全息術在信號采集和檢測中的應用淺析

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領域，由英國著名物理學家丹尼斯·蓋博（Dennis Gabor）于1948年在改進和提高電子顯微鏡的分辨率時發明的一種技術，時稱其為全息術（Holographic），并在1971年獲得了諾貝爾物理學獎。該技術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。當以相干的激光光束照射全息圖時，原始波場能完整地再現出來，使觀察者從某個角度發現仿佛原來的物體仍放在那里。這個發現引起了人們對全息術的極大關注。

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

全息術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。全息技術有望在電影、電視、展覽、顯微鏡、計量學、高密度光盤、軍事偵察、金屬內部探測、信息存儲、遙感，研究和記錄物理狀態變化的瞬時過程（如核爆炸）等各個方面獲得廣泛應用。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，可以作為防偽標識用于商標、證件，裝飾品等。在軍事偵察和監視上，一般的雷達只能探測到目標的方位和距離，而全息術能發現目標的立體影像，對于及時識別飛機、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，因而發展出紅外、微波及超聲全息以適應不良氣候條件。超聲波穿透能力強，因此超聲全息可用于水下的軍事行動，也可用于醫療透視以及工業無損探傷等。全息圖可制成各種薄膜型光學元件，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用于研究火箭飛行的沖擊波、飛機機翼蜂窩結構的無損檢驗，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面。全息三維立體顯像技術推動了全息攝像和立體電視的發展。全息立體電視對增強觀眾的視覺感染力將達到意想不到的效果。

2 全息術與信號采集

應用全息術的基本思想可進行信號的采集和提取。通常，任何信號都表現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則會產生相應的變化“痕跡”，將其過程以某種形式記錄、保存并再現，并進行信號的相似度識別和失真度分析。

2.1 全息術與指紋信號識別

人類手指表面的皮膚凸凹不平形成各種形態各異的紋路且終身不變。依靠這種唯一特性，通過和預先采集的指紋進行比較，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來。指紋識別的應用在筆記本電腦、手機、門禁、考勤中的身份確認等。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識身份。

獲得良好的指紋圖像是一個十分復雜的問題。因為用于測量的指紋僅是相當小的一片表皮，所以指紋采集設備應有足夠好的分辨率以獲得指紋的細節。常用的全息指紋圖像采集技術包括：光全息技術、超聲全息技術、半導體硅技術。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，再經放大、整形、線性化以達到可測控數據的要求。

2.1.1 光全息技術

應用光全息術進行指紋采集是最成熟和廣泛的技術。將手指放在光學鏡片上，手指在內置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成深色嵴線（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，其反射光波的強度和光程也就不同。光學的指紋采集受溫度等環境變化影響小，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

超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產生大小不同的回波。超聲波到達不同材質表面時，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分指紋嵴與峪所在的位置。

2.1.3 CMOS硅技術

20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應的技術趨于成熟。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。其優點是靈敏度高，缺點是易受電磁干擾，穩定性相對差。

2.2 全息術與語音信號識別

語音識別主要是利用人的發聲特點。但聲音會隨口音、方言、音量、音速和音質的變化影響。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。全息聲紋識別技術涉及發聲機理和聽覺機理。通過口形變化、舌苔變化和聲帶震動測量進行語音信號采集的全息聲紋識別技術是當前語音識別研究的熱點問題。

2.3 全息術與筆跡鑒定

筆跡鑒定是一種身份認證手段，也是一種行為測定，同樣會受到人為因素的影響。應用全息學的現代簽字識別技術，透過測量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、順序和壓力等細節特征進行采集和比對，實現筆跡鑒定。

3 全息與信號檢測

根據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生的衍射現象，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生的裂痕和結構變化等。通過信號的檢測鑒定結論可以作為法律上事故鑒定的證據。全息術還可用于汽車導航儀、障礙物實時檢測、震動檢測，車況實時監測等。

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

4 結論

綜觀自然科學發展的歷史，不難發現任何一項技術理論的創新必然帶來相關應用的重大變革。全息術的問世至今已有半個世紀的歷程。全息學中蘊藏的獨特思維方法，為信息技術的發展起到了推波助瀾的作用。隨著信息技術的高度融合以及3G等新興媒體的深入發展，相信未來的全息技術及其產業必定會迎來更新的發展契機。

[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.