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国防科技大学文理学院教授刘伟涛为您讲述——关联成像:“抓拍”看不到的物体

海内青年网 https://www.hainei8.cn 2022-02-03 14:13 出处:网络 编辑:@海内青年网
  ●它是受量子纠缠启发诞生的一种新型成像技术   ●它能穿云辨物为看不见摸不着的物体拍照留存

  ●它是受量子纠缠启发诞生的一种新型成像技术

  ●它能穿云辨物为看不见摸不着的物体拍照留存

  ●它在感知、探测、安全等领域有着广泛应用前景

  对看不到的物体,也能拍出一张清晰照片?

  没错!这一奇特的成像原理,起源于量子纠缠特性——两个有相互作用的微观粒子之间存在着高度关联的纠缠关系。20世纪末,科学家利用量子纠缠的特性,通过研究与实验,发明了“量子成像”技术。

  这是一种非直接式的关联成像技术。有意思的是,受量子纠缠启发而诞生的这一新兴技术,随着研究深入和实现方式变换,其称呼已由“量子成像”变为名副其实的“关联成像”。

  从“纠缠”到“关联”,撩开成像的神秘面纱

  量子是最小的、不可再分割的能量单元,量子体系的神奇特性是量子叠加与量子纠缠。后者可使相互独立的粒子紧密关联在一起,无论相隔多远,当一个体系的状态发生变化,对与之纠缠的另一个体系的测量结果就会表现出相应变化。

  最早的关联成像研究,是利用量子纠缠特性实现关联成像的。因为,光子是目前最容易利用和操控的量子体系之一。“纠缠光子对”犹如一对心有灵犀的“孪生兄弟”,当其中一个光子捕捉到目标信息并进入单像素探测器时,另一个光子不论它在什么位置,其“孪生兄弟”的信息都能被测量出来,从而实现“凭空”成像。

  量子纠缠特性,打开了探索关联成像的科学之门,但要真正实现起来并不容易。因为,受复杂的外部环境扰动,微弱的纠缠态光子很容易淹没在茫茫“噪声”中。

  科学家在随后的研究与实验中发现:“纠缠光子对”在传播方向和照射位置上,都存在非常紧密的联系。这种关联性极强的特点,让科学家茅塞顿开:只利用方向与位置两个自由度之一的关联性,也许能实现关联成像。

  真可谓“没有做不到,只有想不到”。本世纪初,科学家运用最常见的热光,实现了关联成像的重要突破。随后,脑洞大开的科学家又利用“赝热光”完成了关联成像实验——他们将激光打在旋转的毛玻璃上,使透过毛玻璃的光形成“赝热光”,再利用“赝热光场”的涨落特性,居然实现了比“纠缠光子对”更好的成像效果。

  从“纠缠”到“关联”,这一崭新的成像方式终于撩开其神秘面纱,开始走入更广泛的应用场景。

  不仅是一种艺术,更是一种新兴技术

  摄影是“光与影的艺术”,而关联成像不仅是一种艺术,更是一种新兴技术。随着对这种成像机理研究的深入,其应用研究进入一个蓬勃发展期。

  与传统光学成像相比,关联成像具有穿云辨物、明察秋毫的成像本领。

  灵敏度高,能对小目标远距离成像。传统成像中,目标回波能量分配到探测器的多个像素上,而关联成像使用桶探测器进行强度收集,可突破传统光学的灵敏度极限。桶探测器只需记录总光强值,因而响应更快。在关联成像中,采用灵敏度高的单像素探测器,其探测灵敏度可达到单光子水平,甚至在平均光子数小于1的条件下获得目标图像。这就大大降低了对光强度的要求,在生物医学成像、远距离侦察成像中有非凡价值。

  抗干扰性强,可削弱成像链路的散射影响。传统摄影成像遇到恶劣环境,光场的畸变会使成像质量大打折扣。而关联成像的探测器不需进行空间分辨,只需收集成像物体反射的总光强,就能抵抗光场畸变带来的部分干扰。即便在恶劣环境中,也能获得物体图像。此外,使用两路光场关联、成像重构的方法,也能在一定程度上消除成像过程中散射带来的影响。

  单像素成像,可实现多个波段成像探测。由于没有成像透镜或是成熟的阵列探测器,传统成像技术对微波、太赫兹波、X射线等波段难以实现类似光学波段的成像,而关联成像利用一个单像素探测器,结合光场调制就能做到无透镜成像,为上述波段成像探测提供了新的可行手段。

  未来应用前景广泛,有望打造成战场上的“火眼金睛”

  不同于传统成像那样“见”物才能成像,关联成像是通过“计算”成像,其无惧干扰、成像灵敏的特性和能力,使其在感知、探测、安全等领域有着广泛的应用前景,在军事上有望成为未来战场“游戏规则”的改变者。

  可让隐形飞机现形。现代战争中,战斗机隐形性能已成为空战中的一大优势。它通过吸波材料和外形优化,降低雷达电磁波的反射截面,使雷达难以侦测发现。如果是在光学波段条件下,隐形飞机就难以隐形了。基于关联成像的探测系统,能对隐形飞机弱回波信号进行有效收集和成像。

  可穿透战场硝烟迷雾。一般情况下,当光透过生物组织、烟尘和云雾等强散射介质时,传统的光学成像难以实现对目标的观测和成像。关联成像受光的散射与畸变影响小,只需测量回波强度,就能实现抗散射成像。在战场复杂环境中,它可穿透战场硝烟迷雾,实现对战场的侦测成像。据报道,美军通过关联成像系统研究,已能获得2公里外目标的清晰图像。

  可实现图像信息安全传输。图像信息的安全传输已成为确保军事行动成功的关键之一。传统技术手段的图像信息在拦截、攻击下难以做到万无一失。关联成像通过对两条光路测量和计算获得图像,大大增强了自身保密性。如果在图像传输中嵌入密钥,外人将很难破译。

 
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