●資訊光學技術，採用資訊理論的觀點和方法研究光學系統並解決光學問題
●藉助資訊光學技術，光學探測裝置不僅看得更遠，還看得更細緻、更高效
●資訊光學技術在戰場態勢感知、戰場適應性訓練等領域具有極高的應用價值
今天，我們聊聊資訊光學技術
■袁梓洋 王金霞
資訊光學技術發展時間軸線圖。
2021年3月23日，一艘貨輪卡在了埃及蘇伊士運河，造成河道嚴重堵塞。世界各國利用光學探測衛星拍攝到的一組高解析度大視場照片，在網上刷屏，其精度、視野和色彩飽和度對比，成為各方炫技的焦點。
空中客車公司的Pleiades衛星、長光衛星技術有限公司的吉林一號高分衛星拍攝的“作品”不分伯仲。得益於資訊光學技術支援，吉林一號高分衛星的全色解析度約為1米，可得到視野大於17千米的影象。
資訊光學技術，是將資訊處理中的相關理論與方法，如傅立葉分析、壓縮感知、機器學習等移植到光學領域而形成的一種新型交叉技術。資訊處理中的經典理論和技術手段，被引入光學領域後，實現了一系列突破性革命，給傳統光學注入了新的生機。
誕生與成型
傅立葉分析，是訊號處理領域的基石。將其引入光學領域進行研究，最早可追溯到1873年德國物理學家阿貝所提出的成像理論。該理論驗證了提高顯微成像解析度的可能性，並在1906年被波特等研究人員驗證。
受阿貝理論啟發，研究人員認識到，光學成像系統與資訊通訊系統類似，也可分為資訊收集、資訊傳遞以及資訊處理3個部分。從1930年開始，以傅立葉分析為基礎的大量資訊理論成果被應用於光學系統中。
資訊理論的引入，不僅是以新的概念來理解熟知的物理光學現象，更孕育了一門技術性很強的交叉學科——資訊光學。
資訊光學領域中一個重要的理論基礎，是利用探測器的取樣資訊，重建光學訊號，以提升光學訊號的完整性和傳播效率。惠特克-夏農取樣定理要求，探測器的取樣量需要足夠大才能重建訊號，其對硬體的要求非常高，極大限制了資訊光學技術的成型。
2004年，壓縮感知理論作為一個全新的取樣理論，由艾曼紐·坎德斯以及陶哲軒等人提出。該理論證明了可用遠低於惠特克-夏農取樣定理所要求的取樣量，完美地恢復訊號。因此，藉助於壓縮感知理論，資訊光學中大部分技術便可降低高速取樣壓力，從而減少了光學資訊處理、儲存以及傳輸的成本，顯著提高了成像效率。
隨後，基於壓縮感知理論而產生的資訊光學技術如雨後春筍般湧現。比如，欠取樣核磁共振成像、超薄成像、新型超分辨成像等。
傳統的資訊光學技術，大都依靠經驗模型以及人工先驗，不能較為真實、客觀地刻畫自然界的物理過程以及資料分佈規律。深度學習作為機器學習領域中最熱的研究方向之一，能利用深度神經網路，從海量資料中挖掘得到資料的內在規律，並提取資料特徵。
因此，大量深度學習演算法被引入資訊光學技術之中，湧現出一系列從成像時間以及成像效果上大大超越經典演算法的新方法。
發展與應用
評價望遠鏡成像質量的重要指標之一是解析度。決定望遠鏡解析度的主要因素是望遠鏡的尺寸以及觀測光的波長。
在波長確定的情況下，望遠鏡尺寸越大，所能獲得的解析度越高。現實中，我們可製造的望遠鏡尺寸是有限的。看得更遠的甚長基線干涉測量法，就可利用多臺望遠鏡協同觀測來間接增大望遠鏡尺寸。因此，藉助遍佈全球的天文望遠鏡，使用甚長基線干涉測量法，便可製造出一個尺寸和地球一樣大的虛擬望遠鏡，從而大大增加探測距離。
2019年，藉助於甚長基線干涉測量技術，事件視界望遠鏡首次拍到了黑洞照片，使人類深化了對於宇宙的認知。
1873年，德國物理學家阿貝指出了光學顯微鏡存在解析度極限的概念。隨著科學技術的不斷進步，生物醫學、材料學等領域對顯微技術的發展提出了更高要求。但由於解析度極限的存在，傳統光學顯微鏡無法滿足微納尺度觀測所需。掃描隧道顯微鏡等技術出現後，實現奈米量級的解析度雖然成為可能，但仍存在對樣品破壞性較大等缺點，並不適合對生物活體樣品的觀測。
這時，光學超解析度技術的出現，突破了解析度極限。利用光學顯微鏡，能觀測到尺寸在十幾奈米的活體生物結構，實現了“看得更細緻”的目標。2014年諾貝爾化學獎頒給了艾力克·貝齊格等3名物理學家，以表彰他們在光學超分辨顯微方面做出的巨大貢獻。
而資訊光學領域，能夠看得更高效的資料驅動成像技術，則是指利用資料驅動演算法，比如模式識別、深度學習等方法，來提升傳統光學系統成像效率。憑藉算力強大的硬體及海量的資料作支撐，以深度學習為代表的資料驅動演算法，自2012年AlexNet網路贏得了ImageNet影象分類比賽第一名後，就在資訊科學領域掀起了新高潮。資料驅動演算法以其強大的特徵提取以及泛化能力，被廣泛應用於資訊光學領域。如超光譜成像、相干衍射成像、傅立葉疊層成像等。
在資料驅動演算法輔助下，傳統光學系統既能顯著提升成像效率，又能減少對資料的取樣。
“從軍”與前程
當前，大量資訊光學技術已應用於軍事領域，在一些國家的軍事行動中大顯身手。這一技術“從軍”的代表作，為各國研發的合成孔徑雷達、穿牆透視雷達以及採用的全息影像技術。
——合成孔徑雷達。合成孔徑雷達是一種新型高解析度雷達，用於掃描得到物體的二維或三維資訊，尤其是在能見度極低的氣象條件下，依然能得到高解析度影象。
合成孔徑雷達利用天線在目標區域上的運動，並以資訊處理的方法，來提供比傳統固定波束掃描雷達更精細的空間解析度。因此，合成孔徑雷達通常被安裝在飛機、航天器等移動平臺上。對於固定的天線尺寸和方向，因距離更遠的物體會保持更長的照明時間，為此合成孔徑雷達具備為更遠物體建立更大合成孔徑的特點，從而使其擁有較廣的搜尋範圍。
在20世紀50年代後期，合成孔徑雷達一般裝載在RB-47A和RB-57D戰略偵察飛機上。經過近70年的發展，合成孔徑雷達技術已經成熟，不少國家有了自己的合成孔徑雷達發展計劃，各種新型體制合成孔徑雷達應運而生，在軍事領域發揮著重要作用。
——穿牆透視雷達。現代戰場上，錯綜複雜的建築和牆體是城市巷戰的最好掩體。在當前的軍事應用中，有一種穿牆透視雷達，能發射穿透力較強的高頻電磁波，對牆體進行掃描探測。這種雷達的探測器透過接收經過漫反射的回波訊號，並利用演算法計算得到牆體背後的情況，從而使掩體內的軍事人員和設施無處遁形。
如以色列的XAVER400穿牆透視雷達，能穿透以水泥、石膏、混凝土等為材質的牆體，其探測範圍最遠可達20米。它可同時檢測靜止和移動物件，並提供相關房間面積和基礎設施元素的資訊。
——全息影像技術。這是利用干涉和衍射原理記錄並再現物體三維影象的一種技術。利用全息投影技術，觀眾無須佩戴3D眼鏡，便可從任何角度觀看影像的不同側面，所觀看的3D影像擁有極強的空間感和真實感。未來戰場上，在具有跨越物理域、資訊域、認知域等多域精確作戰特點的情況下，全息影像技術將有著特殊應用價值。
全息影像技術應用到未來作戰場景中，可將現代化資訊系統的模擬三維戰場環境，以沉浸方式呈現，以便更直觀、更全面地為指戰員決策提供戰場態勢感知支援。同時，利用此技術，可開展戰場適應性訓練，以提高指戰員的戰場適應能力。
除此之外，利用全息影像技術還可研製出幻覺武器，如偽造轟炸機、航母、無人機蜂群等作戰武器蜂擁而至的場景，偽造重要軍事目標的虛擬影像等，以達到迷惑敵人、引發意識混亂、摧毀敵人戰鬥意志的目的；對武器裝備進行視覺偽裝，如飛行器能實現與天空融為一體的效果，從而達到視覺隱身目的；在戰場上虛擬假目標，從而吸引誤導敵軍火力，降低對手的打擊效率等。
（作者系軍事科學院研究員）
來源： 中國軍網－解放軍報
