我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn) 1.36 公里外毫米級(jí)目標(biāo)高分辨成像

IT之家 5 月 11 日消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、張強(qiáng)、徐飛虎等人聯(lián)合美國(guó)麻省理工學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等單位，首次提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主動(dòng)光學(xué)強(qiáng)度干涉技術(shù)合成孔徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 1.36 公里外毫米級(jí)目標(biāo)的高分辨成像。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成像分辨率較干涉儀中的單臺(tái)望遠(yuǎn)鏡提升約 14 倍。該成果以“Active Optical Intensity Interferometry”為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上，被選為編輯推薦論文（Editors’Suggestion），并被美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）下屬網(wǎng)站 Physics 所報(bào)道。

據(jù)介紹，傳統(tǒng)成像技術(shù)的分辨率受到單個(gè)孔徑衍射極限的制約。為突破這一物理極限，研究人員長(zhǎng)期致力于發(fā)展各類(lèi)合成孔徑成像技術(shù)。例如，2019 年事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）構(gòu)建了一個(gè)地球尺度的合成孔徑，在射電波段成功獲得了 M87 星系中心黑洞的首張圖像。這一開(kāi)創(chuàng)性成果榮獲了 2020 年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。然而，由于大氣湍流引起的相位不穩(wěn)定性，EHT 所采用的基于振幅干涉的合成孔徑技術(shù)很難直接應(yīng)用于光學(xué)波段。

20 世紀(jì) 50 年代，英國(guó)科學(xué)家 Hanbury Brown 和 Twiss（HBT）共同提出了強(qiáng)度干涉成像技術(shù)，并于 1956 年成功實(shí)現(xiàn)天狼星直徑的測(cè)量。與振幅干涉技術(shù)相比，利用熱光二階干涉性質(zhì)的強(qiáng)度干涉技術(shù)對(duì)大氣湍流和望遠(yuǎn)鏡光學(xué)缺陷不敏感，應(yīng)用于光學(xué)長(zhǎng)基線(xiàn)合成孔徑成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。盡管如此，當(dāng)前強(qiáng)度干涉技術(shù)仍局限于恒星成像等被動(dòng)成像應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非自發(fā)光目標(biāo)的高分辨率成像，并抵抗大氣湍流，結(jié)合主動(dòng)照明的強(qiáng)度干涉技術(shù)成為了一個(gè)極佳的候選方案。

然而，由于缺乏有效的遠(yuǎn)距離熱光照明方案和魯棒的圖像重建算法，強(qiáng)度干涉技術(shù)應(yīng)用于主動(dòng)合成孔徑成像領(lǐng)域仍具有挑戰(zhàn)性。

IT之家從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了主動(dòng)光學(xué)強(qiáng)度干涉技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種多激光發(fā)射器陣列系統(tǒng)，通過(guò)大氣湍流的自然調(diào)制，巧妙地合成多個(gè)相位獨(dú)立的激光束以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離贗熱照明。

在 1.36 公里城市大氣鏈路外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用 8 個(gè)相互獨(dú)立的激光發(fā)射器構(gòu)建發(fā)射陣列照射目標(biāo)，相鄰發(fā)射器間距為 0.15 米，大于大氣湍流的典型外尺度（通常為 0.02-0.05 米），以確保每束激光在經(jīng)過(guò)大氣傳播后具有獨(dú)立且隨機(jī)的相位變化。同時(shí)，構(gòu)建的接收系統(tǒng)由兩臺(tái)可移動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡組成 0.07-0.87 米的干涉基線(xiàn)，結(jié)合高靈敏度的單光子探測(cè)器以測(cè)量目標(biāo)反射光場(chǎng)的強(qiáng)度關(guān)聯(lián)信息。研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了魯棒的圖像恢復(fù)算法，最終成功重建出具有毫米級(jí)分辨率的目標(biāo)圖像。

該工作為遠(yuǎn)距離、高精度的遙感成像和日益重要的空間碎片探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)辟了新的可能性。《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人高度評(píng)價(jià)該成果，認(rèn)為“該論文在遠(yuǎn)距離大氣高分辨率成像問(wèn)題上取得了重大進(jìn)展”（“the paper makes a significantadvance in the issue of high-resolution imaging through the atmosphereat extended distances”）。

IT之家附論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.180201