基于主被動量子關聯(lián)成像的超分辨抗干擾探測系統(tǒng)研制

李 旺，楊照華，陳 香，余遠金，李明飛，吳令安

（1.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京100191；2.北京理工大學自動化學院，北京100081；3.北京航天控制儀器研究所，北京100039；4.中科院物理研究所，北京100190）

0 引言

量子關聯(lián)成像也稱為鬼成像（Ghost Imaging，GI）或強度關聯(lián)成像，基于信號源的光場漲落，通過提取具有關聯(lián)性質(zhì)的光場強度脈動信息，進行符合測量完成對物體的成像［1］。在關聯(lián)成像系統(tǒng)中，一般分為物光和參考光兩路，物光使用桶探測器完成強度信號的采集，參考光路則測量光場的時間、空間分布信息［2］；而傳統(tǒng)成像則大部分基于透鏡成像原理，建立物面與像面之間點對點一一對應的關系。2008年，Shapiro小組［3］提出了計算關聯(lián)成像方案。而后，Silberberg等［4］利用計算機控制的空間光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）產(chǎn)生的調(diào)制光場代替旋轉(zhuǎn)毛玻璃產(chǎn)生的熱光場，通過理論計算物面處的光強分布與桶探測器測得的光強值關聯(lián)恢復出物體的信息。2014年，中科院上海光學精密機械研究所［5］聯(lián)合中國科學技術大學等多家單位開展了強度關聯(lián)遙感成像技術研究（一期），建立了三套被動式強度關聯(lián)壓縮感知多光譜成像的野外原理驗證裝置。之后，他們研制出了單光子強度關聯(lián)光譜相機，開展了2km的野外成像，并采用互補測量的方法，優(yōu)化了壓縮感知算法，獲得了高質(zhì)量的圖像輸出［6］。盡管目前對于量子關聯(lián)成像系統(tǒng)有很多的實施方案和相關研究，但全天時的量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)未見相關報道。

主動量子關聯(lián)成像具有超分辨、抗干擾能力強的優(yōu)勢；而被動量子關聯(lián)成像則無需光源，靈敏度高、適應性好。由北京航空航天大學牽頭，提出主被動量子關聯(lián)成像探測方案，聯(lián)合北京航天控制儀器研究所和中科院物理研究所共同研制了主被動量子關聯(lián)成像探測原理樣機，實現(xiàn)了全天時成像。

1 主被動量子關聯(lián)成像原理

根據(jù)成像是否需要主動照明，可將量子關聯(lián)成像分為主動和被動兩種模式，兩種模式的成像原理如圖1所示。量子關聯(lián)成像中的光強漲落可通過數(shù)字微鏡器件（Digital Micro-mirror Device，DMD）預先加載調(diào)制矩陣的方式進行調(diào)控，光路簡單，便于工程化應用。

圖1 主被動量子關聯(lián)成像原理圖Fig.1 Schematic diagram of active and passive quantum correlation imaging

圖1（a）中，激光器出射光經(jīng)準直擴束后完整覆蓋DMD鏡面，將調(diào)制矩陣Ii（x，y）預先加載至DMD，透鏡L1用于將完整的散斑圖案投影到物體上，使用桶探測器測量對應散斑場的強度信號Si。圖1（b）中，物體經(jīng)由成像透鏡L1投影至DMD鏡面，調(diào)制后光強經(jīng)收集透鏡L2被桶探測器接收。

通過對散斑場Ii（x，y）和與之對應的強度信號Si進行二階關聯(lián)運算，可以恢復目標圖像G（x，y）， 可表示為

2 主被動量子關聯(lián)成像探測方案

基于量子關聯(lián)成像原理，利用被動量子關聯(lián)成像的遠距離、大視場、超靈敏優(yōu)勢，結(jié)合主動量子關聯(lián)成像的抗干擾、超分辨特點，設計了主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案如圖2所示，主要包括主動光學系統(tǒng)、被動光學系統(tǒng)、電子學系統(tǒng)。主動光學系統(tǒng)采用近紅外波段作為出射光源，分為發(fā)射和接收兩路；被動光學系統(tǒng)采用可見光波段，前方望遠光學系統(tǒng)可根據(jù)成像目標進行調(diào)整；電子學系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集單元、并行成像單元、時間同步觸發(fā)以及供電單元各子模塊。主被動系統(tǒng)分時復用，發(fā)揮各自優(yōu)勢，以達到全天時成像。

圖2 主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)總體方案設計Fig.2 Overall scheme design of the active and passive quantum correlation imaging detection system

在被動量子關聯(lián)成像系統(tǒng)中，大視場望遠光學鏡頭的孔徑為280mm，DMD選用VIALUX公司的V-9501，設計可調(diào)二次成像鏡頭用以將自然場景成像到DMD鏡面，利用單光子探測器進行光強信號測量，靈敏度高且響應速度快。值得注意的是，望遠鏡頭可根據(jù)實際成像需求進行單獨設計用以收集足夠光強。主動量子關聯(lián)成像系統(tǒng)采用近紅外光源，穿透力強，可以更好地抵抗大氣湍流和散射介質(zhì)干擾，DMD型號為V-7001，小視場望遠光學鏡頭的孔徑為170mm，焦距為4950mm＠1km，探測鏡頭的孔徑為50mm，焦距為200mm。折反式光路結(jié)構(gòu)提高了空間利用率，近紅外增透膜盡可能減少了光能損失，選用Thorlabs公司的近紅外探測器PDA20CS2測量光強漲落，增益可調(diào)，靈敏度高。

3 主被動量子關聯(lián)成像系統(tǒng)實驗

主被動量子關聯(lián)成像系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)設計，如圖3所示，右側(cè)為主動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)，左側(cè)為被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)。在各光學器件和探測器件之間均設置微調(diào)機構(gòu)及鎖緊機構(gòu)，方便對光學系統(tǒng)進行調(diào)整，監(jiān)視相機用以DMD鏡面物像對準。

圖3 主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)Fig.3 Photograph of the active and passive quantum correlation imaging detection system

3.1 超分辨成像

成像分辨率是評價成像系統(tǒng)的重要指標，傳統(tǒng)成像方式下空間分辨率受光學衍射極限限制，根據(jù)Rayleigh判據(jù)［7］，傳統(tǒng)相機空間分辨率表達式為

式（2）中，λ為波長，D為入瞳直徑，z為成像距離。

量子關聯(lián)成像由于符合測量的特點，其空間分辨率取決于選用測量矩陣基和光學系統(tǒng)二者，可發(fā)揮超分辨的優(yōu)勢。在量子關聯(lián)成像中，物面處的散斑大小可由下式確定

式（3）中，Si為單個散斑的面積，S總為物面處的散斑光場總面積，N為散斑個數(shù)，Li為量子關聯(lián)成像的空間分辨率。在量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)中，成像分辨率取決于二者的較大值。

實驗選用波長為1064nm的近紅外激光光源，半徑為15cm的高反光圓形標識物作為目標，中間低反光十字長條寬度為3cm，成像距離為100m。進行多次分辨率測試，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 超分辨量子關聯(lián)成像實驗結(jié)果Fig.4 Experiment results of super-resolution quantum correlation imaging

實驗結(jié)果表明，主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)可以很好地分辨出寬度為3cm的低反光十字長條，對應重構(gòu)圖像中的像素數(shù)目為36。由于進行雙線性插值，實際對應重構(gòu)圖像的18個像素。因此，100m成像距離下的空間分辨率為1.7mm，探測鏡頭的口徑為50mm，衍射極限分辨率為5.2mm，主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)實現(xiàn)了超分辨。

3.2 抗大氣湍流成像

量子關聯(lián)成像通過符合測量的方式將探測所得物體的光強漲落信號以及參考信息進行關聯(lián)運算重構(gòu)目標物體圖像，強調(diào)獲取漲落的物體光強信號，這種探測方式可以有效減少大氣湍流在光信號傳輸過程中帶來的消光、散射等影響，因此能夠抵抗一定程度的大氣湍流干擾，其具體條件為：1）量子關聯(lián)成像的散斑光場橫向相干尺寸lc需小于大氣湍流平均相干尺寸ρ；2）量子關聯(lián)成像方案中的參考光場傳輸路徑和通過物體的光場傳輸路徑需經(jīng)歷相同概率密度分布的大氣湍流擾動?；诖耍M行主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)的外場環(huán)境大氣抗干擾測試，目標選取17km外的中央電視塔。其中，塔尖區(qū)域長度為0.841m，紅白相間，特征明顯，方便成像結(jié)果比對。對其進行多幀數(shù)據(jù)采集，成像結(jié)果如圖5所示［8］。

圖5 抗大氣湍流實驗結(jié)果Fig.5 Experiment results under atmospheric turbulence

圖5（a）為傳統(tǒng)CCD相機的成像結(jié)果，塔尖部分的明暗對比度差。相較于此，圖5（b）的圖像質(zhì)量得到明顯提升，光強分布均勻，圖像灰度較為平滑，對比度顯著提高。由此可見，主被動量子關聯(lián)成像系統(tǒng)的抗干擾性能良好。

3.3 日間遠距離成像

為驗證全天時主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)的性能，進行日間遠距離實驗，成像目標選為距實驗地點34km的望京SOHO大廈T3樓，字母“S”可作為圖像分辨率量化依據(jù)。該字體高度為4.4m，可近似看作三線靶標的 “三”。為進一步量化分辨率指標，對每8幀探測數(shù)據(jù)進行累加求平均，多次累加后圖像信噪比有明顯提升，其成像結(jié)果如圖 6（a）所示［9］。 圖 6（b）為圖 6（a）中紅線位置處的灰度分布，其中的藍色圓圈內(nèi)為字母 “S”所處位置的灰度值，在重構(gòu)圖像中占有11個像素。由于采用雙線性插值，因此單個像素對應空間尺寸為0.8m。

圖6 遠距離重構(gòu)結(jié)果Fig.6 Results of long-distance reconstruction

3.4 日間近距離成像

為驗證不同距離條件下主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)的性能，進行日間近距離成像實驗。以北京航空航天大學世寧大廈作為成像目標，大廈墻面縫隙實測為19.5mm。作為成像標志物，距離主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)688m，成像結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為單幀成像結(jié)果，受噪聲影響光強分布不均勻，但足以對大廈墻縫進行明顯分辨。圖7（b）為圖 7（a）中紅線位置處的灰度分布， 其中的兩個藍色圓圈分別為兩處墻縫位置的灰度值。

圖7 近距離關聯(lián)成像Fig.7 Diagram of close-range correlation image

在近距離重構(gòu)圖像中，大廈墻面縫隙占據(jù)2個像素尺寸。因此，單個像素對應空間的實際尺寸為10mm。主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)在688m處可以分辨10mm量級目標物體，通過光學鏡組的調(diào)整可以輕松實現(xiàn)不同距離的目標成像。

3.5 低于能見度500m條件下成像

在氣象學中，能見度用氣象光學視程表示。氣象光學視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量，在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。而若以人眼為檢測標準，則能見度是指視力正常的人能將目標物從背景中識別出來的最大距離，即夜間能清楚看見目標燈的發(fā)光點。

夜間光照強度極弱，傳統(tǒng)探測器無法接收物體有效信息，導致成像困難。量子關聯(lián)成像的優(yōu)勢體現(xiàn)在極弱光背景下可以有效探測光強漲落，進而為目標圖像重構(gòu)提供有效信息。為此，在冬季夜間低光照強度下進行主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)能見度實驗測試，選取世寧大廈內(nèi)白熾燈燈管（光源強度為2700 K）作為成像目標，距離為688m，此時人眼無法分辨白熾燈燈管。應用主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)，目標重構(gòu)圖像輪廓清晰。如圖8所示，驗證了主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)的低能見度成像探測能力。

圖8 低能見度重構(gòu)圖像Fig.8 Reconstructed image under low visibility conditions

4 結(jié)論

量子關聯(lián)成像發(fā)展近30年以來，由于其具有高靈敏、超分辨、抗干擾等特點，已成為國內(nèi)外的研究熱點。其僅需單個無空間分辨能力的點探測器便可實現(xiàn)高靈敏的空間二維／三維成像的優(yōu)勢，為某些不可見波段的大面陣探測器受制于國外封鎖提供了一條有效解決途徑，自主可控。本文提出了基于空間光場調(diào)制的主被動量子關聯(lián)成像方案，首次研制出了超分辨抗干擾的主被動量子關聯(lián)成像原理樣機，空間分辨率在34km遠處可達0.8m，較傳統(tǒng)相機超相同孔徑分辨率近3倍。在大氣湍流和能見度較低情況下具有良好成像性能，驗證了主被動量子關聯(lián)成像原理樣機的全天時抗干擾成像能力。應用于復雜環(huán)境和外場不同光照條件下的主被動量子關聯(lián)成像探測系統(tǒng)，對于對地觀測、資源勘探以及目標追蹤等具有極大的應用價值。