对象标识系统及方法
1.相关申请本技术要求2019年12月12日提交的美国临时申请号62/947,230和2020年12月9日提交的美国专利申请号17/116,434的权益。
技术领域
2.本发明涉及物理对象的认证、伪造检测和仿造检测。更特别地，其涉及基于对每个对象的独特微观结构的非破坏性评估的这样的认证和检测。
背景技术：
3.提供认证、检测伪造、检测仿造和/或确保对象的肯定标识全部依赖于证明对象与最初创建的对象完全相同。这一挑战适用于跨收藏品、艺术品、医学、制成品、手工艺品、珠宝和许多其它领域的学科。在许多这些领域中，检测方法优选是非破坏性的，使得原始对象在检查过程中不会受到损害、更改或破坏。
4.现有的用于提供认证、检测伪造、检测仿造和/或确保对象的肯定标识的方法缺乏它们提供非破坏性方法的能力，该非破坏性方法可以以虚拟的确定性（with virtual certainty）确保对象的特性与数据库中存储的那些相匹配或不匹配。本发明提供了克服这些挑战的解决方案。
技术实现要素：
5.上述问题和需求通过一种认证方法来解决，所述认证方法包括将激光波束引导到对象的表面上，以在对象的块体材料（bulk material）中诱发热弹性激发而不更改对象的表面，其中激光波束是脉冲的，检测由热弹性激发引起的对象表面处的表面超声波，使用检测到的表面超声波生成检测信号，使用检测信号生成数字数据，并且通过比较数字数据和存储在数据库中的参考数据来确定对象的真实性。
6.一种用于分析具有块体材料和表面的对象的装置，包括激光器，其被配置为生成激光波束，用于在撞击对象的表面时在块体材料中诱发热弹性激发而不更改对象的表面，其中激光波束是脉冲的；检测器，其被配置为检测由热弹性激发引起的对象表面处的表面超声波，并使用检测到的表面超声波生成检测信号；处理器，其被配置为使用检测信号生成数字数据；以及数据库，其被配置为通过比较数字数据和存储在数据库中的参考数据来确定对象的真实性。
7.通过对说明书、权利要求和附图的审查，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。
附图说明
8.图1是本发明的标识系统的示意图。
9.图2是示出参考数据的生成和后续询问数据的生成的示意图。
10.图3是本发明的标识系统的替代实施例的示意图。
11.图4是本发明的标识系统的另一替代实施例的示意图。
12.图5是本发明的标识系统的另一替代实施例的示意图。
具体实施方式
13.本发明利用形成对象的材料的微观结构的独特性。对于大多数微观结构，除了具有非常少晶粒的那些，没有已知的方法来克隆、复制、重新创建或再现微观结构。虽然由于环境影响、磨损、氧化和其它影响，对象表面的微观结构和元素组成可能改变，但是内部结构保持稳定。这种稳定性和不可复制性的组合为用于确定对象真实性的标识提供了理想基础（即确定对象是真实的，使得它与先前询问的对象相同，或者确定对象是不真实的，使得它是不同的对象或甚至是伪造）。
14.对于至少某一大小的对象，超声是以足够的细节询问对象表面下方微观结构的理想方式。这导致使用超声作为理想的询问方法。然而，传统声波图技术并不理想，因为探头与表面的物理接触可能会受到检查的限制，并有损坏对象的风险。此外，传统声波图技术导致难以激发表面、尤其是复杂表面上的精确位置。某些表面几何形状不利于传统声波图技术。另外，传统声波图技术在跨频谱创建同步宽带激发的能力方面有限。
15.已经发现，激光受激超声提供了超过传统标识技术性能的可靠性能。激光受激超声使用激光脉冲来生成对象的快速局部加热，这创建了热弹性冲击波，该冲击波沿着对象的表面以及通过对象的块体材料传播。热弹性体波（bulk wave）生成超声响应，该响应被对象表面下方材料的微观结构更改。冲击波是宽带的，跨一系列频率生成激发，从而使得能够以从深穿透低频激发到询问较小特征大小的高频激发的频谱对对象进行广泛询问。激光波束的功率、波长、光斑大小和脉冲持续时间被配置为在不烧蚀材料的情况下（即在不更改对象的表面的情况下）生成热弹性激发，从而提供非破坏性询问。此外，激光激发和检测的非接触性质确保不会由于探头与对象的表面的物理接触而造成损坏。此外，不一定需要接触探头就可以询问广泛范围的表面几何形状。
16.图1图示了用于分析对象的标识系统1的组件。激光源10（例如，纳秒脉冲光纤激光器、皮秒脉冲光纤激光器或飞秒脉冲光纤激光器）产生脉冲激光（激发）束12。脉冲激光波束12指向对象16的表面14，其中脉冲激光波束12撞击对象16并与之相互作用，以创建热弹性体波18，其穿过对象的材料的微观结构16a并与之相互作用。那些相互作用生成超声反射波20，所述超声反射波20返回到对象16的表面14。虽然图1示出了来自单个微观结构边界16a的单个超声反射波20，但应当理解，创建了来自对象的材料内不同深度和位置的许多这样的反射并返回到对象的表面。这意味着在对象的表面14上任何点处的总体超声波形（在本文中被称为表面超声波22）的振幅是对象内到达对象的表面14上该点的所有超声反射波20的组合（总和）。
17.表面超声波22的振幅由检测器24在一个或多个离散位置处测量。检测器24优选是使用sagnac效应并由超发光二极管照亮的干涉仪。来自干涉仪的检测激光波束26指向对象16的表面14，并且从由于表面的运动而反弹（即通过反射和/或散射）的检测激光波束26的光28的频率的干涉提取表面超声波22的振动振幅和频率。具体地，可以使用环形干涉仪创建干涉图案，所述干涉图案比较光在围绕环的每个方向上行进的相对相位。作为众所周知
的科学仪器的用于对表面进行非接触振动测量的激光多普勒振动计（ldv）也可以用作检测器24。将来自ldv的检测激光波束26指向对象16的表面14，并且从由于表面的运动而反弹（即通过反射和/或散射）的检测激光波束26的光28的频率的多普勒频移提取振动振幅和频率。具体地，振动计一般是双波束激光干涉仪，其测量内部参考波束和从对象的表面14反弹的光28之间的频率（或相位）差。ldv中最常见的激光器类型是氦氖激光器，尽管也使用激光二极管、光纤激光器和nd:yag激光器。检测激光波束26指向对象表面14，并且来自对象表面14的反弹光28被检测器24收集，并与光电检测器（通常是光电二极管）上的参考波束相干涉。光电检测器的输出是标准频率调制（fm）信号，其中布拉格单元频率作为载波频率，以及多普勒频移作为调制频率。可以对该信号进行解调，以导出振动目标的速度与时间的关系。检测器的输出是检测信号30，其一般是连续模拟电压信号，该信号与沿着检测激光波束26方向的表面超声波22的速度分量成比例。虽然图1示出了单个激光源10和单个检测器24，但是一个或多个激光源10可以与一个或多个检测器24同时使用。一个或多个激光源10相对于表面14的位置可以是静止或移动的，与一个或多个检测器24相对于表面14的位置可以是静止或移动的相组合，其中测量是在表面14上的一个或多个离散位置处进行的。
18.将检测信号30提供给信号处理器32，信号处理器32将检测信号30数字化和/或以其它方式处理成适用于数字处理和存储的数字数据，由此数字数据然后优选地作为询问数据36（用于后续询问对象16以确定其真实性）或作为参考数据38（用于初始询问对象16）存储在数据库34中。然后启用认证或伪造检测，因为相同的对象将具有远离表面14的相同的内部微观结构，因此如上面所描述的那样使用超声的询问将在检测信号方面产生大体上类似的响应。这种响应在表面超声波22的空间变化中看到，如检测信号30中所反映的。其它非微观结构属性，诸如中尺度裂纹、空隙、孔隙度、成分变化和夹杂物，也可以有助于任何给定对象16的检测信号30的独特性。热弹性波对晶粒结构和边界的超声响应对于确定对象16是否与最初产生参考数据38的对象相同尤其重要。
19.数据库34中的参考数据38可以从在比后续询问更早时间执行的任何询问生成。这一较早的时间可以是先前的询问，或者当已经执行了多于两次的询问时，可以使用任何较早的询问或较早询问的组合。图2概念性地示出了在左侧的初始化询问，其中参考数据38被创建和存储，以及在右侧的后续认证询问，其中询问数据36被创建并与参考数据38相比较以确定认证。如所示出的，用于创建参考数据的标识系统1不需要已经存储任何询问数据36。用于创建参考数据38的认证系统1可以与用于创建询问数据36的认证系统1在物理上相同或在物理上不同。如果它们是物理上不同的系统，那么可以将一个数据库34的参考数据38传送到执行后续询问的另一个系统的数据库34。替代地，单个数据库34可以与用于收集参考和询问数据38/36的不同激光源10、检测器24和处理器32物理分离。
20.然后，如果询问数据36和参考数据38之间的（一个或多个）差异低于一个或多个阈值，那么确定认证，由此，数据库34被配置为提供当（一个或多个）差异低于（一个或多个）阈值时确认认证的确定，以及当（一个或多个）差异高于（一个或多个）阈值时未确认认证的确定。具体地，对象16的相同性的确定可以使用阈值、取决于扫描参数的可变阈值、深度学习或机器学习解释、人类解释、统计相关方法或这些方法和其它类似分析技术的任何组合。可以图形地显示和比较询问和参考数据36/38。分析和/或比较方法的示例包括主成分分析、多元回归、分箱直方图、尺度不变特征变换、加速鲁棒特征技术、鲁棒独立基本特征、旋转鲁
棒独立基本特征、基于局部能量的形状直方图、梯度位置和取向直方图、结构相似性指数、定向梯度直方图、类haar特征、特征值分析、基于小波的分析、光谱分解和/或均方误差。这些示例是作为说明性呈现的，并不表示可以单独使用或组合使用的全面技术集合。
21.晶粒边界及其相应的位置通过它们与产生超声反射波20的热弹性体波18的相互作用直接或间接地使用，超声反射波20的总和被检测为表面超声波22，其用于生成询问和参考数据36/38。因此，虽然晶粒边界的确切位置、晶粒边界的取向、晶粒边界的形状、晶粒晶格的取向、晶粒结构的位置以及这些性质的任何组合都可能无法精确确定，但是它们确实提供了可重复的效果，如作为对象16的独特标记的询问和参考数据36/38中所反映的。关于晶粒结构的数据不需要完整以为认证或伪造检测提供足够的数据。
22.可以使用激光超声激光波束12和检测器波束26（或下面所描述的换能器46）的一发一收（pitch-catch）配置来确定晶粒边界和晶粒结构对超声波的影响。通过分析数据以仅选择对应于晶粒边界特征大小的频率，可以从表面波22提取仅与内部晶粒边界相关的检测信号30或询问/参考数据36/38的部分。可靠检测晶粒边界的范围是近似20mhz及更高。光谱分解和光谱包围（spectral bracketing）可以用于提取检测信号30或询问/参考数据36/38中与期望光谱范围相关联的部分。可以使用应用保持检测信号30或询问/参考数据36/38中与高于指定阈值（例如，20mhz）相关联的部分的滤波器（例如，高通滤波器）。当检测器24相对于固定激发源移动时，收集多个记录并对这些记录进行去卷积改进了晶粒边界信息的分辨率和/或可重复性。随着检测器24以相对于表面14的角度更改，收集多个记录（即收集以相对于表面14的两个或更多个离散角度从表面反弹的光28），并且对这些多角度记录进行去卷积也改进了晶粒边界信息的分辨率和/或可重复性。通过材料的波速度的快速改变指示晶粒边界。可以应用边缘检测、聚类和许多其它技术来标识速度的这些快速改变。
23.可以用单脉冲、多脉冲或以设定或可变频率连续施加脉冲来执行基于激光的超声询问。可以使用这些脉冲模式的任何排列。激光源10可以是q开关的、锁模的、脉冲泵浦的或使用创建脉冲输出的其它手段。激光波束12可以是单波长、宽带，或者具有选择的波长范围或范围集合。这些脉冲可以集中在特定点上，在一条线上扫描，在一个区域上扫描，或者在多个点、线或区域上扫描，其中这些位置彼此离散。可以使用这些位置的任何排列。对于认证和伪造检测，在数据库中记录和存储在对象上扫描的位置（例如，作为参考/询问数据38/36的一部分）为实现对象的相同区域的准确集成提供了有用信息。点的选择可以是完全随机、部分随机或确定性的。
24.声速与材料弹性和密度之间的关系可以用于从超声反射理解材料属性。此外，声衰减与声散射和吸收之间的关系可以用于从超声反射理解材料属性。表面超声波22波形特征的位置和时间可以用于确定沿着表面的位置和材料深度特征。这些波形可以沿着平行或垂直于对象表面的平面组合，有时称为b扫描和c扫描。（一个或多个）激发位置、（一个或多个）检测位置、（一个或多个）检测角度、声速、声衰减、材料属性和声行进时间中的一个或多个属性的组合可以用于解释微观结构的询问，材料属性和/或询问特性。
25.本发明的一个表现形式是使用质询-响应协议来进行认证确定。询问点、线或区域的集合，并将它们的响应记录为参考数据38。然后，在后续的询问上使用这些点、线或区域的子集来确定超声响应的相似性。被询问的子集可以包括点、线或区域中的仅一些或整个集合。点的选择可以是完全随机、部分随机或确定性的。此外，所调查的每个区域的子集可
以用作质询。从询问获得的数字数据在质询-响应认证协议中提供响应。该响应应该在一个或多个相似性阈值内，以便对经受后续询问的对象是真实的做出确定。
26.对象的表面经常经受环境老化、磨料磨损、灰尘和污垢收集、化学损伤和更改对象的表面的材料结构、成分或位置的许多其它因素。根据本发明，在表面下方进行询问使得能够访问不受表面更改因素影响的区域。从检测信号30排除来自初始询问或分析的实际表面14的一些或全部贡献，可以提供在不同时间点比较相同区域的询问的改进的能力。表面效应的深度基于材料、环境和对象属性而变化，但是经常在几个原子到1000微米的范围内。
27.使用非烧蚀性激光诱导超声进行询问可以与任何其它方法相组合，以提供增强的分辨率、附加信息或上下文信息。可以同时或在不同的时间点组合使用一种或多种其它方法。这些方法可以询问与非烧蚀性激光诱导超声相同的点、线或区域，或不同的点、线或区域，或它们的组合。这些附加方法在本质上可以是破坏性的或非破坏性的或它们的组合。这些方法包括与基于探头的超声的组合，包括潜在使用一个或多个相控阵换能器。烧蚀性激光超声可以与非烧蚀性激光超声、与以破坏性方式使用的烧蚀性激光超声或与被烧蚀的牺牲层相组合。可以与非烧蚀性激光诱导超声相组合的附加方法包括计算机断层摄影、x射线衍射计算机断层摄影、x射线照相术、x射线衍射照相术、太赫兹射线照相术、谐波测试、回波衰减、涡流检查、表面共振声光谱学、白光干涉法、立体视觉测距以及激光检测和测距。也可以使用破坏性方法，诸如包含元素的物理不可克隆功能的集成，包括光学、电气和电磁物理不可克隆功能。
28.可以在认证过程中的许多步骤处采用加密，包括从数据库34向任何设备传输数据、在设备内传输数据、在向数据库34传输数据中、在处理器32中和/或在用于比较来自数据库34的数据的任何其它处理器中的所有数据处理步骤中、以及上述步骤的任何排列中。可以直接比较或解密加密信息以实现比较。
29.参考数据和询问数据可以转换为捕获对象16的独特元素的数字签名。该数字签名可以被加密，并且可以并入附加信息，诸如询问对象的时间和位置。数字签名可以用于比较以检测伪造或认证对象。
30.数据库34中的数据可以连接到区块链块。它也可以记录在分布式分类账中。这使得对象数据能够连接到数字验证方法。为了确保询问数据36可以用于认证或伪造检测，可以以将其分配给对象16的方式将其记录在数据库34中，以便稍后使用该数据进行认证查询。
31.可以选择激光源10的波长以仅把对象中的某些材料作为目标。一个示例是选择主要被金属而非聚合物吸收的波长。在另一示例中，可以选择极好地被颜料吸收的波长。在另一示例中，可以选择最小程度地被颜料吸收的波长。可以在多于一个的波长处收集测量值，以补充参考/询问数据38/36的鲁棒性。
32.在询问期间记录超声响应的信噪比可以导出附加的益处。这可以用于确定询问质量或帮助确定用于认证的阈值。可以使用用于集中、放大或过滤声信号的各种方法来改进本发明的分辨率、速度或非破坏性。声透镜可以用于使超声发射集中。可以实现诸如带通滤波器、谐振器、惠斯通电桥和快速傅里叶变换模块之类的机械、电气和/或计算滤波器，以修改声信号和/或所产生的波形。静态和/或动态反射器可以用于引导、修改和/或放大声发射。
33.可以使用用于创建期望超声传播的各种方法来改进检测信号的质量。异形（profiled）激光波束12可以用于以期望的图案创建激发和/或波前，诸如具有期望振幅轮廓的点、环、线或区域。激光波束12在空间和/或时间上的相移可以用于提供具有期望形式的激发和/或波前。激光波束12的焦点可以在空间和/或时间上变化，以提供具有期望形式的激发和/或波前。关于衍射、微观结构、光扩散、声反射、声衰减或任何其它过程或材料属性的反馈可以用作确定激发波束成形和传输的因素。
34.本发明对于认证艺术品（诸如雕塑、绘画和素描）、珠宝和包含金属、粘土、陶瓷、环氧树脂、聚合物、木材、颜料、结合剂和/或其组合的任何对象是理想的。
35.图3图示了检测器24的替代实施例，其使用一个或多个换能器46优选地靠近或甚至接触表面14，以将表面超声波22转换成一个或多个电信号。如果使用多个换能器46，则换能器46可以相对于表面14以各种角度配置，以检测来自不同方向的超声反射。（一个或多个）换能器46可以是平面阵列、半球阵列、抛物线阵列、双曲线阵列、线、圆或任何其它期望的形状。
36.图4图示了检测器24的另一替代实施例，其使用光学检测（例如，基于ldv的散射光收集）和一个或多个换能器46两者来测量表面超声波22的不同方面并从其生成适当的检测信号30。
37.如上面所阐述的，一种选项是使用于认证的数据将来自对象16的表面14的贡献排除在外。源于表面的波可以被称为瑞利波，它们是表面波，而不是源于对象较深处的体波。排除这些表面波的贡献减少了参考/询问数据38/36的文件大小，并且可以增强询问之间的比较。光学或物理接触换能器阵列可以用于区分表面波和体波，从而使得能够过滤来自检测信号的表面波贡献。波的频率也可以用于使用机械、电气和/或计算滤波器过滤表面波。用以主要激发表面波的具有所选频率和/或功率的激发也可以用于区分表面波与体波。
38.图5图示了另一替代实施例，其中物理上远离检测器24的数据库50正在执行询问数据36和参考数据38之间的比较，以确定认证。具体地，数据库34可以经由网络52（例如，互联网、蜂窝网络等）连接到数据库50。数据库50存储如从数据库34接收的询问数据36和参考数据38。数据库50执行询问数据36和参考数据38之间的比较以确定认证。然后可以经由网络50将认证结果传送回到数据库34。虽然图5示出了存储在数据库34和数据库50两者中的询问数据36和参考数据38，但是询问系统1可以代替地被配置为将询问数据36和参考数据38发送到数据库50而不将其存储在数据库34中。
39.应当理解，本发明不限于上面描述的和本文中图示的（一个或多个）实施例，而是涵盖落入任何权利要求范围内的任何和所有变化。例如，本文中对本发明的引用并非意图限制任何权利要求或权利要求术语的范围，而是代替地仅参考可能由权利要求中的一个或多个覆盖的一个或多个特征。上面描述的材料、过程和数值示例仅是示例性的，并且不应被视为限制权利要求。例如，示出了单个检测信号30，但它可以是共同用于生成/存储询问或参考数据36/38的许多单独的信号。另外，在后续的询问期间，从检测信号生成的数字数据不需要存储在数据库34中，而是可以作为询问数据与参考数据直接进行比较，而询问数据从未被存储在数据库34中。最后，任何装置权利要求的前序部分意图提供先前的基础，而不意图以其它方式进行限制。
1.相关申请本技术要求2019年12月12日提交的美国临时申请号62/947,230和2020年12月9日提交的美国专利申请号17/116,434的权益。
技术领域
2.本发明涉及物理对象的认证、伪造检测和仿造检测。更特别地，其涉及基于对每个对象的独特微观结构的非破坏性评估的这样的认证和检测。
背景技术：
3.提供认证、检测伪造、检测仿造和/或确保对象的肯定标识全部依赖于证明对象与最初创建的对象完全相同。这一挑战适用于跨收藏品、艺术品、医学、制成品、手工艺品、珠宝和许多其它领域的学科。在许多这些领域中，检测方法优选是非破坏性的，使得原始对象在检查过程中不会受到损害、更改或破坏。
4.现有的用于提供认证、检测伪造、检测仿造和/或确保对象的肯定标识的方法缺乏它们提供非破坏性方法的能力，该非破坏性方法可以以虚拟的确定性（with virtual certainty）确保对象的特性与数据库中存储的那些相匹配或不匹配。本发明提供了克服这些挑战的解决方案。
技术实现要素：
5.上述问题和需求通过一种认证方法来解决，所述认证方法包括将激光波束引导到对象的表面上，以在对象的块体材料（bulk material）中诱发热弹性激发而不更改对象的表面，其中激光波束是脉冲的，检测由热弹性激发引起的对象表面处的表面超声波，使用检测到的表面超声波生成检测信号，使用检测信号生成数字数据，并且通过比较数字数据和存储在数据库中的参考数据来确定对象的真实性。
6.一种用于分析具有块体材料和表面的对象的装置，包括激光器，其被配置为生成激光波束，用于在撞击对象的表面时在块体材料中诱发热弹性激发而不更改对象的表面，其中激光波束是脉冲的；检测器，其被配置为检测由热弹性激发引起的对象表面处的表面超声波，并使用检测到的表面超声波生成检测信号；处理器，其被配置为使用检测信号生成数字数据；以及数据库，其被配置为通过比较数字数据和存储在数据库中的参考数据来确定对象的真实性。
7.通过对说明书、权利要求和附图的审查，本发明的其它目的和特征将变得显而易见。
附图说明
8.图1是本发明的标识系统的示意图。
9.图2是示出参考数据的生成和后续询问数据的生成的示意图。
10.图3是本发明的标识系统的替代实施例的示意图。
11.图4是本发明的标识系统的另一替代实施例的示意图。
12.图5是本发明的标识系统的另一替代实施例的示意图。
具体实施方式
13.本发明利用形成对象的材料的微观结构的独特性。对于大多数微观结构，除了具有非常少晶粒的那些，没有已知的方法来克隆、复制、重新创建或再现微观结构。虽然由于环境影响、磨损、氧化和其它影响，对象表面的微观结构和元素组成可能改变，但是内部结构保持稳定。这种稳定性和不可复制性的组合为用于确定对象真实性的标识提供了理想基础（即确定对象是真实的，使得它与先前询问的对象相同，或者确定对象是不真实的，使得它是不同的对象或甚至是伪造）。
14.对于至少某一大小的对象，超声是以足够的细节询问对象表面下方微观结构的理想方式。这导致使用超声作为理想的询问方法。然而，传统声波图技术并不理想，因为探头与表面的物理接触可能会受到检查的限制，并有损坏对象的风险。此外，传统声波图技术导致难以激发表面、尤其是复杂表面上的精确位置。某些表面几何形状不利于传统声波图技术。另外，传统声波图技术在跨频谱创建同步宽带激发的能力方面有限。
15.已经发现，激光受激超声提供了超过传统标识技术性能的可靠性能。激光受激超声使用激光脉冲来生成对象的快速局部加热，这创建了热弹性冲击波，该冲击波沿着对象的表面以及通过对象的块体材料传播。热弹性体波（bulk wave）生成超声响应，该响应被对象表面下方材料的微观结构更改。冲击波是宽带的，跨一系列频率生成激发，从而使得能够以从深穿透低频激发到询问较小特征大小的高频激发的频谱对对象进行广泛询问。激光波束的功率、波长、光斑大小和脉冲持续时间被配置为在不烧蚀材料的情况下（即在不更改对象的表面的情况下）生成热弹性激发，从而提供非破坏性询问。此外，激光激发和检测的非接触性质确保不会由于探头与对象的表面的物理接触而造成损坏。此外，不一定需要接触探头就可以询问广泛范围的表面几何形状。
16.图1图示了用于分析对象的标识系统1的组件。激光源10（例如，纳秒脉冲光纤激光器、皮秒脉冲光纤激光器或飞秒脉冲光纤激光器）产生脉冲激光（激发）束12。脉冲激光波束12指向对象16的表面14，其中脉冲激光波束12撞击对象16并与之相互作用，以创建热弹性体波18，其穿过对象的材料的微观结构16a并与之相互作用。那些相互作用生成超声反射波20，所述超声反射波20返回到对象16的表面14。虽然图1示出了来自单个微观结构边界16a的单个超声反射波20，但应当理解，创建了来自对象的材料内不同深度和位置的许多这样的反射并返回到对象的表面。这意味着在对象的表面14上任何点处的总体超声波形（在本文中被称为表面超声波22）的振幅是对象内到达对象的表面14上该点的所有超声反射波20的组合（总和）。
17.表面超声波22的振幅由检测器24在一个或多个离散位置处测量。检测器24优选是使用sagnac效应并由超发光二极管照亮的干涉仪。来自干涉仪的检测激光波束26指向对象16的表面14，并且从由于表面的运动而反弹（即通过反射和/或散射）的检测激光波束26的光28的频率的干涉提取表面超声波22的振动振幅和频率。具体地，可以使用环形干涉仪创建干涉图案，所述干涉图案比较光在围绕环的每个方向上行进的相对相位。作为众所周知
的科学仪器的用于对表面进行非接触振动测量的激光多普勒振动计（ldv）也可以用作检测器24。将来自ldv的检测激光波束26指向对象16的表面14，并且从由于表面的运动而反弹（即通过反射和/或散射）的检测激光波束26的光28的频率的多普勒频移提取振动振幅和频率。具体地，振动计一般是双波束激光干涉仪，其测量内部参考波束和从对象的表面14反弹的光28之间的频率（或相位）差。ldv中最常见的激光器类型是氦氖激光器，尽管也使用激光二极管、光纤激光器和nd:yag激光器。检测激光波束26指向对象表面14，并且来自对象表面14的反弹光28被检测器24收集，并与光电检测器（通常是光电二极管）上的参考波束相干涉。光电检测器的输出是标准频率调制（fm）信号，其中布拉格单元频率作为载波频率，以及多普勒频移作为调制频率。可以对该信号进行解调，以导出振动目标的速度与时间的关系。检测器的输出是检测信号30，其一般是连续模拟电压信号，该信号与沿着检测激光波束26方向的表面超声波22的速度分量成比例。虽然图1示出了单个激光源10和单个检测器24，但是一个或多个激光源10可以与一个或多个检测器24同时使用。一个或多个激光源10相对于表面14的位置可以是静止或移动的，与一个或多个检测器24相对于表面14的位置可以是静止或移动的相组合，其中测量是在表面14上的一个或多个离散位置处进行的。
18.将检测信号30提供给信号处理器32，信号处理器32将检测信号30数字化和/或以其它方式处理成适用于数字处理和存储的数字数据，由此数字数据然后优选地作为询问数据36（用于后续询问对象16以确定其真实性）或作为参考数据38（用于初始询问对象16）存储在数据库34中。然后启用认证或伪造检测，因为相同的对象将具有远离表面14的相同的内部微观结构，因此如上面所描述的那样使用超声的询问将在检测信号方面产生大体上类似的响应。这种响应在表面超声波22的空间变化中看到，如检测信号30中所反映的。其它非微观结构属性，诸如中尺度裂纹、空隙、孔隙度、成分变化和夹杂物，也可以有助于任何给定对象16的检测信号30的独特性。热弹性波对晶粒结构和边界的超声响应对于确定对象16是否与最初产生参考数据38的对象相同尤其重要。
19.数据库34中的参考数据38可以从在比后续询问更早时间执行的任何询问生成。这一较早的时间可以是先前的询问，或者当已经执行了多于两次的询问时，可以使用任何较早的询问或较早询问的组合。图2概念性地示出了在左侧的初始化询问，其中参考数据38被创建和存储，以及在右侧的后续认证询问，其中询问数据36被创建并与参考数据38相比较以确定认证。如所示出的，用于创建参考数据的标识系统1不需要已经存储任何询问数据36。用于创建参考数据38的认证系统1可以与用于创建询问数据36的认证系统1在物理上相同或在物理上不同。如果它们是物理上不同的系统，那么可以将一个数据库34的参考数据38传送到执行后续询问的另一个系统的数据库34。替代地，单个数据库34可以与用于收集参考和询问数据38/36的不同激光源10、检测器24和处理器32物理分离。
20.然后，如果询问数据36和参考数据38之间的（一个或多个）差异低于一个或多个阈值，那么确定认证，由此，数据库34被配置为提供当（一个或多个）差异低于（一个或多个）阈值时确认认证的确定，以及当（一个或多个）差异高于（一个或多个）阈值时未确认认证的确定。具体地，对象16的相同性的确定可以使用阈值、取决于扫描参数的可变阈值、深度学习或机器学习解释、人类解释、统计相关方法或这些方法和其它类似分析技术的任何组合。可以图形地显示和比较询问和参考数据36/38。分析和/或比较方法的示例包括主成分分析、多元回归、分箱直方图、尺度不变特征变换、加速鲁棒特征技术、鲁棒独立基本特征、旋转鲁
棒独立基本特征、基于局部能量的形状直方图、梯度位置和取向直方图、结构相似性指数、定向梯度直方图、类haar特征、特征值分析、基于小波的分析、光谱分解和/或均方误差。这些示例是作为说明性呈现的，并不表示可以单独使用或组合使用的全面技术集合。
21.晶粒边界及其相应的位置通过它们与产生超声反射波20的热弹性体波18的相互作用直接或间接地使用，超声反射波20的总和被检测为表面超声波22，其用于生成询问和参考数据36/38。因此，虽然晶粒边界的确切位置、晶粒边界的取向、晶粒边界的形状、晶粒晶格的取向、晶粒结构的位置以及这些性质的任何组合都可能无法精确确定，但是它们确实提供了可重复的效果，如作为对象16的独特标记的询问和参考数据36/38中所反映的。关于晶粒结构的数据不需要完整以为认证或伪造检测提供足够的数据。
22.可以使用激光超声激光波束12和检测器波束26（或下面所描述的换能器46）的一发一收（pitch-catch）配置来确定晶粒边界和晶粒结构对超声波的影响。通过分析数据以仅选择对应于晶粒边界特征大小的频率，可以从表面波22提取仅与内部晶粒边界相关的检测信号30或询问/参考数据36/38的部分。可靠检测晶粒边界的范围是近似20mhz及更高。光谱分解和光谱包围（spectral bracketing）可以用于提取检测信号30或询问/参考数据36/38中与期望光谱范围相关联的部分。可以使用应用保持检测信号30或询问/参考数据36/38中与高于指定阈值（例如，20mhz）相关联的部分的滤波器（例如，高通滤波器）。当检测器24相对于固定激发源移动时，收集多个记录并对这些记录进行去卷积改进了晶粒边界信息的分辨率和/或可重复性。随着检测器24以相对于表面14的角度更改，收集多个记录（即收集以相对于表面14的两个或更多个离散角度从表面反弹的光28），并且对这些多角度记录进行去卷积也改进了晶粒边界信息的分辨率和/或可重复性。通过材料的波速度的快速改变指示晶粒边界。可以应用边缘检测、聚类和许多其它技术来标识速度的这些快速改变。
23.可以用单脉冲、多脉冲或以设定或可变频率连续施加脉冲来执行基于激光的超声询问。可以使用这些脉冲模式的任何排列。激光源10可以是q开关的、锁模的、脉冲泵浦的或使用创建脉冲输出的其它手段。激光波束12可以是单波长、宽带，或者具有选择的波长范围或范围集合。这些脉冲可以集中在特定点上，在一条线上扫描，在一个区域上扫描，或者在多个点、线或区域上扫描，其中这些位置彼此离散。可以使用这些位置的任何排列。对于认证和伪造检测，在数据库中记录和存储在对象上扫描的位置（例如，作为参考/询问数据38/36的一部分）为实现对象的相同区域的准确集成提供了有用信息。点的选择可以是完全随机、部分随机或确定性的。
24.声速与材料弹性和密度之间的关系可以用于从超声反射理解材料属性。此外，声衰减与声散射和吸收之间的关系可以用于从超声反射理解材料属性。表面超声波22波形特征的位置和时间可以用于确定沿着表面的位置和材料深度特征。这些波形可以沿着平行或垂直于对象表面的平面组合，有时称为b扫描和c扫描。（一个或多个）激发位置、（一个或多个）检测位置、（一个或多个）检测角度、声速、声衰减、材料属性和声行进时间中的一个或多个属性的组合可以用于解释微观结构的询问，材料属性和/或询问特性。
25.本发明的一个表现形式是使用质询-响应协议来进行认证确定。询问点、线或区域的集合，并将它们的响应记录为参考数据38。然后，在后续的询问上使用这些点、线或区域的子集来确定超声响应的相似性。被询问的子集可以包括点、线或区域中的仅一些或整个集合。点的选择可以是完全随机、部分随机或确定性的。此外，所调查的每个区域的子集可
以用作质询。从询问获得的数字数据在质询-响应认证协议中提供响应。该响应应该在一个或多个相似性阈值内，以便对经受后续询问的对象是真实的做出确定。
26.对象的表面经常经受环境老化、磨料磨损、灰尘和污垢收集、化学损伤和更改对象的表面的材料结构、成分或位置的许多其它因素。根据本发明，在表面下方进行询问使得能够访问不受表面更改因素影响的区域。从检测信号30排除来自初始询问或分析的实际表面14的一些或全部贡献，可以提供在不同时间点比较相同区域的询问的改进的能力。表面效应的深度基于材料、环境和对象属性而变化，但是经常在几个原子到1000微米的范围内。
27.使用非烧蚀性激光诱导超声进行询问可以与任何其它方法相组合，以提供增强的分辨率、附加信息或上下文信息。可以同时或在不同的时间点组合使用一种或多种其它方法。这些方法可以询问与非烧蚀性激光诱导超声相同的点、线或区域，或不同的点、线或区域，或它们的组合。这些附加方法在本质上可以是破坏性的或非破坏性的或它们的组合。这些方法包括与基于探头的超声的组合，包括潜在使用一个或多个相控阵换能器。烧蚀性激光超声可以与非烧蚀性激光超声、与以破坏性方式使用的烧蚀性激光超声或与被烧蚀的牺牲层相组合。可以与非烧蚀性激光诱导超声相组合的附加方法包括计算机断层摄影、x射线衍射计算机断层摄影、x射线照相术、x射线衍射照相术、太赫兹射线照相术、谐波测试、回波衰减、涡流检查、表面共振声光谱学、白光干涉法、立体视觉测距以及激光检测和测距。也可以使用破坏性方法，诸如包含元素的物理不可克隆功能的集成，包括光学、电气和电磁物理不可克隆功能。
28.可以在认证过程中的许多步骤处采用加密，包括从数据库34向任何设备传输数据、在设备内传输数据、在向数据库34传输数据中、在处理器32中和/或在用于比较来自数据库34的数据的任何其它处理器中的所有数据处理步骤中、以及上述步骤的任何排列中。可以直接比较或解密加密信息以实现比较。
29.参考数据和询问数据可以转换为捕获对象16的独特元素的数字签名。该数字签名可以被加密，并且可以并入附加信息，诸如询问对象的时间和位置。数字签名可以用于比较以检测伪造或认证对象。
30.数据库34中的数据可以连接到区块链块。它也可以记录在分布式分类账中。这使得对象数据能够连接到数字验证方法。为了确保询问数据36可以用于认证或伪造检测，可以以将其分配给对象16的方式将其记录在数据库34中，以便稍后使用该数据进行认证查询。
31.可以选择激光源10的波长以仅把对象中的某些材料作为目标。一个示例是选择主要被金属而非聚合物吸收的波长。在另一示例中，可以选择极好地被颜料吸收的波长。在另一示例中，可以选择最小程度地被颜料吸收的波长。可以在多于一个的波长处收集测量值，以补充参考/询问数据38/36的鲁棒性。
32.在询问期间记录超声响应的信噪比可以导出附加的益处。这可以用于确定询问质量或帮助确定用于认证的阈值。可以使用用于集中、放大或过滤声信号的各种方法来改进本发明的分辨率、速度或非破坏性。声透镜可以用于使超声发射集中。可以实现诸如带通滤波器、谐振器、惠斯通电桥和快速傅里叶变换模块之类的机械、电气和/或计算滤波器，以修改声信号和/或所产生的波形。静态和/或动态反射器可以用于引导、修改和/或放大声发射。
33.可以使用用于创建期望超声传播的各种方法来改进检测信号的质量。异形（profiled）激光波束12可以用于以期望的图案创建激发和/或波前，诸如具有期望振幅轮廓的点、环、线或区域。激光波束12在空间和/或时间上的相移可以用于提供具有期望形式的激发和/或波前。激光波束12的焦点可以在空间和/或时间上变化，以提供具有期望形式的激发和/或波前。关于衍射、微观结构、光扩散、声反射、声衰减或任何其它过程或材料属性的反馈可以用作确定激发波束成形和传输的因素。
34.本发明对于认证艺术品（诸如雕塑、绘画和素描）、珠宝和包含金属、粘土、陶瓷、环氧树脂、聚合物、木材、颜料、结合剂和/或其组合的任何对象是理想的。
35.图3图示了检测器24的替代实施例，其使用一个或多个换能器46优选地靠近或甚至接触表面14，以将表面超声波22转换成一个或多个电信号。如果使用多个换能器46，则换能器46可以相对于表面14以各种角度配置，以检测来自不同方向的超声反射。（一个或多个）换能器46可以是平面阵列、半球阵列、抛物线阵列、双曲线阵列、线、圆或任何其它期望的形状。
36.图4图示了检测器24的另一替代实施例，其使用光学检测（例如，基于ldv的散射光收集）和一个或多个换能器46两者来测量表面超声波22的不同方面并从其生成适当的检测信号30。
37.如上面所阐述的，一种选项是使用于认证的数据将来自对象16的表面14的贡献排除在外。源于表面的波可以被称为瑞利波，它们是表面波，而不是源于对象较深处的体波。排除这些表面波的贡献减少了参考/询问数据38/36的文件大小，并且可以增强询问之间的比较。光学或物理接触换能器阵列可以用于区分表面波和体波，从而使得能够过滤来自检测信号的表面波贡献。波的频率也可以用于使用机械、电气和/或计算滤波器过滤表面波。用以主要激发表面波的具有所选频率和/或功率的激发也可以用于区分表面波与体波。
38.图5图示了另一替代实施例，其中物理上远离检测器24的数据库50正在执行询问数据36和参考数据38之间的比较，以确定认证。具体地，数据库34可以经由网络52（例如，互联网、蜂窝网络等）连接到数据库50。数据库50存储如从数据库34接收的询问数据36和参考数据38。数据库50执行询问数据36和参考数据38之间的比较以确定认证。然后可以经由网络50将认证结果传送回到数据库34。虽然图5示出了存储在数据库34和数据库50两者中的询问数据36和参考数据38，但是询问系统1可以代替地被配置为将询问数据36和参考数据38发送到数据库50而不将其存储在数据库34中。
39.应当理解，本发明不限于上面描述的和本文中图示的（一个或多个）实施例，而是涵盖落入任何权利要求范围内的任何和所有变化。例如，本文中对本发明的引用并非意图限制任何权利要求或权利要求术语的范围，而是代替地仅参考可能由权利要求中的一个或多个覆盖的一个或多个特征。上面描述的材料、过程和数值示例仅是示例性的，并且不应被视为限制权利要求。例如，示出了单个检测信号30，但它可以是共同用于生成/存储询问或参考数据36/38的许多单独的信号。另外，在后续的询问期间，从检测信号生成的数字数据不需要存储在数据库34中，而是可以作为询问数据与参考数据直接进行比较，而询问数据从未被存储在数据库34中。最后，任何装置权利要求的前序部分意图提供先前的基础，而不意图以其它方式进行限制。
再多了解一些
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