隨著現(xiàn)代探測手段的發(fā)展和光學(xué)系統(tǒng)的完善磨澡，人們對光子探測和數(shù)字電路處理技術(shù)也愈發(fā)成熟。Qutools质和、Scontel和Aurea等高科技
公司研發(fā)了一系列高精度高效率的單光子探測器和時(shí)間相關(guān)計(jì)數(shù)器等產(chǎn)品稳摄。它們在科研領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。而本文將重點(diǎn)介紹它
們的一種組合應(yīng)用：非視域關(guān)聯(lián)成像侦另。包括具體實(shí)驗(yàn)案例及相關(guān)綜述性知識(shí)秩命。
非視域成像，即觀測在可視區(qū)域外物體的方式——比如藏于拐角或者墻角后面褒傅、煙霧或者大氣端流后面的物體弃锐。
非視域成像在未來將會(huì)有著非常廣泛的應(yīng)用前景，如：軍事和救援領(lǐng)域中殿托，如果敵人埋伏在房間內(nèi)或者墻角邊霹菊，此時(shí)非視域成像就能夠
提前捕捉到敵人的位置信息。在搜救過程中，該技術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)被掩埋的傷者旋廷。此外鸠按，也可以應(yīng)用到人工智能的無人駕駛技術(shù)以提高
其安全性。因此饶碘，無論是在民用領(lǐng)域或者是軍事領(lǐng)域目尖，對非視域成像的研究都具有重要的意義。
非視域成像大致分為兩類扎运， 一類為散射介質(zhì)遮擋瑟曲；另一類是 拐角物體。
其典型的成像方法—關(guān)聯(lián)成像豪治，又稱“鬼成像”（ghost imaging, GI）洞拨， 是一種利用光場在空間上的二階相關(guān)性對目標(biāo)物體表面信
息進(jìn)行重構(gòu)的新型成像技術(shù)。下面是基于這一原理的具體實(shí)驗(yàn)负拟。
基于時(shí)間相關(guān)對視域外物體的探測實(shí)驗(yàn)
應(yīng)用產(chǎn)品：時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器tcspc烦衣、（超導(dǎo)）單光子探測器
可以搭建一套基于時(shí)間相關(guān)的非視域探測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對視域外物體的高精度的定位掩浙，并初步得到物體的表面輪廓花吟。
實(shí)驗(yàn)過程：超快脈沖激光器發(fā)射出脈沖激光，經(jīng)掃描振鏡反射后照射在中介墻面上涣脚，經(jīng)墻面漫反射后部分散射到達(dá)拐角處的物體示辈，再經(jīng)
過物體表面反射后極小部分?jǐn)y帶著物體信息的光返回墻面被單光子探測器（SPAD）所接收。脈沖激光器的電同步信號(hào)與探測器探測到
的光子產(chǎn)生的脈沖序列遣蚀，分別接入TCSPC模塊的“開始”與“結(jié)束”通道矾麻，得到光子—時(shí)間的時(shí)間直方圖，基于時(shí)間直方圖的信息芭梯，
通過橢球?qū)游鏊惴纯芍貥?gòu)出拐角處物體的信息险耀。
圖4.2.1實(shí)驗(yàn)裝置圖
上述實(shí)驗(yàn)圖為山東大學(xué)孫寶清教授組的實(shí)驗(yàn)場景及成像結(jié)果圖。而下文則是國防科技大劉偉濤教授課題組對該領(lǐng)域的進(jìn)一步綜述玖喘。
一甩牺、關(guān)聯(lián)成像相關(guān)背景。
關(guān)聯(lián)成像累奈，又稱鬼成像贬派，是一種利用光場高階關(guān)聯(lián)獲取物體信息的成像技術(shù)。在關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)中澎媒，有兩束相互關(guān)聯(lián)的且具有隨機(jī)漲落的
光搞乏，如圖1所示。一束稱為參考臂光戒努，經(jīng)自由傳播后的光強(qiáng)分布被記錄下來请敦；另一束稱為物臂光，經(jīng)過物體后由一個(gè)沒有空間分辨能力
的點(diǎn)探測器收集。兩路光均不能單獨(dú)獲得物體圖像侍筛，而物體圖像可以通過兩路光的關(guān)聯(lián)得到萤皂。關(guān)聯(lián)成像具有高靈敏、抗干擾等特點(diǎn)匣椰，在
生物醫(yī)學(xué)裆熙、遙感成像等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。
圖1 關(guān)聯(lián)成像示意圖
由于使用了沒有空間分辨能力的點(diǎn)探測器禽笑，關(guān)聯(lián)成像需要多次采樣來重構(gòu)物體的二維或三維圖像弛车，成像過程需要一定的時(shí)間，在此期間
物體和成像系統(tǒng)的相對運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量退化蒲每。而在很多實(shí)際應(yīng)用場景中，常常需要對運(yùn)動(dòng)物體成像喻括，如活細(xì)胞成像邀杏、安全監(jiān)控、自
動(dòng)駕駛唬血、空中預(yù)警等望蜡。如何提升對運(yùn)動(dòng)物體成像的能力是關(guān)聯(lián)成像走向應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵問題之一。
二拷恨、運(yùn)動(dòng)物體關(guān)聯(lián)成像技術(shù)手段
首先是提升成像速度脖律，對運(yùn)動(dòng)物體成像，唯快不破腕侄。影響關(guān)聯(lián)成像速度的因素主要包括光源刷新頻率和成像算法耗時(shí)小泉。因此提升關(guān)聯(lián)成
像速度的思路有提升光源刷新頻率、開發(fā)實(shí)時(shí)算法兩個(gè)技術(shù)方向冕杠。
現(xiàn)階段關(guān)聯(lián)成像常用的光源調(diào)制器件包括毛玻璃微姊、數(shù)字微鏡器件、LED陣列分预，最快刷新頻率可以達(dá)到100MHz量級(jí)兢交。近年來出現(xiàn)的波導(dǎo)
相位調(diào)制集成光路等技術(shù)使得光源調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了固態(tài)化（見圖2）。本課題組也自主研制了大功率笼痹、刷新頻率可達(dá)幾十kHz的高性能
可編程贗熱光源配喳，對一定距離的室外運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)實(shí)時(shí)成像。在成像算法方面凳干，壓縮感知和機(jī)器學(xué)習(xí)大幅減少了成像所需采樣次
數(shù)晴裹，提升了關(guān)聯(lián)成像速度。同時(shí)纺座，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)成像息拜，減少算法的耗時(shí)也是值得關(guān)注的問題。
圖2 硅基芯片耦合多模光纖的二維贗熱光源及成像裝置示意圖
其次，根據(jù)實(shí)際場景優(yōu)化成像策略少欺，也可以提升關(guān)聯(lián)成像速度喳瓣。通過設(shè)計(jì)照明方式，關(guān)聯(lián)成像獲取物體信息的方式比傳統(tǒng)成像更加靈
活≡薇穑現(xiàn)有方法有使用凹式散斑照明畏陕、反饋式成像、自適應(yīng)壓縮關(guān)聯(lián)成像等仿滔。這些方法都為運(yùn)動(dòng)物體關(guān)聯(lián)成像提供了很好的借鑒惠毁。結(jié)合關(guān)
聯(lián)成像本身特點(diǎn)，將運(yùn)動(dòng)物體的速度崎页、位置和稀疏性等先驗(yàn)信息用于圖像重構(gòu)鞠绰，可以實(shí)現(xiàn)在物體運(yùn)動(dòng)過程中逐漸獲取物體清晰的圖像。
此時(shí)將不再要求成像系統(tǒng)在物體準(zhǔn)靜止的時(shí)間內(nèi)完成采樣飒焦，從而可以大幅提升關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)對快速運(yùn)動(dòng)物體追蹤和成像的能力蜈膨。例如，
對于勻速運(yùn)動(dòng)物體牺荠，當(dāng)圖像重構(gòu)算法中的補(bǔ)償速度和物體運(yùn)動(dòng)速度越接近翁巍，成像質(zhì)量越高。因此以圖像質(zhì)量為判據(jù)休雌，可以估計(jì)物體的運(yùn)
動(dòng)速度灶壶，然后再以物體運(yùn)動(dòng)速度為先驗(yàn)信息，可以再物體運(yùn)動(dòng)過程中逐漸獲得物體圖像（見圖3）杈曲。
運(yùn)動(dòng)物體的位置比圖像信息量少驰凛，可以更快、更容易獲得担扑。因此洒嗤，在不同時(shí)刻通過少量采樣獲得物體模糊的圖像，通過計(jì)算不同時(shí)刻圖
像之間的互相關(guān)魁亦，可以得到對應(yīng)時(shí)刻物體的位移渔隶。然后將位移用于圖像重構(gòu)，在物體運(yùn)動(dòng)過程中逐漸獲得了物體的清晰圖像（見圖
4）洁奈。該方法對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體同樣有效间唉。此外，將深度學(xué)習(xí)與該方法結(jié)合利术，可以進(jìn)一步提升關(guān)聯(lián)成像對運(yùn)動(dòng)物體的追蹤成像能力呈野。
圖4 基于時(shí)域相關(guān)的運(yùn)動(dòng)物體關(guān)聯(lián)成像結(jié)果
（a）不同位置的物體；（b）傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)成像的結(jié)果印叁；（c）基于時(shí)域相關(guān)的關(guān)聯(lián)成像結(jié)果
當(dāng)空間稀疏的物體在不隨時(shí)間變化的散斑中運(yùn)動(dòng)時(shí)被冒，物體的運(yùn)動(dòng)信息被編碼在桶探測信號(hào)的漲落性質(zhì)中军掂，此時(shí)利用稀疏約束算法和機(jī)器
學(xué)習(xí)，以物體的稀疏性為先驗(yàn)昨悼，可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)物體的計(jì)數(shù)和成像[8]（見圖5）蝗锥。
圖5 Ghost cytometry計(jì)數(shù)原理示意圖[8]
三、未來的方向與挑戰(zhàn)
現(xiàn)階段率触，關(guān)聯(lián)成像技術(shù)正朝著更高分辨率终议、更遠(yuǎn)工作距離、更大視場葱蝗、更強(qiáng)魯棒性的方向不斷拓展穴张。針對運(yùn)動(dòng)物體，關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)還需
要發(fā)展更高效的信息獲取能力两曼，以更快地獲取目標(biāo)信息皂甘。具體到科學(xué)技術(shù)問題，主要包括制備高性能的光源悼凑、開發(fā)更先進(jìn)的實(shí)時(shí)算法和
研制更高靈敏度的探測器叮贩。關(guān)聯(lián)成像信息獲取方式靈活，探測器響應(yīng)速度快佛析、靈敏度高，因此可以預(yù)期彪蓬，關(guān)聯(lián)成像的發(fā)展將給遠(yuǎn)距離寸莫、
大視場、弱回波場景中運(yùn)動(dòng)物體成像帶來新的機(jī)遇档冬。
（聲明：本文綜述自山東大學(xué)張澤鑫（孫寶清教授組） 碩士論文膘茎、國防科技大學(xué)劉偉濤教授課題組《運(yùn)動(dòng)物體關(guān)聯(lián)成像研究現(xiàn)狀及展
望》等文章；其科研相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備本公司可提供酷誓，文中高亮標(biāo)出披坏，價(jià)格優(yōu)惠，性能優(yōu)異盐数，如有需要棒拂，歡迎采購！）
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