基于散斑测量和精确重建的真热光关联成像研究

True thermal light correlated imaging (TTLCI), which can image targets with large detection range under the disturbances of cloud, turbulence and scattering media, attracts much attention in the recent years. In the traditional TTLCI the image is obtained from second-order correlation detection, which is a statistical method. As a result, the imaging quality is very low and cannot satisfy the demand of real applications. To fundamentally solve the problem of image quality, method of accurate reconstruction of TTLCI should be developed. In this project, we will directly measure the speckle of true thermal light and research on the statistical property. The linear relationship of optical signal and target image is established to realize accurate reconstruction with compressed sensing theory. The disturbance of shot noise in the single photon detection will also be resolved. With these researches, an imaging result with higher signal-to-noise ratio will be obtained with less sampling time compared with traditional TTLCI. As the speckle of true thermal light will be experimentally studied for the first time, and compressed sensing theory is combined with TTLCI, this project has important theoretical and technological innovations. This work can promote the understanding to physical mechanism of thermal light correlated imaging, and dramatically increase the imaging speed and imaging quality. It is helpful to make TTLCI be practical in the fields such as earth observation.

真热光关联成像具有覆盖范围广、能够抵抗云雾湍流干扰等优点，成为近年来国内外的研究热点。传统的真热光关联成像采用统计平均的二阶关联探测实现图像获取，成像质量较差，无法满足实际应用需求。为了从根本上解决成像质量问题，必须建立真热光关联成像的图像精确重建方法以代替统计平均运算，这是本项目的关键科学问题。我们拟对真热光场的散斑进行直接测量并研究其统计性质，建立光信号与目标图像间的线性采样关系，引入压缩感知理论对目标图像进行精确重建，并解决单光子探测产生的散粒噪声干扰，最终达到以较短的成像时间获得高信噪比成像结果的目的。本项目在国际上首次对真热光场散斑进行实验测量和研究，从而实现压缩感知理论与真热光关联成像的结合，具有重要的理论和技术创新。本项目研究不仅加深了对热光关联成像本质机理的理解，并且能够显著提高成像速度、成像质量等关键性能，促进真热光关联成像在对地观测等领域实现实用化。

本项目围绕基于压缩感知重建的真热光关联成像技术展开研究。真热光关联成像是一种计算成像技术，在实现非局域成像、抗湍流干扰等方面具有重要应用价值。传统的关联成像基于二阶关联算法，它是一种统计平均方法，不能对目标进行准确求解，因此造成关联成像质量较差，不能满足实际应用需要。本项目将压缩感知技术应用于真热光关联成像，以达到提高其成像质量、增强应用价值的目的。项目研究了基于压缩感知精确重建的真热光关联成像，通过高速探测器对真热光场强度分布进行了研究，并分析了其二阶相关统计性质。通过数字掩膜成像实验验证了利用压缩感知提高真热光关联成像质量的可行性。研究了压缩感知关联成像中量子噪声的影响规律及解决方法，由于真热光关联成像中光信号以光子形式测量，散粒噪声是最主要的噪声来源。研究中得到了成像信噪比与散粒噪声影响因素的定量公式，发现每次测量每像素的光子数是影响成像质量的决定性因素，并完成了实验验证。这一研究结论对光子计数关联成像的系统设计具有重要的指导意义，并在其他相关项目中得到应用。项目对压缩感知重建算法进行了研究。提出了多尺度重建压缩感知成像技术，通过多空间频率尺度的测量矩阵设计和相应算法，实现了不同空间频率图像成分重建质量的提高。提出了基于多尺度相位调制的单次曝光压缩感知成像方案，与以往的单次曝光成像相比，成像质量得到显著提高。项目将压缩感知关联成像拓展到多维信息测量方向，实现了基于压缩感知重建的热目标温度成像、三维成像和光谱成像，实现以低维甚至点探测进行多维信息获取，解决了传统技术在多维信息测量中存在的探测器维度不足问题。以上研究提高了关联成像、压缩感知成像的重建质量，拓展了应用前景，对促进计算成像技术获得实际应用具有重要意义。