來源：學習軍團·解放軍新聞傳播中心融媒體 作者：解放軍報記者 王握文 通訊員 毛元昊 成 昕
國防科技大學文理學院教授劉偉濤為您講述——
關聯成像：“抓拍”看不到的物體
■解放軍報記者 王握文 通訊員 毛元昊 成 昕
●它是受量子糾纏啟發誕生的一種新型成像技術
●它能穿雲辨物為看不見摸不著的物體拍照留存
●它在感知、探測、安全等領域有著廣泛應用前景
關聯成像原理示意圖
對看不到的物體，也能拍出一張清晰照片？
沒錯！這一奇特的成像原理，起源於量子糾纏特性——兩個有相互作用的微觀粒子之間存在著高度關聯的糾纏關係。20世紀末，科學家利用量子糾纏的特性，透過研究與實驗，發明了“量子成像”技術。
這是一種非直接式的關聯成像技術。有意思的是，受量子糾纏啟發而誕生的這一新興技術，隨著研究深入和實現方式變換，其稱呼已由“量子成像”變為名副其實的“關聯成像”。
人物模型、無人機、建築物關聯成像效果圖
從“糾纏”到“關聯”，撩開成像的神秘面紗
量子是最小的、不可再分割的能量單元，量子體系的神奇特性是量子疊加與量子糾纏。後者可使相互獨立的粒子緊密關聯在一起，無論相隔多遠，當一個體系的狀態發生變化，對與之糾纏的另一個體系的測量結果就會表現出相應變化。
最早的關聯成像研究，是利用量子糾纏特性實現關聯成像的。因為，光子是目前最容易利用和操控的量子體系之一。“糾纏光子對”猶如一對心有靈犀的“孿生兄弟”，當其中一個光子捕捉到目標資訊並進入單畫素探測器時，另一個光子不論它在什麼位置，其“孿生兄弟”的資訊都能被測量出來，從而實現“憑空”成像。
量子糾纏特性，打開了探索關聯成像的科學之門，但要真正實現起來並不容易。因為，受複雜的外部環境擾動，微弱的糾纏態光子很容易淹沒在茫茫“噪聲”中。
科學家在隨後的研究與實驗中發現：“糾纏光子對”在傳播方向和照射位置上，都存在非常緊密的聯絡。這種關聯性極強的特點，讓科學家茅塞頓開：只利用方向與位置兩個自由度之一的關聯性，也許能實現關聯成像。
真可謂“沒有做不到，只有想不到”。本世紀初，科學家運用最常見的熱光，實現了關聯成像的重要突破。隨後，腦洞大開的科學家又利用“贗熱光”完成了關聯成像實驗——他們將鐳射打在旋轉的毛玻璃上，使透過毛玻璃的光形成“贗熱光”，再利用“贗熱光場”的漲落特性，居然實現了比“糾纏光子對”更好的成像效果。
從“糾纏”到“關聯”，這一嶄新的成像方式終於撩開其神秘面紗，開始走入更廣泛的應用場景。
不僅是一種藝術，更是一種新興技術
攝影是“光與影的藝術”，而關聯成像不僅是一種藝術，更是一種新興技術。隨著對這種成像機理研究的深入，其應用研究進入一個蓬勃發展期。
與傳統光學成像相比，關聯成像具有穿雲辨物、明察秋毫的成像本領。
靈敏度高，能對小目標遠距離成像。傳統成像中，目標回波能量分配到探測器的多個畫素上，而關聯成像使用桶探測器進行強度收集，可突破傳統光學的靈敏度極限。桶探測器只需記錄總光強值，因而響應更快。在關聯成像中，採用靈敏度高的單畫素探測器，其探測靈敏度可達到單光子水平，甚至在平均光子數小於1的條件下獲得目標影象。這就大大降低了對光強度的要求，在生物醫學成像、遠距離偵察成像中有非凡價值。
抗干擾性強，可削弱成像鏈路的散射影響。傳統攝影成像遇到惡劣環境，光場的畸變會使成像質量大打折扣。而關聯成像的探測器不需進行空間分辨，只需收整合像物體反射的總光強，就能抵抗光場畸變帶來的部分干擾。即便在惡劣環境中，也能獲得物體影象。此外，使用兩路光場關聯、成像重構的方法，也能在一定程度上消除成像過程中散射帶來的影響。
單畫素成像，可實現多個波段成像探測。由於沒有成像透鏡或是成熟的陣列探測器，傳統成像技術對微波、太赫茲波、X射線等波段難以實現類似光學波段的成像，而關聯成像利用一個單畫素探測器，結合光場調製就能做到無透鏡成像，為上述波段成像探測提供了新的可行手段。
未來應用前景廣泛，有望打造成戰場上的“火眼金睛”
不同於傳統成像那樣“見”物才能成像，關聯成像是透過“計算”成像，其無懼干擾、成像靈敏的特性和能力，使其在感知、探測、安全等領域有著廣泛的應用前景，在軍事上有望成為未來戰場“遊戲規則”的改變者。
可讓隱形飛機現形。現代戰爭中，戰鬥機隱形效能已成為空戰中的一大優勢。它透過吸波材料和外形最佳化，降低雷達電磁波的反射截面，使雷達難以偵測發現。如果是在光學波段條件下，隱形飛機就難以隱形了。基於關聯成像的探測系統，能對隱形飛機弱回波訊號進行有效收集和成像。
可穿透戰場硝煙迷霧。一般情況下，當光透過生物組織、煙塵和雲霧等強散射介質時，傳統的光學成像難以實現對目標的觀測和成像。關聯成像受光的散射與畸變影響小，只需測量回波強度，就能實現抗散射成像。在戰場複雜環境中，它可穿透戰場硝煙迷霧，實現對戰場的偵測成像。據報道，美軍透過關聯成像系統研究，已能獲得2公里外目標的清晰影象。
可實現影象資訊保安傳輸。影象資訊的安全傳輸已成為確保軍事行動成功的關鍵之一。傳統技術手段的影象資訊在攔截、攻擊下難以做到萬無一失。關聯成像透過對兩條光路測量和計算獲得影象，大大增強了自身保密性。如果在影象傳輸中嵌入金鑰，外人將很難破譯。
（學習軍團·解放軍新聞傳播中心融媒體出品）
