以光为耳，光纤光-声成像透视大千世界 | 光学十五邀
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️光学15邀
️本期关键词：光纤光-声成像
️特邀作者 | 华中科技大学 孙琪真
光纤光-声成像是一种给介质“做CT”的手段，它以光纤为媒介，由分布式声波传感与光纤超声传感等系统为载体，通过声波与光波的相互作用，实现自然界介质的信息反演。随着声-光与光-声转换机制与新系统、新材料、新算法的结合， 光纤光-声成像将广泛应用于众多交叉领域，包括地层、海底、生化和基础设施的信息解析，具有重大的研究和应用价值。
️光纤光-声成像的基本原理
当声源激励的声波在介质中传输时，遇到界面会发生反射和折射等现象，这些障碍往往包含了对应介质内部的一些内部细节信息，通过光纤感知直达、折射、反射等声波信号，结合成像算法，即可实现对介质的声成像“CT”。其中，不同频段的声波（次声、可听声、超声）可以探测不同介质中的关键信息，次声频率更低、波长更长、传输距离更远，更适合于大尺度介质的声成像，超声则与其相反，更适于小尺度高精细度的领域。图1为光纤光-声成像的过程示意图。
根据介质尺度的不同，通常可采用检测次声或可听声的分布式声波传感系统（Distributed Acoustic Sensing，DAS）和检测超声的光纤超声传感系统两种声传感方式来实现。前者利用光纤同时作为线性传感单元和传输信号介质，通常解调声波作用于光纤引起的瑞利后向散射光相位变化，结合光时域反射技术实现光纤沿线的定位，进而获取沿光纤上百公里所有位置的声波信息，结合声成像方法实现光纤光-声成像。后者通过光纤单点或探测阵列作为主动或被动传感导体，结合光学和声学原理实现光声激发与声光探测，通过光强度、相位、波长等调制解调，进一步结合光学器件和图像处理技术生成高分辨的超声影像，进而用于测量目标物体的距离、形状、表面特征等信息。 ️光纤光-声成像系统具有以下典型特点：
√ ️耐极端环境：相比传统电学声传感器，光纤为无源介质，具有天然的抗电磁干扰、耐高温高压腐蚀等恶劣环境等优势，成像过程无损伤；
√ ️高灵敏：极微弱声波导致的光纤皮应变级拉伸即可实现正确的信号获取，具有高灵敏的独特特性；
√ ️跨尺度、高分辨率：在几十公里甚至上百公里大尺度下，分布式光纤光-声成像可实现亚米级的高分辨率，而在米级的测量范围内，光纤超声系统可达μm级高分辨率；
√ ️强可塑性与灵活性：光纤具有轻质、小型化的特点，其柔性机制具备更强的灵活性，可进入传统设备难以到达的位置区域；
️国内外研究现状
1880年，贝尔发现用周期性的光照射吸收体时，该物体会吸收光并产生声信号，至此光声效应被发现；
20世纪90年代，Alexander Oraevsky博士在激光消融实验中发现被激光照射的软组织周围出现了超声波，由此，利用光纤光-声成像对生物组织进行研究的方法出现了；
2008年，伦敦大学学院Edward Zhang等人构建了平-平腔FP传感器，其结构可以反射探测光，透射激励光，实现光声扫描成像；
2010年，加拿大渥太华大学的Yuelan Lu采用相干探测的方法来提升后向散射传感光信号的信噪比；
2013年，英国南安普顿大学的A Masoudi提出3×3的相位解调方案；2015年，中国科学院半导体所提出PGC相位解调方案；2016年，电子科技大学提出相干零差φ-OTDR方案；上述不同方案均可实现分布式光纤振动/声波信号的恢复；
2014年，Rosenthal等人利用π-FBG构建光纤探针，结合MZI解调系统，对离体的血管组织进行了光纤光-声成像；
2018年，Ansari提出了在光纤束端面构建FP腔结构，光纤束含有五万个光纤单元，通过顺序扫描光纤束尾端可以实现快速光纤光-声成像；
2019年，F. Walter 等人在瑞士的高山冰川表面用总长1km的光缆监测了冰川活动等引起的地震声波信号，为地球灾害的评估和探索以及高山地区冰川演化过程监测打开了一个新的窗口；
2019年，A. Sladen等利用法国Toulon近海的一条41.5km长的通信电缆进行DAS测量，详细监测到从海岸到深海平原的海洋-陆地相互作用，证明光纤光-声检测成像在下一代海底地震监测网络的重要潜力；
2025年，清华大学chen等人利用光热效应调节FP腔工作点实现激光器定频探测，实验对小鼠肾脏进行了离体光纤光-声成像；
2022年，杜克大学Rong等人利用微环谐振腔构建超声传感器，实现了高频3D-PACT，8mm深度下横向分辨率达到114μm，成功对离体小鼠脑组织和活体小鼠耳结构进行光纤光-声成像；
2023年，暨南大学关柏鸥教授团队制备了可用于聚焦接收的环形微纳光纤超声传感器，并用于光纤光-声成像中。
️“CT”新利器：助力光学领域交叉应用
图2 分布式光纤光声检测成像记录6.0级地震子事件[8]
在小尺度介质方面典型应用包括：（1）基于光纤超声检测成像系统，通过光学层析成像等方式，可实现生物体器官等 ️医学成像应用，进而为医疗病变分析提供依据。例如图3所示的小鼠肾脏、脑部、血管和直肠成像；（2）利用光纤超声传感器可构建超声扫描成像系统，可实现对锂电池的扫描成像，构建 ️新能源设施安全状态监测新方法；（3）通过主动激发超声，利用光纤超声探测系统进行成像，研究阵列信号的时延及时频特性，可实现 ️结构无损探伤与定位。
图3 光纤超声医学成像应用[9-12]
️总结与展望
️参考文献：
[1]Oraevsky A A, Jacques S L, Esenaliev R O, et al. Laser-based optoacoustic imaging in biological tissues[C]//Laser-Tissue Interaction V; and Ultraviolet Radiation Hazards. SPIE, 1994, 2134: 122-128.
[2]Park J, Taylor H F. Fiber optic intrusion sensor using coherent optical time domain reflectometer. Japanese Journal of Applied Physics, 2003, 42(6R): 3481.
[4]Zhu L, Cao H, Ma J, et al. Optical ultrasound sensors for photoacoustic imaging: a review[J]. Journal of Biomedical Optics, 2024, 29(S1): S11523-S11523.
[5]WALTER F, GRAFF D, LINDNER F, et al. Distributed acoustic sensing of microseismic sources propagation in glaciated terrain[J]. Nature Communications,2020 11(1):2436.
[6]SLADEN A,.RIVET D, AMPUERO J P, et al. Distributed sensing of earthquakes and ocean-solid Earh interactions on seafloor telecom cables[J]. Nature Communications,2019.10(1):5777.
[7]Jousset P, Currenti G, Schwarz B, et al. Fibre optic distributed acoustic sensing of volcanic events[J]. Nature Communications,2022 13(1):1753.
[8]Jiaxuan Li, Taeho Kim, et al. The break of earthquake asperities imaged by distributed acoustic sensing[J]. Nature,2023 620:800-806.
