基于多参量量子探测的光学关联成像理论与实验研究

The aim of this project is to build a universal theory model for the optical correlation imaging, solve the problems of the relevant basic science and core technical issues, and promote the applications of the optical correlation imaging technology in practical applications. According to this goal, this project mainly studies the problems of the following five aspects for the multi-parameter optical correlation imaging (MOCI) under the quantum detection condition: 1, physical correlations and information fusions of multiple parameters of the involved optical field; 2, theory model of the MOCI; 3, core technologies of the MOCI; 4, core algorithms of the MOCI, and 5, field test and application feasibility. Researches on this project can not only develop and better the theory of optical correlation imaging, but also promote the technology application in practices. It is anticipated that one may make great progress in finding new mechanism, new method and new technology for the optical correlation imaging, and reach a high level for the target object detection and recognition in a complex environment. At the same time, this project will benefit the personnel training and international academic exchange in the optical imaging fields.

本项目致力于建立量子探测条件下的多参量光学关联成像理论体系，解决其中的相关基础科学问题和核心技术问题，促进光学关联成像技术在实际场景的应用。根据该目标，本项目主要研究以下五个方面的问题：1、量子探测条件下的多参量物理关联性和信息融合性；2、多参量量子探测光学关联成像理论体系；3、多参量量子探测下的光学关联成像核心技术；4、适合多参量量子探测光学关联成像的核心算法；5、多参量量子探测关联成像系统试验演示与应用可行性。开展本项目研究，不但可以促进光学成像理论体系的发展与完善，具有重要的科学研究意义，而且可以推进关联成像技术在实际系统中的应用，具有良好的潜在应用价值。预期本项目可在关联成像新机制、新方法和新技术等方面取得重要突破，为推动关联成像技术的应用奠定基础，并提升人类对复杂环境下目标物体的探测与识别水平。同时，本项目在我国光学关联成像人才培养和国际学术交流等方面将发挥重要作用。

传统光学关联成像是一种利用光信号的强度（或强度涨落）关联特性来实现对目标物体成像的全新成像体制。由于只利用了光（光子）的强度或强度涨落所携带的信息，只能获取目标的强度关联图像信息。然而，复杂背景和极限条件下往往需要获取目标的多维信息，这些信息的获取可以利用光信号延时、频谱、偏振、波长、角动量等参量（即物理自由度，本项目书称为“参量”）的物理关联性来实现，这种体制我们称其为“多参量光学关联成像体制”。本课题涉及到如何实现多参量下的极限感知与应用场景等方面的基础理论和科学问题。.针对此问题，创新性的提出了结合时间相关和单光子探测的关联成像理论模型，其光子效率模型分析表明其效率优于传统成像，建立了基于信息理论的关联成像像质分析模型，提供了一个图像质量与测量数关系的半定量模型，该理论可用于无内容图像质量评估，并适用于非常一般的场景，对促进光学成像理论体系的发展与完善具有重要科学意义；在极限感知探测技术方面，提出了针对参量时变过程估计问题的量子深度强化学习算法的量子调控协议，使得时变参量估计的精度饱和量子速度极限，提出了光子受限极限探测条件下的图像恢复和识别技术，可在其他常规手段失效时实现了目标图像恢复和识别，具有突破性的价值；提出了多种提升关联成像系统图像恢复质量的算法，通过这些算法对关联成像系统进行优化，能进一步提升成像系统的性能，推进关联成像技术在实际系统中的应用；在以上理论的指导和技术的支撑下，我们构建了多套面向应用的关联成像系统，如远距单光子探测关联成像系统，在外场实验中演示了其对百km合作目标的成像，在单像素探测光子数仅为0.01的条件下，实现了目标的成像，拓展了关联成像的探测极限。基于单根多模光纤关联成像的系统，具有厘米级景深的成像能力，比以往的方法提高了近3个数量级，并突破传统的光点扫描成像方式，并具有抗宏观光纤弯曲的鲁棒性，为应用于人体内窥镜成像奠定了基础。