水下高斯界面背向散射超声散斑场的相位奇异

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014)054301水下高斯界面背向散射超声散斑场的相位奇异冰郑伟花十贾虎(南阳师范学院土木建筑工程学院，南阳473061)(2013年10月8日收到；2013年l1月5日收到修改稿)为了精确描述超声散斑场的特性，提出了采用计算机模拟产生超声散斑场的方法．利用模拟产生的高斯相关随机表面，获得了这类表面远场超声散斑场，同时得到了声强分布和相位分布．与实验产生的散斑场进行对比，建立了超声散斑场接收的实验系统，取与计算模拟相同的参数，获得了实验散斑场．通过对比发现：计算机模拟产生的超声散斑场相位存在奇异点，奇异

2、点周围相位分布类似漩涡，计算机模拟产生的散斑场与实验得到的散斑场强度分布相似，强度值比实验产生的散斑场强度大，携带有用信息的高亮散斑较多，暗点较少，更利于研究和分析．关键词：超声散斑，高斯界面，相位奇异PACS：43．35．+d，43．35．—cDOI：10．7498／aps．63．054301少，主要局限在医学成像技术【15—19]和超声无损检1引言测【20】中，有关超声散斑场的数值模拟及相位奇异未见相关的报道．激光、超声等相干波入射至粗糙界面上，其散自从1997年，韩国Hong等类比激光散斑干涉射波在空间可以形成随机散斑．·长期以来人们对激检测的原理和方法，提

3、出了建立超声散斑检测新光散斑的研究较多，并逐渐认识到散斑也是一种信技术的思想之后，一些学者对超声散斑检测也有息载体【1】．因此激光散斑场的统计特性研究发展较了进一步的相关研究：例如超声散斑跟踪技术研快，主要集中在激光散斑统计规律【，0】和激光散斑究[23-25]；超声散斑场的一阶二阶统计特性[26-28】；检测技术[4-8】两方面，例如，伍小平等在1980年提利用超声散斑场的相关性和相干性进行面内和离出了激光散斑场的运动规律；Goodman等在1984面位移的测量[29-31]等等．散斑跟踪技术主要应用年推导出激光散斑的统计特性；随后激光散斑检测在医学超声中，从文

4、献f23—251可以看出，散斑跟技术发展迅速，并且一直持续到近期依然是学者们踪成像技术已经从二维发展到三维；虽然人们在医研究的热点．例如2000-2004年间杨楠，佟景伟等学超声中散斑也得到了应用，但超声散斑场的统计将散斑相关法用于各向异性和功能材料的测试[9]：2013年李刚等利用电子散斑干涉法测量了金属表特性发展比较慢，文献[26—28】主要讨论的是超声静面热变形[10]：近几年此方法渐运用到微观测量中．态散斑的统计特性，超声动态散斑统计特性的研究有关激光散斑场数值模拟以及相位奇异也有不少几乎没有相关报道；超声散斑的研究和应用都还不研究报道II1-14】，文献

5、【11]用数值模拟得到激光散够深入，一个基本原因是人们至今还缺乏对超声散斑场的相位奇异现象，并对其产生的机理进行了分斑特性的全面认识．为了建立和发展超声数字散斑析；文献f12】对远场激光散斑进行了数值模拟，并检测新技术的基础，需要对超声散斑的统计特性进对角度散斑相关粗糙度的测量方法进行了讨论并行深入全面的研究．得出此方法的有效性．对于超声散斑的研究一直很本文基于弱散射界面反射超声散斑的统计特国家自然科学基金(批准号：11304168，11202109)和河南省科技厅项目(批准号1121023105161资助的课题十通讯作者．E—mail：zhengweihua12

6、30@163．com◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety胁tp：／／wulixb．hy．ac．c佗054301—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014)054301性，对弱散射界面反射超声散斑场的光强和相位进这样声场复振幅实部和虚部为行模拟，同时进行实验验证．因为超声所具有的可)=zo．穿透能力，在空气中衰减较快的特性，超声发射和。接收系统建立在水下，粗糙界面放置在水中进行-AoR(。，。)R(。，。)]d。dy。，(5)测量．)=。2理论分析——超声散斑场的产生+A3(。，。)^R(。，。)]d。dy。

7、．(6)由此，超声散斑场的强度和相位分别为如图1所示，考察超声在水中的传播．图中o一是散射面，—y是观察面，两者相互平行，间Z(x，)=IAR(x，)+jAx，y)l距为，D0为超声辐照面．=[AR(x，)]+[AI(x，)]，(7)Y0／入一n()／为了模拟产生超声散斑场，构造粗糙的随机界。／鍪。面来获取0x0，Yo)函数的具体形式．构造表面高／／度符合高斯随机分布的二维随机表面，高度分布关／一系满足以下关系式[32】：图1界面反射超声在空间的传播△(XO~YO、1=蛙不考虑散射波传播时色散与衰减影响，与激光×exp{一言[(xo—)散斑测量系统的分析相似，超声

8、散斑测量系