微弱光信号检测情况下的赝热光鬼成像研究

Ghost imaging is an important branch of quantum optics, and is a new imaging technology with the separation between the object imaged and its image. Unlike traditional ghost imaging from which the target information is obtained by intensity correlation between high power object-light and reference light, the technology of ghost imaging lidar which has been developing deals with the correlation between the object light at low light levels and the reference light with high power, while the corresponding ghost imaging theory with the weak light is relatively lagging behind. So, the research project focuses on establishing a reliable theory of ghost imaging under low light signal. By the experimental results from our experimental platform of ghost imaging with weak light signal, we will verify and further optimize our theory. For the detection of the weak object light, some classical detection methods and processing technologies of weak light signals will be introduced, such as time-domain average and wavelet de-noising, etc., to improve the efficiency of extracting the object light signal from the strong noise, thus change imaging efficiency of ghost imaging; we will explore the feasibility of improving the signal of the object light by the stochastic resonance system, thus enhancing the quality of ghost imaging.

鬼成像是量子光学的一个重要分支，是一种物像分离的新型成像技术。不同于传统鬼成像中强的物光和参考光之间作关联，目前正在发展的鬼成像雷达技术处理的是弱的物光和强的参考光之间的关联，而针对这种情况下的微弱光鬼成像理论相对滞后。鉴于此，本项目拟建立可靠的微弱光鬼成像理论。通过改进已搭建的赝热光鬼成像实验平台给出微弱光条件下的实验结果，验证并进一步优化微弱光鬼成像理论。对于微弱物光的探测，拟引入一些经典微弱光信号探测方法和处理技术，如时域平均法和小波去噪法等来提高从强噪声中提取物光信号的效率，最终提高微弱光鬼成像的成像效率；探索利用随机共振技术增强物光信号，进而提高成像质量的可行性。

鬼成像理论大都是基于较强的物光和参考光的关联运算基础上。实际应用中物光路由于长距离传输，路径干扰，目标表面的散射等因素会变为微弱光，实际上是微弱的物光和较强的参考光做关联运算，而这方面的研究尚缺失。基于此，项目进一步发展了微弱光鬼成像理论，该理论中引入了物光光子数变化和暗噪声。搭建相应的实验平台，根据实验结果验证微弱光鬼成像理论的可靠性，并对理论模型作进一步优化。实验过程中重点考虑了微弱物光的探测问题，并分析了物光光强和光子数变化对成像可见度和信噪比的变化，同时分析了不同采样次数下成像结果的变化。利用经典微弱光信号检测方法和处理技术，提高从强噪声中提取物光信号的效率，从而提高微弱光鬼成像的成像质量和效率。采用小波去噪技术消除强噪声对目标信号的干扰，提高最终成像的信噪比；同时考虑压缩感知、二值化等常用算法对微弱光鬼成像质量的影响，扩大这些算法的应用范围。同时针对不同的干扰类型，我们也发展了不同的微弱光鬼成像处理算法，包括散射引发的物光变弱下提出了二值化的方案，反而是的散射介质可以对成像结果起到积极作用；大气湍流干扰下的鬼成像中，提出了桶探测器的收光模型和定量范围；近场气流导致的随机抖动问题，我们首次提出了基于小样本数的算法，成像质量大大提升；且我们给出了鬼成像系统能容忍的最大随机抖动振幅，该结果有助于机载鬼成像雷达应用中评估随机抖动带来的影响；粗糙表面反射物体的散射同样会导致反射的物光变弱，成像质量会严重的下降，针对这一问题，我们提出了利用Hadamard等调制光源来实现粗糙物体的鬼成像方案，成像信噪比大大提高。所建的微弱光鬼成像理论完善了鬼成像理论中的缺失，所提出的微弱光鬼成像下的一些具体问题的处理方案和方法有助于我们解决具体干扰引发的微弱光鬼成像问题。