作者 / 薄遵望1，陳明亮1，鄧陳進1，王成龍1，龔文林2，韓申生1*
1中國科學院上海光學精密機械研究所
2 蘇州大學
一、什麼是“鐳射鬼成像”？
鐳射鬼成像雷達（又稱為鐳射強度關聯成像雷達）是一種基於光場高階相關性原理的凝視成像雷達。它透過成像視場內的光場時空漲落對輻照目標進行編碼，同時在接收端用無空間分辨能力的單畫素探測器獲取目標回波的能量漲落，然後透過計算輻照光場與回波訊號間的時空漲落關聯重建目標的三維影象資訊[1]（如圖1）。
從直觀的角度，鐳射鬼成像的工作過程可以描述為：發射端發射一系列類似“二維碼”的空間編碼光場，每幅編碼光場的空間花樣各不相同，即所謂的時空漲落光場。當空間編碼光場照射到目標上並被反射時，接收端用接收望遠鏡收集目標反射波並集中到一個單畫素探測器上記錄回波能量大小。在這個過程中，空間分佈與目標分佈吻合度高的編碼光場的回波能量自然就高，反之回波能量便低，這樣就在回波能量的高低漲落中包含了目標的空間分佈資訊。最後利用編碼光場與回波訊號之間的相關性，透過計算的方法便可以解調出目標資訊。因此，鐳射鬼成像的特點可以概況為：多次空間編碼輻照、回波單點集中探測以及計算重建影象。
圖 1 （a）鐳射鬼成像原理示意圖。（b）鐳射鬼成像原理樣機。（c）鐳射三維鬼成像結果，圖中不同顏色代表不同距離資訊。
二、鐳射鬼成像技術特徵
相較於傳統鐳射點掃描成像（如MEMS、OPA等）和焦平面成像（如Flash、SPAD-Array等）而言，鐳射鬼成像雷達是一種更基本、更普適的成像技術。因為點掃描和焦平面成像本質上也是一種空間編碼探測方案，即點掃描是空間逐點編碼，而均勻閃光照明則是空間整體（直流）編碼。雖然通常所說的鬼成像一般指代介於空間逐點掃描探測和單次曝光焦平面探測之間的編碼探測成像，但對於鬼成像理論的研究大多可以自然推廣到傳統點掃描和焦平面成像方案中去。
成像原理的普適性，為鐳射鬼成像探測能力的靈活性和高效性奠定了基礎。與壓縮感知和資訊理論等現代資訊理論相結合，鐳射鬼成像雷達可以同時具備較高的探測靈敏度和影象資訊獲取效率。相較於幾大主流鐳射雷達，鐳射鬼成像雷達的技術特徵主要體現在如下幾個方面：
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探測距離介於點掃描和焦平面成像之間
在相同的鐳射發射功率和探測靈敏度（通常由探測器決定）下，點掃描成像（包括MEMS和OPA等方案）由於每次發射能量和接收能量都集中在一個點上，無疑具有最大作用距離。而焦平面閃光成像（包括Flash和SPAD-Array陣列等）則是發射能量和接收能量分別分散在物面及像面的整個探測視場內，能量的分散自然降低了焦平面成像的最遠作用距離。
鐳射鬼成像採用的是成像視場內的空間編碼輻照和單點集中探測，雖然發射能量分散了，但探測時所有的目標回波又集中到了一個單畫素探測器上，因而鬼成像的探測距離通常介於鐳射點掃描和焦平面成像之間。實際應用中，針對特定場景靈活設計時空編碼方案，可實現不同作用距離的鐳射鬼成像系統。
鐳射點掃描成像所獲取的三維影象通常是分立點雲圖，其空間解析度受限於掃描間隔，很難達到光學系統的衍射極限。而鐳射鬼成像的影象解析度則和焦平面閃光成像一樣，都由光學系統的衍射極限決定，因此其重建三維影象的連續性和解析度要遠好於掃描成像得到的點雲圖。
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具有較高的影象資訊獲取效率
鐳射鬼成像的散斑場隨機取樣模式正好符合壓縮感知理論的取樣要求，這就為壓縮取樣（測量訊號數量小於影象畫素數）奠定了基礎[2]。
基於壓縮感知理論的鬼成像研究表明，當影象重建過程中充分考慮目標在空間域或其他表象域的稀疏性等先驗資訊時，鬼成像可以在欠取樣的情況下實現接近系統衍射極限的影象重建。而且目標場景越稀疏，取樣壓縮率就越高。
例如當成像視場內大部分都是均勻背景，目標只佔成像視場的一小部分時，這種稀疏場景下鐳射鬼成像只需要少量取樣便可使影象重建趨於收斂，從而及時結束取樣。而對於掃描成像來說，即使成像目標在視場內是稀疏的，但由於無法確定目標在視場內的具體位置，所以需要將整個視場掃描完以後（滿取樣）才能最終確定目標資訊。因此，鐳射鬼成像的作用距離雖然不及點掃描成像，但其取樣的資訊獲取效率卻遠高於鐳射點掃描成像。
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具有良好的抗干擾能力
鐳射鬼成像能夠抵抗雜散光干擾的核心因素在於成像過程中的空間編碼探測和影象重建中的時空關聯計算。這既包括空間維度上的編碼和關聯，也包括時間維度上的編碼和關聯。
首先在空間維度上，鐳射點掃描和焦平面成像屬於編碼方案的兩個特例，兩者都已喪失了空間分佈上的特殊性和唯一性，因此探測中很難透過訊號身份識別來判斷回波是干擾光還是訊號光，易受雜散光干擾。而編碼方案介於兩者之間的鬼成像因為採用了一系列獨特的時空編碼，可以在計算重建時透過光場時空相關性有效濾除環境中雜散光的干擾。另外，不同鐳射雷達間的編碼方案也是獨立不關聯的，所以不同裝置間的同波長光訊號干擾問題也可以在鬼成像中得到很好的解決。
其次在時間維度上，傳統鐳射雷達為了解決不同裝置間的光訊號干擾問題，一般採用相干探測和時間編碼等方案，而這要依賴於時間維度上的高速取樣，目前受限於探測器工藝和資料傳輸頻寬限制，只能在單探測器接收的點掃描體制下實現，這無疑大大限制了傳統鐳射雷達的發展空間。鐳射鬼成像作為一種單點探測的編碼成像方案，可以全面運用時空多維調製，目前基於光學相干探測的鬼成像已經實現了工作波段-30 dB信幹比的成像探測[3]。
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靈活的任務驅動型成像框架
針對具體的任務需求，目前的做法是透過特定演算法從冗餘的目標場景影象中提取出所需任務資訊。基於任務定義的資訊光學成像系統能夠在相同的能量約束下做到資訊理論意義下的任務資訊獲取效率最優。鐳射鬼成像的整個成像過程可看作光場的“調製-解調”過程，這與資訊理論模型非常契合。相關研究表明，透過計算成像系統的互資訊和Fisher資訊可定量表徵鬼成像系統的資訊傳輸能力和資訊提取保真度[4]。因此可以透過最佳化系統引數，實現系統的最大化資訊提取能力。
先進而成熟的理論加上靈活多變的成像框架，使得鐳射鬼成像可以根據具體的成像探測任務進行定製型方案設計，與神經網路結合，可實現基於光學神經網路的高效探測識別，大大緩解無人駕駛等鐳射雷達應用場景中對於算力的需求。鐳射鬼成像不但可以根據任務需求靈活設計探測方案，而且在成像探測過程中還可以根據目標場景的不同而自適應地調節編碼光場的空間分佈形式和位置，一方面節省探測資源，另一方面提高探測的時效性[5]。
三、鐳射量子鬼成像未來展望
鬼成像作為一種普適的成像理論，透過最佳化光場的時空漲落，可以靈活應對各類應用場景提出的需求，為技術發展中可能出現的種種未知問題留下了較大的應對空間[6]。目前在低成本探測器和片上可程式設計鐳射光源等先進光電器件的推動下，鐳射鬼成像在自動駕駛、工業檢測等領域也獲得了較多關注。作為一種無掃描成像方案，鐳射鬼成像便於實現固態化、小型化，具有系統簡單、結構穩定等優點，因此具有良好的開發價值。
參考文獻：
1. Simon,D.S.,G.Jaeger,and A.V.Sergienko,Quantum metrology,in Quantum Metrology,Imaging,and Communication.2017,Springer.p.91-112.
2. 龔文林,et al.,面向實際應用的 GISC Lidar近期研究進展與思考[J].紅外與鐳射工程, 2018. 47(3): p. 302001-0302001 (7).
3. Pan,L.,et al.,Experimental investigation of chirped amplitude modulation heterodyne ghost imaging.Optics Express,2020.28(14):p.20808-20816.
4. Hu,C.,et al.,Correspondence Fourier-transform ghost imaging.Physical Review A,2021.103(4):p.043717.
5. Liu,B.,et al.,Self-evolving ghost imaging.Optica,2021.8(10): p.1340-1349.
6. 劉偉濤, et al.,運動物體關聯成像研究現狀及展望[J].鐳射與光電子學進展, 2021. 58(10): p. 1011001.
作者簡介
薄遵望，中國科學院上海光學精密機械研究所，副研究員
陳明亮，中國科學院上海光學精密機械研究所，副研究員
鄧陳進，中國科學院上海光學精密機械研究所，助理研究員
王成龍，中國科學院上海光學精密機械研究所，博士後
龔文林，蘇州大學，教授
韓申生，中國科學院上海光學精密機械研究所，研究員
