全息术在信号采集和检测中的应用浅析

迟文德

中央人民广播电台，北京 100866

1 概述

全息概念的提出最初源于光学领域，由英国著名物理学家丹尼斯·盖博（Dennis Gabor）于1948年在改进和提高电子显微镜的分辨率时发明的一种技术，时称其为全息术（Holographic），并在1971年获得了诺贝尔物理学奖。该技术利用光的干涉和衍射原理，把物体表面光波上各点的相位和振幅转换成在空间上的变化量，通过特殊感光材料记录下来并投射到胶片上形成成像平面，称为全息图或全息照片。当以相干的激光光束照射全息图时，原始波场能完整地再现出来，使观察者从某个角度发现仿佛原来的物体仍放在那里。这个发现引起了人们对全息术的极大关注。

此后，随着光学技术、原材料的不断发展成熟和许多学者的深入研究，全息术的应用潜力才真正得以显现，并逐渐渗透到其他领域，如全息干涉计量术、全息存储、光学仪器、全息显微术、全息摄影、显示全息，声学全息等。全息图犹如一个复杂的光栅，在相干光源的照射下能够再现原物的整个图像，而且具有很强的立体感和视觉效果。

全息术的原理不仅适用于光波，还适用于各种形式的波动，如X射线、微波、声波，电子波等。只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性。全息技术有望在电影、电视、展览、显微镜、计量学、高密度光盘、军事侦察、金属内部探测、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化的瞬时过程（如核爆炸）等各个方面获得广泛应用。全息图可用于展示人物肖像，三维广告等。模压全息图由于它的三维层次感，并随视角变化的彩虹效应，可以作为防伪标识用于商标、证件，装饰品等。在军事侦察和监视上，一般的雷达只能探测到目标的方位和距离，而全息术能发现目标的立体影像，对于及时识别飞机、舰艇或障碍物等有很大作用。由于可见光在大气或水中传播时衰减很快，因而发展出红外、微波及超声全息以适应不良气候条件。超声波穿透能力强，因此超声全息可用于水下的军事行动，也可用于医疗透视以及工业无损探伤等。全息图可制成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，工艺十分紧凑、轻巧。微波全息、近场声全息等广泛应用于研究火箭飞行的冲击波、飞机机翼蜂窝结构的无损检验，地震波、核爆炸等的全息过程。研究成功的白光全息和全景彩虹全息使人们能看到景物的各个侧面。全息三维立体显像技术推动了全息摄像和立体电视的发展。全息立体电视对增强观众的视觉感染力将达到意想不到的效果。

2 全息术与信号采集

应用全息术的基本思想可进行信号的采集和提取。通常，任何信号都表现为一定能量和运动特征的物理量，其传播过程中作为载体的介质则会产生相应的变化“痕迹”，将其过程以某种形式记录、保存并再现，并进行信号的相似度识别和失真度分析。

2.1 全息术与指纹信号识别

人类手指表面的皮肤凸凹不平形成各种形态各异的纹路且终身不变。依靠这种唯一特性，通过和预先采集的指纹进行比较，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来。指纹识别的应用在笔记本电脑、手机、门禁、考勤中的身份确认等。人们不必输入和记忆各种密码，只需凭借指纹这个自身的生理特点来标识身份。

获得良好的指纹图像是一个十分复杂的问题。因为用于测量的指纹仅是相当小的一片表皮，所以指纹采集设备应有足够好的分辨率以获得指纹的细节。常用的全息指纹图像采集技术包括：光全息技术、超声全息技术、半导体硅技术。用采集卡、DSP芯片和具有特殊记忆功能的材料或传感器把各种物理量如温度、湿度、光照、声音等先变成电压，再经放大、整形、线性化以达到可测控数据的要求。

2.1.1 光全息技术

应用光全息术进行指纹采集是最成熟和广泛的技术。将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件（CCD）上，进而形成深色嵴线（指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线）和浅色峪线（纹线之间的凹陷部分）多灰度指纹图像。由于指纹的嵴和峪的几何特征不同，在接触到平面时，其在平面上形成的压力也不同。所以在接触到光线时，其反射光波的强度和光程也就不同。光学的指纹采集受温度等环境变化影响小，分辨率也较高。但由于要求足够长的光程，而且过分粗糙和油腻的手指也会降低效果。

2.1.2 超声全息技术

超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波。超声波到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同。因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，不用接触手指就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。

2.1.3 CMOS硅技术

20世纪90年代后期，基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的嵴和峪相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成灰度图像。其优点是灵敏度高，缺点是易受电磁干扰，稳定性相对差。

2.2 全息术与语音信号识别

语音识别主要是利用人的发声特点。但声音会随口音、方言、音量、音速和音质的变化影响。一个人感冒时说话和平时说话就会有明显差异，从而给鉴别带来一定困难。全息声纹识别技术涉及发声机理和听觉机理。通过口形变化、舌苔变化和声带震动测量进行语音信号采集的全息声纹识别技术是当前语音识别研究的热点问题。

2.3 全息术与笔迹鉴定

笔迹鉴定是一种身份认证手段，也是一种行为测定，同样会受到人为因素的影响。应用全息学的现代签字识别技术，透过测量签字者的字形及不同笔划间的速度、顺序和压力等细节特征进行采集和比对，实现笔迹鉴定。

3 全息与信号检测

根据信号源的不同物理特性，以及信号在通过不同材料的过程中发生的衍射现象，如光栅、声栅等，可以检测被测物体的吸收性能、光洁度，折射率等。例如子弹击穿物体后，在物体中留下的弹道痕迹、冲击波形成的撞击痕迹以及物体吸收冲击波能量后产生的裂痕和结构变化等。通过信号的检测鉴定结论可以作为法律上事故鉴定的证据。全息术还可用于汽车导航仪、障碍物实时检测、震动检测，车况实时监测等。

全息干涉计量术利用全息学的空间波前再现原理，对物体表面三维测量而获得信息。全息干涉计量术在微应力分析、表面微位移测量、形状和等高线的检测、振动分析、无损检测等领域得到了广泛的应用。由于它能解决一般的信号检测手段难以解决的问题，所以很快渗透到机械学、流体力学、断裂力学、空气动力学、声学、航空航天、化工、高分子化学、医学，生物学等学科领域中去。随着光电技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展，使得全息干涉计量术更为方便、快捷和可靠，并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行测量。

4 结论

综观自然科学发展的历史，不难发现任何一项技术理论的创新必然带来相关应用的重大变革。全息术的问世至今已有半个世纪的历程。全息学中蕴藏的独特思维方法，为信息技术的发展起到了推波助澜的作用。随着信息技术的高度融合以及3G等新兴媒体的深入发展，相信未来的全息技术及其产业必定会迎来更新的发展契机。

[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.