光學(xué)成像技術(shù)在遙感探測、天文觀測、生物醫(yī)學(xué)成像等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，但大氣湍流、生物組織等無序介質(zhì)引發(fā)的光波前隨機畸變，長期制約著成像質(zhì)量與分辨率的提升。傳統(tǒng)波前校正方法依賴空間光調(diào)制器等硬件進行定域調(diào)控，存在硬件要求高、動態(tài)環(huán)境響應(yīng)延遲及穩(wěn)定性不足等局限。國防科技大學(xué)與香港理工大學(xué)聯(lián)合團隊提出一種量子啟發(fā)的計算波前整形技術(shù)，基于經(jīng)典關(guān)聯(lián)光源與單像素探測原理，實現(xiàn)了抗湍流的分布式孔徑合成成像。該技術(shù)擺脫了對專用硬件及子孔徑共相操作的依賴，在湍流環(huán)境下達成0.157毫米的衍射極限分辨率，相關(guān)研究成果以“量子啟發(fā)計算波前整形實現(xiàn)抗湍流分布式孔徑合成成像（Quantum-Inspired Computational Wavefront Shaping Enables Turbulence-Resilient Distributed Aperture Synthesis Imaging）”為題發(fā)表于《Science Advances》，為動態(tài)復(fù)雜環(huán)境下的高分辨率光學(xué)成像提供了全新解決方案。

圖1

 一、研究背景與技術(shù)瓶頸

在現(xiàn)代光學(xué)成像領(lǐng)域，光波前的完整性是保障成像質(zhì)量的核心前提。然而，大氣湍流、生物組織散射等自然或人為因素會導(dǎo)致光波前產(chǎn)生隨機畸變，使得成像結(jié)果出現(xiàn)模糊、失真等問題，這一挑戰(zhàn)在動態(tài)湍流場景中尤為突出。傳統(tǒng)波前校正技術(shù)以空間光調(diào)制器為核心硬件，通過直接調(diào)控畸變光子的傳播路徑實現(xiàn)定域校正，但該方案存在三大關(guān)鍵瓶頸：一是對硬件的精度與響應(yīng)速度要求嚴(yán)苛，增加了系統(tǒng)構(gòu)建成本；二是在湍流快速變化的動態(tài)環(huán)境中，硬件調(diào)控存在固有響應(yīng)延遲，難以實時追蹤波前畸變；三是復(fù)雜光路中的多源畸變會導(dǎo)致校正穩(wěn)定性下降，限制了其在遙感探測、動態(tài)生物成像等實際場景的應(yīng)用。

量子非局域波前校正的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新思路——利用光子對的糾纏特性，通過調(diào)控與信號光子時空分離的參考光子，間接消除像差對糾纏態(tài)的影響，恢復(fù)信息對應(yīng)關(guān)系。但量子糾纏光源的制備與維護成本高昂，難以實現(xiàn)工程化應(yīng)用。與此同時，贗熱光因其具有與糾纏光相似的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，且光場分布可通過衍射規(guī)律確定性計算，成為模擬量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)的理想替代方案，為量子啟發(fā)的經(jīng)典光學(xué)成像技術(shù)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

 二、核心技術(shù)創(chuàng)新與原理

聯(lián)合團隊受量子非局域像差消除機制啟發(fā)，突破傳統(tǒng)硬件校正思維，提出基于經(jīng)典關(guān)聯(lián)光源與單像素探測的計算波前整形方法，其核心創(chuàng)新與技術(shù)原理如下：

 （一）量子啟發(fā)的計算域波前校正

該方法摒棄了直接調(diào)控畸變光子的傳統(tǒng)思路，采用贗熱光作為照明光源，通過桶探測器收集目標(biāo)回波信號。當(dāng)光路存在像差時，系統(tǒng)在計算參考光場的過程中主動引入補償相位，利用贗熱光的經(jīng)典關(guān)聯(lián)特性模擬量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，在計算域完成波前畸變的等效消除。這一設(shè)計從根本上擺脫了對空間光調(diào)制器等專用硬件的依賴，通過算法優(yōu)化提升了動態(tài)環(huán)境下實時成像的穩(wěn)定性，有效解決了傳統(tǒng)方法在快速湍流場景中的響應(yīng)延遲問題。

 （二）無需共相的分布式孔徑合成方案

基于上述計算波前整形框架，團隊進一步提出分布式光學(xué)孔徑合成成像方案。該方案采用分布式子光源照明目標(biāo)，無需進行復(fù)雜的子孔徑共相操作——針對子光源間因分束產(chǎn)生的未知相對相位，以及湍流引入的額外波前畸變，通過計算波前整形技術(shù)實現(xiàn)雙重補償，最終達成與子光源排布基線對應(yīng)的衍射極限分辨率。這一突破顯著降低了光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)的工程實現(xiàn)難度，為構(gòu)建大基線、高分辨率成像系統(tǒng)提供了簡潔高效的技術(shù)路徑。

圖2

 三、實驗驗證與性能表現(xiàn)

為驗證技術(shù)有效性，團隊搭建了包含分布式光源、湍流相位屏、目標(biāo)及桶探測器的實驗系統(tǒng)（如圖3A所示），通過SLM2（近光源端）和SLM3（近物體端）模擬強度遞增的湍流環(huán)境（如圖3B、3C所示），并與傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)鬼成像技術(shù)進行對比測試。

實驗結(jié)果表明，傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)鬼成像技術(shù)的成像質(zhì)量隨湍流強度增加逐漸退化，最終完全失效（如圖3D所示）；而量子啟發(fā)計算波前整形技術(shù)在高強度湍流環(huán)境下仍保持穩(wěn)定性能，實現(xiàn)了0.157毫米的分辨率，精準(zhǔn)達到合成孔徑的理論極限（如圖3E所示）。這一結(jié)果充分證明了該技術(shù)在抗湍流成像領(lǐng)域的核心優(yōu)勢，為其實際應(yīng)用提供了堅實的實驗支撐。

圖3

 四、研究團隊與支持保障

本研究由國防科技大學(xué)理學(xué)院孫帥副教授擔(dān)任第一作者，國防科技大學(xué)理學(xué)院劉偉濤教授與香港理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系賴溥祥教授共同擔(dān)任通訊作者，國防科技大學(xué)理學(xué)院陳平形教授、電子科學(xué)學(xué)院徐耀坤副研究員參與了研究工作。研究得到國家自然科學(xué)基金、國防科技大學(xué)自主科研基金、香港理工大學(xué)校內(nèi)基金等多個項目的聯(lián)合支持，為研究的順利推進提供了充足的資源保障。

聯(lián)合團隊長期深耕量子光學(xué)與計算成像交叉領(lǐng)域，此前已在可編程贗熱光源、中紅外單光子成像等方向取得一系列重要進展，相關(guān)成果發(fā)表于《Physical Review Letters》《Nature Communications》《Optica》等國際頂級期刊，并被ScienceDaily、EurekAlert等國際學(xué)術(shù)媒體關(guān)注報道，形成了深厚的研究積累與鮮明的技術(shù)特色。

 五、應(yīng)用前景與學(xué)科意義

 （一）應(yīng)用場景拓展

該技術(shù)憑借抗湍流、低硬件依賴、易工程化等優(yōu)勢，在多個關(guān)鍵領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景：在遙感探測領(lǐng)域，可提升衛(wèi)星、航空成像系統(tǒng)在復(fù)雜氣象條件下的對地觀測分辨率；在天文觀測領(lǐng)域，能降低大氣湍流對望遠鏡成像的影響，助力深空天體的高精度探測；在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，可突破生物組織散射導(dǎo)致的成像瓶頸，為活體動態(tài)觀測、疾病早期診斷提供技術(shù)支撐。

 （二）學(xué)科發(fā)展價值

從學(xué)科交叉視角來看，該研究創(chuàng)新性地融合量子光學(xué)非局域調(diào)控思想與計算成像技術(shù)，建立了“量子啟發(fā)-經(jīng)典實現(xiàn)”的技術(shù)范式，為量子光學(xué)原理的工程化應(yīng)用提供了新路徑。同時，該技術(shù)突破了傳統(tǒng)光學(xué)成像對硬件與光路條件的嚴(yán)苛限制，推動了光學(xué)成像從“硬件主導(dǎo)”向“算法主導(dǎo)”的轉(zhuǎn)型，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了重要借鑒。

國防科技大學(xué)與香港理工大學(xué)聯(lián)合團隊提出的量子啟發(fā)計算波前整形技術(shù)，通過經(jīng)典關(guān)聯(lián)光源模擬量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、計算域補償替代硬件校正，成功解決了湍流環(huán)境下光學(xué)成像的核心瓶頸，實現(xiàn)了無需共相的分布式孔徑合成成像。該技術(shù)不僅在實驗中驗證了衍射極限分辨率的穩(wěn)定輸出，更在硬件簡化、工程化應(yīng)用等方面具備顯著優(yōu)勢，為遙感探測、生物醫(yī)學(xué)成像等關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)升級提供了全新解決方案。未來，隨著算法的進一步優(yōu)化與系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)有望在更復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，持續(xù)推動光學(xué)成像領(lǐng)域的技術(shù)革新與學(xué)科發(fā)展。