亮点 | 信息探测瞬息万变，时域鬼像潜力无限
本文为中国激光第2228篇。
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编者按
2021年是山东大学建校120周年，也正值山东大学光学学科成立逾50周年之际，《中国激光》特别组织策划山东大学百廿校庆之“山大光学50年”纪念专辑，邀请山大校友及校外支持专家撰稿，集中展示山大光学学科的最新研究成果。本专辑将于2021年6月正式出版，请多多关注！
专辑遴选7篇“亮点文章”。本文来源于山东大学信息科学与工程学院孙宝清教授课题组，文章主要介绍了时域鬼成像技术的基本原理及其相关应用的发展历程。
随着科学技术的迅速发展，我们正在进入一个全新的万物互联新时代。越来越多终端设备的接入，导致通信容量和速率的需求急剧增长。作为信息的重要载体，高速光信号对通信信道和探测设备都提出了新的要求，使传统的光信号探测方法受到了严峻的挑战。
空域鬼成像，即传统意义上的鬼成像，是一种基于光的高阶关联探测的成像手段。如图1(a)所示，其基本原理如下：激光器通过旋转的毛玻璃产生具有空间分布的结构光照明，并由分束器分为完全相同的两路。其中一路照明物体后被不具备空间分辨能力的桶探测器探测，另一路由一个具备空间分辨能力的相机记录。两路信号通过关联运算获取物体的空间信息。
空域鬼成像的发展经历了从量子鬼成像到经典鬼成像的过程。1995年，科研人员首次在实验上实现了基于纠缠光源符合测量的量子鬼成像。2002年，人们利用经典光源实现了鬼成像，提出纠缠光源并非实现鬼成像的必要条件。
此后，计算鬼成像、高阶鬼成像、差分鬼成像、归一化鬼成像等工作进一步丰富了鬼成像的实验方案，促进了该技术在X射线成像、太赫兹成像、三维成像、压缩感知技术等诸多领域的实际应用。
时域鬼成像是在传统的空域鬼成像技术上发展而来的。从时空二元性的角度出发，科研人员于2016年首次在实验上实现了时域鬼成像。如图1(b)所示，其基本原理如下：激光二极管发射的具有随机强度涨落的光耦合进光纤，由光纤分束器分为完全相同的两路。其中一路与时域物体相互作用后，被慢速探测器接收，另一路由快速探测器记录下强度波形。两路信号通过关联运算获取时域物体的时间信息。
时域鬼成像探测光路中探测器仅对光的能量进行收集，对时域目标在发射、传输和探测过程中受带宽限制产生的信号失真有较强的鲁棒性，能够使用低带宽探测器实现对高时间分辨率的时域目标的探测，在超快信号探测、长距离光纤传感、信息安全等领域有着重要的应用前景。
超快信号探测
传统时域鬼成像中，时域信号的时间分辨率最终是由光源的随机波动时间以及参考光路快速探测器的响应时间共同决定的。实验中，通常需要使用能够响应光源随机强度波动时间的高速探测器来实现对参考光波形的记录，这在一定程度上限制了时域鬼成像对超快时间信号的探测。
为了解决这一问题，实现不同场景下超快时间信号的探测需求，研究人员进行了大量的研究，提出了一系列的技术方案。
2017 年，科研人员提出了放大时域鬼成像方案，采用宽频带的时间非相干光源，在参考光路中利用光纤色散将光脉冲在时域上进行展宽，从而可以用带宽相对较低的探测器探测到更高速的光脉冲，提高了系统的时间分辨率[图2(a)]。
2018年，国防科技大学课题组借助高速调制器实现了单光路的计算时域鬼成像，分析了探测光路的低速探测器的带宽对时域鬼成像结果的影响，验证了仅用1 kHz的低带宽探测器重构恢复50 ns时间分辨率的数字光信号的实验[图2(b)]。
2019年，研究人员借助波长转换的思想，将激光通过倍频转移到可使用超快探测器的1 μm光谱区域，实现了2 μm波段的时域鬼成像，这为无法使用快速探测器的光谱区域的超快成像提供了参考[图2(c)]。
2020年，作者团队与合作者开展了计算时域鬼成像在通信领域的相关研究，我们将随机强度涨落的光束对时域物体的作用通过数字调制的方式来实现，提出了基于计算时域鬼成像算法的可见光通信方案并进行了实验验证[图2(d)]。
在此基础上，我们还提出了一种基于计算时域鬼成像和低带宽高灵敏度雪崩光电二极管的水下无线光通信方案。
在水下长距离光通信中，光信号的衰减使得接收端的接收功率降低，导致传输信噪比较差，从而影响通信性能。实验以超出系统带宽限制的频率发射信号，并使用低带宽探测器来探测高频信号，克服了系统的带宽限制；同时，探测器具有较高的探测灵敏度，适合对微弱信号的探测，扩展了水下通信的工作距离。
图3展示了该系统在144.37 m的等效通信距离下，信号发射频率为4 GHz的实验结果。可以看出，直接传输接收的信号已经完全失真；相比而言，基于计算时域鬼成像的重构信号失真较小，与原始信号相似度极高。
光纤探测应用
在传统时域鬼成像方案中，双光路或光纤的长度需保持一致，从而保证高速探测器探测到的光强与入射到时域物体上的光强一致。
然而，在光纤传感系统的实际应用中，时域物体距离通常较远且位置多变，双臂结构使得系统的灵活性降低且增加了成本。虽然借助高速调制器可以产生时域随机的输入光场从而实现单光路的计算时域鬼成像，但是调制器有限的带宽仍旧限制了信号的时间分辨率。
针对这一问题，科研人员对光源时域强度和探测路总光强之间的互相关进行了计算，并通过测量光源光谱计算出系统的传递函数，利用傅里叶去卷积的方法，得到强度探测的计算时域鬼成像，实现了在单根200 km单模光纤上的时域信号探测。
由于光子在长距离光纤中会发生时间色散，科研人员利用双路径光子对之间的频率相关性，通过对双路径光子对之间的符合测量，先后利用量子光源和热光源在光纤上实现了长距离的时域鬼成像传输。时域鬼成像方案与光纤网络之间的良好兼容性，促进了计算时域鬼成像在光纤通信及光纤传感系统中的应用。
空间复用鬼成像及应用
与空间鬼成像类似，时域鬼成像也需要进行多次重复测量来重构时间信号。这一特点使其限制在对可重复或周期信号的测量，且需要花费更多的时间成本，在一定程度上限制了时域鬼成像的应用场景。
针对这一问题，2016年科研人员提出了空间复用的计算时域鬼成像方案，将时域鬼成像的串行测量转移到空间中进行并行测量，实现了对非周期信号的时域鬼成像。
在此基础上，我们基于调制图案的空间分布和顺序的多样性，提出了基于空间复用计算时域鬼成像的信息安全方案。
总结
从鬼成像基础上发展而来的时域鬼成像，作为一种新的信号探测手段，能够使用低带宽探测器实现对高时间分辨率的时域目标的探测，与光纤网络有着良好的兼容性，为快速信号在通信系统和光纤传感系统中的传输与探测提供了一种新的手段。目前，相关研究多处于理论验证阶段。相信随着研究的深入，会有更多的应用工作来探讨与挖掘其实际应用方案与价值。
课题组介绍
山东大学孙宝清教授课题组主要研究方向为基于光场调控的计算成像与新型成像技术。课题组立足基础研究，关注成像技术实际应用问题，依托山东大学光学工程一级学科及激光与红外教育部重点实验室，在单像素成像与鬼成像、关联探测计算成像、非视域成像等领域开展了系列工作。自2016年成立以来，课题组承担国家重要科研项目若干项，在单像素成像、时域鬼成像等方向发表系列学术文章。
科学编辑 | 孙宝清 王玉鹏
编辑 | 沈灵灵
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