將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進(jìn)而形成深色嵴線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）和淺色峪線（紋線之間的凹陷部分）多灰度指紋圖像。由于指紋的嵴和峪的幾何特征不同，在接觸到平面時，其在平面上形成的壓力也不同。所以在接觸到光線時，其反射光波的強(qiáng)度和光程也就不同。光學(xué)的指紋采集受溫度等環(huán)境變化影響小，分辨率也較高。但由于要求足夠長的光程，而且過分粗糙和油膩的手指也會降低效果。

2.1.2 超聲全息技術(shù)

超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波。超聲波到達(dá)不同材質(zhì)表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同。因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，不用接觸手指就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

2.1.3 CMOS硅技術(shù)

20世紀(jì)90年代后期，基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的嵴和峪相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成灰度圖像。其優(yōu)點是靈敏度高，缺點是易受電磁干擾，穩(wěn)定性相對差。

2.2 全息術(shù)與語音信號識別

語音識別主要是利用人的發(fā)聲特點。但聲音會隨口音、方言、音量、音速和音質(zhì)的變化影響。一個人感冒時說話和平時說話就會有明顯差異，從而給鑒別帶來一定困難。全息聲紋識別技術(shù)涉及發(fā)聲機(jī)理和聽覺機(jī)理。通過口形變化、舌苔變化和聲帶震動測量進(jìn)行語音信號采集的全息聲紋識別技術(shù)是當(dāng)前語音識別研究的熱點問題。

2.3 全息術(shù)與筆跡鑒定

筆跡鑒定是一種身份認(rèn)證手段，也是一種行為測定，同樣會受到人為因素的影響。應(yīng)用全息學(xué)的現(xiàn)代簽字識別技術(shù)，透過測量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、順序和壓力等細(xì)節(jié)特征進(jìn)行采集和比對，實現(xiàn)筆跡鑒定。

3 全息與信號檢測

根據(jù)信號源的不同物理特性，以及信號在通過不同材料的過程中發(fā)生的衍射現(xiàn)象，如光柵、聲柵等，可以檢測被測物體的吸收性能、光潔度，折射率等。例如子彈擊穿物體后，在物體中留下的彈道痕跡、沖擊波形成的撞擊痕跡以及物體吸收沖擊波能量后產(chǎn)生的裂痕和結(jié)構(gòu)變化等。通過信號的檢測鑒定結(jié)論可以作為法律上事故鑒定的證據(jù)。全息術(shù)還可用于汽車導(dǎo)航儀、障礙物實時檢測、震動檢測，車況實時監(jiān)測等。

全息干涉計量術(shù)利用全息學(xué)的空間波前再現(xiàn)原理，對物體表面三維測量而獲得信息。全息干涉計量術(shù)在微應(yīng)力分析、表面微位移測量、形狀和等高線的檢測、振動分析、無損檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于它能解決一般的信號檢測手段難以解決的問題，所以很快滲透到機(jī)械學(xué)、流體力學(xué)、斷裂力學(xué)、空氣動力學(xué)、聲學(xué)、航空航天、化工、高分子化學(xué)、醫(yī)學(xué)，生物學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中去。隨著光電技術(shù)、CCD器件及光纖技術(shù)的飛速發(fā)展，使得全息干涉計量術(shù)更為方便、快捷和可靠，并得以在惡劣環(huán)境條件下對某些物理量進(jìn)行測量。

4 結(jié)論

綜觀自然科學(xué)發(fā)展的歷史，不難發(fā)現(xiàn)任何一項技術(shù)理論的創(chuàng)新必然帶來相關(guān)應(yīng)用的重大變革。全息術(shù)的問世至今已有半個世紀(jì)的歷程。全息學(xué)中蘊(yùn)藏的獨特思維方法，為信息技術(shù)的發(fā)展起到了推波助瀾的作用。隨著信息技術(shù)的高度融合以及3G等新興媒體的深入發(fā)展，相信未來的全息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)必定會迎來更新的發(fā)展契機(jī)。

[1]Gabor D.Nature,1948,161:777.

[2]Gabor D.Proc.Roy.Soc.(London),1951,B64:449.

[3]Lerth E N,Upatnieks J.J.Opt.Soc.Am.,1964,54:1295.

[4]Saxby G.Practical Holography.Prentice Hall,London，1988.

[5]Wang T,Li Y et al.Pro.of SPIE,1998：3491-1141.