量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)發(fā)展

1、2017-11-27 12:59:56 航空兵器 2017 年 5 期趙炎u(yù)+李高亮+楊照華趙炎ij,北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，長期從事導(dǎo)航與制導(dǎo) 專業(yè)的教學(xué)與科研工作。研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與成像制導(dǎo)、慣性技術(shù)及組合導(dǎo)航。主持完成973 子課題、863子課題、國家自然科學(xué)基金、國防裝備預(yù)研基金等項(xiàng)日20余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文160 余篇，先后獲部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)。摘要：介紹了量子關(guān)聯(lián)成像的概念和發(fā)展歷史，重點(diǎn)論述了量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)三個(gè)重要發(fā)展 階段：量子糾纏成像理論、熱光關(guān)聯(lián)成像理論、計(jì)算關(guān)聯(lián)成像理論。闡述了關(guān)聯(lián)成像的優(yōu)勢，分 析了量子關(guān)聯(lián)成像方法國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，討論

2、了量子關(guān)聯(lián)成像存在的問題以及未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：量子關(guān)聯(lián)成像；鬼成像；非定域；壓縮感知中圖分類號(hào)：tj760.1；0431.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1673-5048 (2017) 05-0003-080引言量子關(guān)聯(lián)成像，乂稱為鬼成像或符合成像，是近三十年來量子光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)自 20世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)以來1-5,因其具有高分辨率、非局域性、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)引起了極大 的關(guān)注，在生命科學(xué)、信息技術(shù)和國防裝備研制領(lǐng)域有看潛在的應(yīng)用前景。人類獲取的信息，90%源于視覺，即物體本身發(fā)出的或反射的光在眼球中視網(wǎng)膜上的成像。圖 像使人們對(duì)事物的認(rèn)知理解更加直觀，對(duì)人類的重要性不言而喻，隨著信息科

3、技的發(fā)展，能將光 場信息進(jìn)行記錄的產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)等，已經(jīng)成為人們不可或缺的生產(chǎn)工具。就成像原理來說，傳 統(tǒng)或經(jīng)典光學(xué)成像人部分是基于透鏡成像原理。透鏡成像的特點(diǎn)是能夠在像平面與物平面上的光場 中建立點(diǎn)與點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過介質(zhì)對(duì)光場信息進(jìn)行記錄。光場空間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立, 除了通過透鏡或透鏡組之外，還可以由小孔或相干全息術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為量子光學(xué)的-個(gè)重要分支，量 子關(guān)聯(lián)成像是一種與經(jīng)典成像截然不同的新型成像方式，其最大特點(diǎn)是物像分離。不同于傳統(tǒng)成像 對(duì)于信號(hào)強(qiáng)度的克接記錄，關(guān)聯(lián)成像是通過模擬、控制輻射場的量子漲落、強(qiáng)度、相位等信息， 提取具有關(guān)聯(lián)性質(zhì)的強(qiáng)度信息，完成對(duì)物體的非局域成像。正是

4、由于具備這種有別于常規(guī)思維的成 像特點(diǎn)，關(guān)聯(lián)成像也被稱為“鬼成像”。關(guān)聯(lián)成像的成像裝置布局與傳統(tǒng)的光學(xué)探測成像有所不同，其成像結(jié)果是通過關(guān)聯(lián)計(jì)算桶(點(diǎn)) 探測器和陣列探測器的強(qiáng)度信息而得到的。其中桶探測器收集光路經(jīng)過被探測物體透射或反射作用 后的總光強(qiáng)信息，即信號(hào)光路的信息；陣列探測器所在的光路屮不含待測物體，收集的只是自由 傳播一段距離后的光場信息，即參考光路的收稿日期：2017-07-22作者簡介：趙刻(1956)，男，山西臨汾人，教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)、圖 像處理與成像制導(dǎo)技術(shù)。引用格式：趙刻，李高亮，楊照華.量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)發(fā)展j.航空兵器，2017 ( 5):3-10.z

5、hao 丫an, li gaoliang, yang zhaohua. development of quantum correlation imaging technology j. aero weaponry, 2017 （ 5） :3-10. （ in chinese ）信息。關(guān)聯(lián)成像的奇特之處在于，單獨(dú)的桶探測器測量或陣列探測器測量都不能獲得物體信息，但通過關(guān)聯(lián)兩探測器測量的 強(qiáng)度信息卻能夠恢復(fù)物體的信息，并且得到的物體圖像分辨率可以突破衍射極限。關(guān)聯(lián)成像不僅能 重現(xiàn)物體信息，也可以通過關(guān)聯(lián)成像方案實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)干涉和關(guān)聯(lián)衍射等奇特現(xiàn)象。作為一種新型成像 技術(shù)，關(guān)聯(lián)成像的原理及可能的應(yīng)用得到

6、了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)光學(xué)成像相比，關(guān)聯(lián)成像具有三 個(gè)主耍特點(diǎn)：（1）具有非定域性，可以在不包含物體的光路上成像；（2）成像空間分辨率高，可 以突破衍射極限；（3）-定條件下，可以消除大氣湍流和散射介質(zhì)對(duì)成像的影響。所以，量子 關(guān)聯(lián)成像在遙感、醫(yī)學(xué)、顯微成像，以及彈載、星載成像探測等方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。1量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)發(fā)展歷程量子關(guān)聯(lián)成像從誕生發(fā)展至今，己經(jīng)有了近三十年的發(fā)展歷史，大致可以分為三個(gè)發(fā)展階段: 第一階段（1994年至2001年），量子糾纏成像理論及其實(shí)驗(yàn)研究，主要注重于基木物理理論解釋; 第二階段（2002年至2008年），熱光關(guān)聯(lián)成像理論及其實(shí)驗(yàn)研究，逐步開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究；

7、第 三階段（2008年以后），計(jì)算關(guān)聯(lián)成像及其實(shí)驗(yàn)研究，己經(jīng)開始進(jìn)行實(shí)用性探索研究。量子關(guān)聯(lián) 成像的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)是關(guān)聯(lián)測量原理，乂叫符合測量原理，其報(bào)初的想法來自著名的hbt實(shí)驗(yàn)。 hbt實(shí)驗(yàn)引入了光場的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)理論和符合測量方法，是量子光學(xué)發(fā)展歷史中的奠基性實(shí)驗(yàn)。（1）hbt實(shí)驗(yàn)如何測量恒星的角直徑一直是天文學(xué)家亟待解決的難題，因?yàn)樵诘厍蛏嫌^察到的恒星角直徑都 非常小，人們用望遠(yuǎn)鏡無法直接觀測。直到1956年，英國曼徹斯特大學(xué)研究人員hanburybrown 和twiss提出了使用強(qiáng)度干涉儀1,對(duì)到兩個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡焦面上的光強(qiáng)測量值進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，再從 關(guān)聯(lián)運(yùn)算結(jié)果中獲取恒星的角直徑，這就

8、是著名的hbt實(shí)驗(yàn)2。強(qiáng)度干涉儀抽象原理如圖1所示。在hanburybrown和twiss使用強(qiáng)度干涉儀測量恒星的角直徑之前，人們常用的測暈恒星角直 徑的方法是使用邁克爾遜恒星干涉儀，也就是傳統(tǒng)的干涉測量，利用光場的一階相干性，即光場 的相位相干來測量恒星的角直徑。而hanburybrown和twiss使用的強(qiáng)度干涉儀是利用光場的二階 相干性，即光場強(qiáng)度相干來測量恒星的角直徑，從基本原理上來說兩者是完全不同的。endprint圖1強(qiáng)度干涉儀原理fig.1 principle of intensity interferometer與邁克爾遜恒星干涉儀相比，hbt強(qiáng)度干涉儀有以下的優(yōu)點(diǎn)：hbt強(qiáng)度

9、干涉儀探測的是強(qiáng)度 的關(guān)聯(lián)，光程差對(duì)測量結(jié)果影響很小，因此hbt強(qiáng)度干涉儀不易受到空氣中大氣擾動(dòng)的影響3。更 重要的是hbt實(shí)驗(yàn)提供了一種新的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量方法，為以后量子關(guān)聯(lián)成像的發(fā)展做出了不可磨滅 的貢獻(xiàn)。（2）量子糾纏成像航空兵器2017年第5期趙刻，等：量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)發(fā)展hbt實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)提供了-種新的 強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量方法，這種強(qiáng)度關(guān)聯(lián)測量方法己經(jīng)拓展到非常廣泛的研究領(lǐng)域，許多科學(xué)領(lǐng)域屮都能 發(fā)現(xiàn)這種二階關(guān)聯(lián)方法的應(yīng)用實(shí)例。由于近幾十年來激光產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，使科研人員在實(shí)驗(yàn)室屮 研究光的量子特性逐漸成為可能，量子糾纏便是科研人員研究的熱點(diǎn)之一。量子糾纏是指：兩個(gè) 糾纏雙光子對(duì)的變化始終保持

10、著特有的關(guān)聯(lián)性。最早的量了關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)便是使用量子糾纏光源完 成的。1988年，前蘇聯(lián)klyshko等人首次在理論上提出了利用糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)雙光子關(guān)聯(lián)成像的方 案4。1994年，巴西ribeiro等人利用100 mw的氫離子激光泵浦lil03晶體產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，通 過符合測量完成了非相干光的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)5。同年，美國馬里蘭大學(xué)shih等人也通過激光 泵浦非線性bbo晶體進(jìn)行參量下轉(zhuǎn)換獲得了糾纏光源，完成了基于雙光子糾纏源的量子成像和量子 干涉實(shí)驗(yàn)6-7 o量子關(guān)聯(lián)成像是一種間接的圖像重構(gòu)成像方式，體現(xiàn)了成像的非定域性。隨后strekalov等人又利用糾纏光源實(shí)現(xiàn)了量子干涉和量子衍射實(shí)驗(yàn)8”

11、1999年，巴西fonseca等人利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏雙光子，首次在量子成像架構(gòu)下觀察到了雙縫的亞波 長干涉效應(yīng)9。亞波長干涉效應(yīng)指的是通過符合測量得到的干涉條紋間距變成了傳統(tǒng)干涉條紋間距 的一半，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了超分辨探測，這也是量子關(guān)聯(lián)成像可以實(shí)現(xiàn)超分辨成像的重要依據(jù)之一。2000年，英國boto等人提出了多光子量子糾纏成像方案，理論上可以提高量子關(guān)聯(lián)成像的 分辨率口0°同年，美國abouraddy等人首次實(shí)現(xiàn)了純相位物體的量子糾纏成像x,也間接證明 了量子糾纏成像技術(shù)可以應(yīng)用于復(fù)雜物體。隨著基于糾纏光源的量了關(guān)聯(lián)成像研究趨于成熟，近些 年相關(guān)工作主要集屮在多光子糾纏源量子成

12、像理論計(jì)算口2和糾纏光源量子成像分辨率分析13籌。盡管量子糾纏成像已經(jīng)被證明具有非定域性和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于量子糾纏光源制備 裝置復(fù)雜，制備的光源強(qiáng)度較弱，制備時(shí)間較長，還難以投入實(shí)際的應(yīng)用，所以科研人員在想能 否找到其他的光源來替代量子糾纏，光源實(shí)現(xiàn)量子關(guān)聯(lián)成像。(3) 熱光關(guān)聯(lián)成像量子關(guān)聯(lián)成像早期的實(shí)驗(yàn)都是利用量子糾纏光源實(shí)現(xiàn)的，那么科研人員很自然的考慮到：生 活中的普通熱光源能否實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像？為此人們進(jìn)行了激烈的爭論，許多研究人員都認(rèn)為量子糾纏 特性是實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像的必耍條件。直到2002年，美國羅切斯特大學(xué)bennink等人模擬產(chǎn)生隨機(jī)非 相干的模擬糾纏光，以量子糾纏成像的實(shí)驗(yàn)方

13、案，實(shí)現(xiàn)了基于模擬糾纏光的關(guān)聯(lián)成像14。隨后的 熱光源一般都是使用激光器照射旋轉(zhuǎn)的毛玻璃產(chǎn)生，這里稱之為贋熱光源。2004年，上海光機(jī)所cheng jing等人研究了非相干光的無透鏡關(guān)聯(lián)成像原理15,無透鏡 成像特性使得關(guān)聯(lián)成像技術(shù)可以用于太赫茲或x射線成像等對(duì)成像透鏡要求較高的成像系統(tǒng)。2005 年，中科院物理所zhang da等人使用空心陰極燈作為真實(shí)熱光源完成了基丁真熱光源的關(guān)聯(lián)成像 實(shí)驗(yàn)16-17,證實(shí)了使用生活中的真實(shí)光源也可以實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像。同年，北京師范大學(xué)xiong jun 等人在實(shí)驗(yàn)中觀察到了經(jīng)典熱光源的亞波長干涉現(xiàn)象18,證明經(jīng)典光源也可以實(shí)現(xiàn)亞波長十涉，也 町以做到超分辨。

14、2007年，zhang minghui等人實(shí)現(xiàn)了基于除熱光源的純相位物體無透鏡傅里葉 變換關(guān)聯(lián)成像，即強(qiáng)度關(guān)聯(lián)t涉19。2013年，liu xuefeng等人首次實(shí)現(xiàn)了基于太陽光源的關(guān) 聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)20 o太陽光作為日常生活屮最常見的光源，研究基丁太陽光的關(guān)聯(lián)成像具有非常重耍 的意義。盡管實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比度較低，但還是以太陽光作為光源實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)成像，大大提高了關(guān) 聯(lián)成像的實(shí)用價(jià)值?；诮?jīng)典熱光源的關(guān)聯(lián)成像在實(shí)驗(yàn)上己經(jīng)得到實(shí)現(xiàn)，證實(shí)了關(guān)聯(lián)成像并不是量子理論所獨(dú)有的 性質(zhì)，經(jīng)典的光學(xué)理論也可以解釋關(guān)聯(lián)成像。（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)成像使用經(jīng)典熱光源進(jìn)行關(guān)聯(lián)成像，克服了糾纏光源制備困難的缺點(diǎn)，為關(guān)聯(lián)成像向著實(shí)際應(yīng)

15、用 的方向發(fā)展礎(chǔ)定了基礎(chǔ)。但由于關(guān)聯(lián)成像仍需要兩路光路的測量結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)測量，光路較為復(fù)雜, 直到計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的提出才有效解決了這一問題。2008年，美國麻省理工學(xué)院shapiro首次提出計(jì)算關(guān)聯(lián)成像理論，指岀了關(guān)聯(lián)成像中參考臂 信息實(shí)際上可以通過對(duì)光場的計(jì)算得出，因此并不一定盂要參考光和參考探測器21,該理論簡化 了關(guān)聯(lián)成像光路，推動(dòng)了關(guān)聯(lián)成像的實(shí)用性進(jìn)步。2009年，以色列bromberg等人在實(shí)驗(yàn)屮用空 間光調(diào)制器（spatial light modulator, slm）證明了計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的可行性，并指出在一定條件 下該方法可以用來恢復(fù)相位物體的信息22 o計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的本質(zhì)是使用計(jì)算

16、機(jī)控制的空間光調(diào)制器來產(chǎn)生隨機(jī)熱光場。ft!于空間光調(diào)制器 的相位調(diào)制方法是人為控制的，即加載到空間光調(diào)制器中的數(shù)據(jù)是己知的，那么實(shí)驗(yàn)中參考臂的測 量值是可以理論計(jì)算出來的，在傳統(tǒng)丿費(fèi)熱光場關(guān)聯(lián)成像中放置的點(diǎn)探測器在實(shí)驗(yàn)屮可以略去，即只 需要使用一個(gè)無空間分辨能力的桶探測器收集物體的總光強(qiáng)信號(hào)，將桶探測器的總光強(qiáng)信號(hào)和加載 到空間光調(diào)制器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，就可完成最終的成像。endprint2013年，hardy等人在理論上提出了基于計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的三維關(guān)聯(lián)成像23。隨后，英國格 拉斯哥大學(xué)sun等人用不同位置上的三個(gè)光電探測器實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的三維關(guān)聯(lián)成像24-25o計(jì)算關(guān) 聯(lián)成像的提出相對(duì)于

17、傳統(tǒng)的使用分束器的雙光臂熱光關(guān)聯(lián)成像，實(shí)驗(yàn)光路更為簡單，其實(shí)用性越來 越凸顯，進(jìn)-步推動(dòng)了關(guān)聯(lián)成像的實(shí)用性進(jìn)步?？v觀量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，屋子關(guān)聯(lián)成像的研究經(jīng)歷了從糾纏光關(guān)聯(lián)成像、（膜）熱光關(guān)聯(lián)成像到計(jì)算關(guān)聯(lián)成像。其中，量子糾纏光關(guān)聯(lián)成像和熱光關(guān)聯(lián)成像的成像光路相同, 但是量子糾纏光關(guān)聯(lián)成像需要糾纏雙光子。量子糾纏關(guān)聯(lián)成像中糾纏雙光子的制備困難，因其靈敏 度高，極易受到外界雜散光的干擾，從而導(dǎo)致關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量的下降；（贋）熱光關(guān)聯(lián)成像的光源 容易獲得，光源的大小和距離決定著光場的橫向相干面積。高分辨率的熱光關(guān)聯(lián)成像是通過減小光 場的橫向相干面積來實(shí)現(xiàn)的，這樣必然造成圖像的信噪比降低

18、；而計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的特點(diǎn)是光源可由 空間光調(diào)制器或數(shù)字微鏡陣列（digital micromirror devicedmd）調(diào)制產(chǎn)生強(qiáng)度漲落光場，人為 可以設(shè)置光源光場的調(diào)制方式。由于調(diào)制方式己知，則無需探測器測量調(diào)制的分布情況，所以計(jì) 算關(guān)聯(lián)成像光路相比熱光的簡單。但是空間光調(diào)制器投射到物體上的光場會(huì)發(fā)生變換，不能完全模 擬參考臂的光場，會(huì)給關(guān)聯(lián)成像帶來大量噪聲。因此，研究高性能的量子關(guān)聯(lián)成像方法顯得尤為 重要。2量子關(guān)聯(lián)成像方法研究現(xiàn)狀雖然量子關(guān)聯(lián)成像有著探測靈敏度高、分辨率高等獨(dú)特的優(yōu)勢和特點(diǎn)，但直在的問題也不容 忽視：首先，熱光關(guān)聯(lián)成像的圖像質(zhì)量差，體現(xiàn)在圖像信噪比低；其次，高分辨率的關(guān)

19、聯(lián)成像 需要大量的采樣數(shù)據(jù)及運(yùn)算。這些不足嚴(yán)重阻礙了關(guān)聯(lián)成像的實(shí)用化進(jìn)程，如何解決這些問題成為 關(guān)聯(lián)成像的研究重點(diǎn)。隨后，大量的工作都投入到如何提高量子關(guān)聯(lián)成像的成像質(zhì)量和量子關(guān)聯(lián)成 像速度等研究+26-27 o目前，量子關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)方案的研究己經(jīng)有了很多成果。2004年，浙江大學(xué)cai yangjian 等人研究了光源的橫向尺度和橫向相干長度對(duì)關(guān)聯(lián)成像可見度的影響，得岀了減小光源的大小、增 加光源的橫向相干長度可以提高成像可見度的結(jié)論28o 2008年，cao dezhong等人首次提出了 高階強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像理論，并對(duì)成像結(jié)果的對(duì)比度和分辨率進(jìn)行了分析29. 2009年，中科院物理 所chen

20、等人實(shí)現(xiàn)了基于膜熱光的高階強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)30,提岀可以通過提高關(guān)聯(lián)階數(shù)來提高關(guān) 聯(lián)成像對(duì)比度。2010年，chan等人提出了提高關(guān)聯(lián)成像的階數(shù)并減少背景噪聲的關(guān)聯(lián)成像優(yōu)化方 法31o意大利的osullivan等人從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了參考光路和信號(hào)光路兩臂長度不等對(duì)關(guān)聯(lián)成 像的影響，并得出如果參考光路和信號(hào)光路的長度不同會(huì)影響成像的對(duì)比度和分辨率的結(jié)論32. 20"年，北京航空航天大學(xué)曹彬利用非相干近紅外光源實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像33,完成了基于近紅 外光源的熱光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)。2013年，新聞報(bào)道了上海光機(jī)所韓申生等人搭建了國際上第一臺(tái)激 光三維強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像工程原理樣機(jī)。2015年，zh

21、ang dejian等人從理論匕分析了在信號(hào)光路和參 考光路上可以使用兩個(gè)波長不同的光來實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像的方案34o 2016年，北京航天控制儀器研究 所搭建了基于walsh-hadamard變換的單像素成像工程原理樣機(jī)，并fl在距離500-5 000 m之間 進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證35 o此外，為了提高關(guān)聯(lián)成像的成像質(zhì)量，研究人員對(duì)關(guān)聯(lián)算法也進(jìn)行了深入的研究。2010年, 意大利ferri等人提出了差分關(guān)聯(lián)成像方法，與傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像方法相比，可以有效地提高熱光二階 強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像的信噪比，降低圖像的背景噪聲，成像的信噪比依賴冃標(biāo)物體的透過率和對(duì)方差36。 2012年，英國格拉斯哥大學(xué)sun等人提出歸一化

22、關(guān)聯(lián)成像，該方法將透射率與其加權(quán)平均之差的 絕對(duì)值作為參考探測漲落的因子37,可以獲得與差分關(guān)聯(lián)成像相當(dāng)?shù)男阅?。中科院物理所wu lingan等人通過理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出一種關(guān)聯(lián)成像方案，稱z為對(duì)應(yīng)成 像38-40o這種方案將物臂桶探測器信號(hào)的系綜均值作為選擇條件，將高于和低于均值的桶探測信 號(hào)分成兩部分，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的參考臂的點(diǎn)探測器的信號(hào)也分為對(duì)應(yīng)的兩部分，僅利用物臂與參考臂 的部分信號(hào)，就能完整地恢復(fù)出原始物體的正像或負(fù)像，無需進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算，大大提高了成像速 度。這種成像方法的優(yōu)點(diǎn)是成像方法極其簡單，可以減少關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)的采樣數(shù)量，從而提高成 像效率，但是對(duì)應(yīng)成像的信噪比相對(duì)較低。隨后，y

23、u wenkai等人提出了基于pearson相關(guān)系數(shù) 的關(guān)聯(lián)成像，通過計(jì)算桶探測器值的強(qiáng)弱變化與參考幀某個(gè)像素上的明暗變化之間的皮爾遜相關(guān)系 數(shù)，以此估計(jì)到參考幀下一個(gè)像索，最終實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像。該理論不僅可以提高圖像質(zhì)量，同時(shí)還 在理論上提供了這兩種成像現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)學(xué)解釋41-42.北京航空航天大學(xué)sun mingjie等人在對(duì)應(yīng)成像的基礎(chǔ)上提出了一種正負(fù)對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)成像方法 43-44,該方法不僅將目標(biāo)物體探測值作為対應(yīng)選擇條件，同時(shí)引入?yún)⒖继綔y器值作為條件來選擇 參考測量矩陣，然后正像減去負(fù)像。與直接關(guān)聯(lián)成像相比，該方法可以將關(guān)聯(lián)的信噪比提高60%。 但是該方法仍然需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量。而li m

24、ingfei等人提出了時(shí)間對(duì)應(yīng)差分關(guān)聯(lián)成像方法45,該方法結(jié)合了一般對(duì)應(yīng)成像與差分 關(guān)聯(lián)成像的優(yōu)勢，并且通過系綜平均和相減的操作得到目標(biāo)物體的差分像，這樣就有效減少了關(guān)聯(lián) 成像所需的數(shù)隨后對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，乂提出雙閾值快速時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)成像46,采用兩個(gè) 光電探測器作為桶探測器，提前探測并計(jì)算光場的差分強(qiáng)度漲落系綜平均值，然后通過設(shè)置閾值采 樣滿足條件的參考光路光場分布。該成像方法具有一定魯棒性，同時(shí)在采樣矩陣及其數(shù)據(jù)計(jì)算量較 低的情況下，仍然能有較好的關(guān)聯(lián)成像效果。2016年，李明飛等人乂提出了基于walshhadamard 變換的單像素成像方案35, hadamard矩陣被當(dāng)作測量矩陣，利用

25、其平均值不變且具有正交歸一 化的特性來提高圖像信噪比。endprint另一方面，在信總處理領(lǐng)域，陶哲軒等人提岀了圧縮感知理論(compressive sensing, cs), 該理論能夠用低于奈奎斯特極限采樣的數(shù)據(jù)完成對(duì)物體的重構(gòu)47-48 o壓縮感知理論要求原始信號(hào) 是稀疏的，而強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像屮的參考光場是服從高斯分布的稀疏隨機(jī)矩陣，所以，強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像 的圖像重構(gòu)與壓縮感知的信息獲取方式在本質(zhì)上是相通的。由于能夠?qū)嚎s和采樣同時(shí)進(jìn)行，這也 是被稱為壓縮感知的原因。2009年，katz等人首先將壓縮感知理論引入熱光關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)，大 大減少了測量次數(shù)，提高了成像速度49。隨后，越來越多的研究人員

26、將壓縮感知技術(shù)應(yīng)用于關(guān)聯(lián) 成像49-54. 2012年，apmann等人將壓縮感知與關(guān)聯(lián)成像技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于雷達(dá)探測，使用該 技術(shù)能夠大大提高成像質(zhì)量54o 2014年，dai huidong等人提出基于擴(kuò)展的小波樹的口適應(yīng)壓縮 成像，較大地減少了成像時(shí)間，為降低壓縮感知解算時(shí)間提供了新的思路55-56. 2017年，xue changbin等人提出了一種互補(bǔ)壓縮成像與閾值策略相結(jié)合的提高關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量的方法57。通過設(shè) 世閾值降低探測器的采樣次數(shù)，最佳閾值的選取可以利用較少的采樣次數(shù)獲取較高質(zhì)量的圖像。這 種新方法為單像素相機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供了有效參考。綜上，無論是量子糾纏的關(guān)聯(lián)成像還是熱光的關(guān)

27、聯(lián)成像，成像結(jié)果的優(yōu)劣決定著關(guān)聯(lián)成像作 為一種新技術(shù)在未來是否能夠真正由學(xué)術(shù)研究水平走向工程應(yīng)用。通過大量文獻(xiàn)的梳理可見，量子 關(guān)聯(lián)成像方案改進(jìn)和高性能關(guān)聯(lián)成像方法研究是提高圖像質(zhì)量的有效途徑，其中，關(guān)聯(lián)成像方法是 影響成像結(jié)果的關(guān)鍵因索。與傳統(tǒng)的直接關(guān)聯(lián)成像方法相比，研究人員提出的差分關(guān)聯(lián)成像方法、 對(duì)應(yīng)成像、壓縮感知圖像重構(gòu)等新的成像方法將重構(gòu)圖像的性能提高了很多。其中，對(duì)應(yīng)成像更 是在保證圖像質(zhì)量的前提下減小了關(guān)聯(lián)成像計(jì)算的復(fù)雜度。但是量子關(guān)聯(lián)成像仍然存在大量背景噪 聲，成像時(shí)間受到限制，無法達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的水平。3量了關(guān)聯(lián)成像發(fā)展趨勢口前，隨著量子概念的逐漸深入，量子通訊、量子關(guān)聯(lián)成

28、像、量子計(jì)算、量子傳感器籌成 為當(dāng)今學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。其中，量子關(guān)聯(lián)成像作為量子科技的重要分支之一，己經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室研 究逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用，并且朝著高速高質(zhì)量的成像發(fā)展。隨著量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)不斷發(fā)展，人們 對(duì)其提出了更高的耍求，更加重視如何將其應(yīng)用在實(shí)際的系統(tǒng)中為人類服務(wù)，這也是今后量子關(guān)聯(lián) 成像技術(shù)發(fā)展的趨勢和探索研究的領(lǐng)域。但是，目前量子關(guān)聯(lián)成像的質(zhì)量和時(shí)間都無法滿足實(shí)際應(yīng) 用需求，仍然有一些關(guān)鍵問題亟待解決。主要有以下幾個(gè)方面：(1) 由于探測器的量子效率較低、探測環(huán)境周圍雜散光、光源大小、調(diào)制光場的變換等因 素，導(dǎo)致量子關(guān)聯(lián)成像所重構(gòu)圖像的質(zhì)量低，所以如何有效改進(jìn)量子關(guān)聯(lián)成像重構(gòu)方法、抑制

29、測 量噪聲、提高圖像的質(zhì)量是當(dāng)前量子關(guān)聯(lián)成像需要解決的關(guān)鍵問題。當(dāng)然，一些學(xué)者也提出了漲 落關(guān)聯(lián)成像、差分關(guān)聯(lián)成像、歸一化關(guān)聯(lián)成像、時(shí)間對(duì)應(yīng)的差分關(guān)聯(lián)成像等經(jīng)典的關(guān)聯(lián)成像方法, 也有學(xué)者利用控制光源漲落、提高關(guān)聯(lián)階數(shù)等方法提高量子關(guān)聯(lián)成像的質(zhì)量，為關(guān)聯(lián)成像的研究奠 定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。但是，現(xiàn)有的量子關(guān)聯(lián)成像方法重構(gòu)的圖像質(zhì)量仍然有限，存在大量背景 噪聲，且成像質(zhì)量依賴于桶探測器和參考探測器的釆樣次數(shù)。因此，未來可以從信息論的角度，分 析成像器件、傳播空間、成像算法等環(huán)節(jié)對(duì)量子關(guān)聯(lián)成像結(jié)果帶來的誤差，針對(duì)不同的誤差源分 別建立去除噪聲的模型來減小量子關(guān)聯(lián)成像的噪聲；同時(shí)，通過提出高信噪比的量子

30、關(guān)聯(lián)成像方法、 優(yōu)化現(xiàn)有的量子關(guān)聯(lián)成像方案等提高量子關(guān)聯(lián)成像的質(zhì)量。(2) 量子關(guān)聯(lián)成像一般采取主動(dòng)式光源方案。計(jì)算關(guān)聯(lián)成像主動(dòng)光源一般對(duì)應(yīng)著光場漲落的 調(diào)制。對(duì)于大矩陣的光場調(diào)制一直是限制計(jì)算關(guān)聯(lián)成像速度的關(guān)鍵問題。也可以說，光源強(qiáng)度漲 落的變換速度決定了計(jì)算關(guān)聯(lián)成像的速度。而熱光的關(guān)聯(lián)成像速度受陣列探測器限制。就戸前而言, 量子關(guān)聯(lián)成像速度最大的瓶頸是系統(tǒng)光路的優(yōu)化和算法的進(jìn)一步改進(jìn)，減少關(guān)聯(lián)成像所需的采樣次 數(shù)，提高強(qiáng)度漲落變換的快速性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電子工藝的發(fā)展，量子關(guān)聯(lián)成像光場的調(diào) 制和采樣速度有了一定提高；同時(shí)，快速的關(guān)聯(lián)成像算法和系統(tǒng)方案多種多樣，成像速度也在不 斷提高，目

31、前成像速度在秒的量級(jí)。但是，這樣的成像速度無法與多數(shù)傳統(tǒng)的面陣成像探測器相 比，更無法滿足成像探測的實(shí)際工程應(yīng)用。因此，研究快速的量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)是必然趨勢。未 來可以通過研究并行快速的數(shù)據(jù)采集、處理方法、高效的關(guān)聯(lián)成像方法、稀疏的調(diào)制矩陣等方式 來提高成像速度。4結(jié)論量子關(guān)聯(lián)成像發(fā)展二十多年以來，受到了越來越多的關(guān)注。由于關(guān)聯(lián)成像具有高靈敏、超分 辨、抗干擾等特點(diǎn)，且具有只需要一個(gè)沒有空間分辨能力的點(diǎn)探測器便可成像的優(yōu)勢，所以，其 在遙感、陜學(xué)、顯微成像，以及彈載、星載成像探測等方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。在國外，量 子關(guān)聯(lián)成像的研究比較早，尤其在三維、全彩色等量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)處于領(lǐng)先水平。在國

32、內(nèi)的量 子關(guān)聯(lián)成像領(lǐng)域，己經(jīng)研制了熱光關(guān)聯(lián)成像的原理樣機(jī)，技術(shù)成熟度不斷提高。隨著量子關(guān)聯(lián)成 像技術(shù)在成像質(zhì)量、實(shí)吋性與魯棒性等方面的不斷提高與發(fā)展，其必將成為未來成像探測領(lǐng)域中一 個(gè)重耍的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1 hanburybrown r, twiss r q. a test of a new type of stellar interferometer on siriusj.nature, 1956,178 (4541) :1046-1048.2 hanburybrow n r, twiss r q. correlati on betwee n photons in

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