我國科學家實現1.36公里外毫米級目標的高分辨成像

中國科學技術大學網站消息，5月9日，中國科學技術大學潘建偉、張強、徐飛虎等人聯合美國麻省理工學院、中國科學院西安光學精密機械研究所等單位，首次提出並實驗驗證了主動光學強度干涉技術合成孔徑技術，實現了對1.36公里外毫米級目標的高分辨成像。

實驗系統的成像分辨率較干涉儀中的單台望遠鏡提升約14倍。該成果以“Active Optical Intensity Interferometry”為題發表在國際學術期刊《物理評論快報》上，被選為編輯推薦論文（Editors’Suggestion），並被美國物理學會（APS）下屬網站Physics所報道。

傳統成像技術的分辨率受到單個孔徑衍射極限的制約。為突破這一物理極限，研究人員長期致力於發展各類合成孔徑成像技術。例如，2019年事件視界望遠鏡（EHT）構建了一個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。這一開創性成果榮獲了2020年基礎物理學突破獎。然而，由於大氣湍流引起的相位不穩定性，EHT所採用的基於振幅干涉的合成孔徑技術很難直接應用於光學波段。早在20世紀50年代，英國科學家Hanbury Brown和Twiss（HBT）共同提出了強度干涉成像技術，並於1956年成功實現天狼星直徑的測量。與振幅干涉技術相比，利用熱光二階干涉性質的強度干涉技術對大氣湍流和望遠鏡光學缺陷不敏感，應用於光學長基線合成孔徑成像具有獨特優勢。儘管如此，當前強度干涉技術仍侷限於恆星成像等被動成像應用。為了實現遠距離非自發光目標的高分辨率成像，並抵抗大氣湍流，結合主動照明的強度干涉技術成為了一個極佳的候選方案。然而，由於缺乏有效的遠距離熱光照明方案和魯棒的圖像重建算法，強度干涉技術應用於主動合成孔徑成像領域仍具有挑戰性。

實驗系統示意圖

針對上述難題，本研究團隊創新性地提出了主動光學強度干涉技術，開發了一種多激光發射器陣列系統，通過大氣湍流的自然調製，巧妙地合成多個相位獨立的激光束以實現遠距離贗熱照明。如上圖所示，在1.36公里城市大氣鏈路外場實驗中，研究團隊使用8個相互獨立的激光發射器構建發射陣列照射目標，相鄰發射器間距為0.15米，大於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過大氣傳播後具有獨立且隨機的相位變化。同時，構建的接收系統由兩台可移動的望遠鏡組成0.07-0.87米的干涉基線，結合高靈敏度的單光子探測器以測量目標反射光場的強度關聯信息。研究團隊還開發了魯棒的圖像恢復算法，最終成功重建出具有毫米級分辨率的目標圖像。

該工作為遠距離、高精度的遙感成像和日益重要的空間碎片探測等應用場景開闢了新的可能性。《物理評論快報》審稿人高度評價該成果，認為“該論文在遠距離大氣高分辨率成像問題上取得了重大進展”（“the paper makes a significantadvance in the issue of high-resolution imaging through the atmosphereat extended distances”）。

該研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院、科技部、上海市和安徽省的大力支持。博士研究生劉陸川和博士後吳騁、李偉為共同第一作者。