鬼成像为激光雷达带来灵活技术方案

　　作者薄遵望1，陈明亮1，邓陈进1，王成龙1，龚文林2，韩申生1
　　1中国科学院上海光学精密机械研究所
　　2苏州大学
　　一、什么是激光鬼成像？
　　激光鬼成像雷达（又称为激光强度关联成像雷达）是一种基于光场高阶相关性原理的凝视成像雷达。它通过成像视场内的光场时空涨落对辐照目标进行编码，同时在接收端用无空间分辨能力的单像素探测器获取目标回波的能量涨落，然后通过计算辐照光场与回波信号间的时空涨落关联重建目标的三维图像信息〔1〕（如图1）。
　　从直观的角度，激光鬼成像的工作过程可以描述为：发射端发射一系列类似二维码的空间编码光场，每幅编码光场的空间花样各不相同，即所谓的时空涨落光场。当空间编码光场照射到目标上并被反射时，接收端用接收望远镜收集目标反射波并集中到一个单像素探测器上记录回波能量大小。在这个过程中，空间分布与目标分布吻合度高的编码光场的回波能量自然就高，反之回波能量便低，这样就在回波能量的高低涨落中包含了目标的空间分布信息。最后利用编码光场与回波信号之间的相关性，通过计算的方法便可以解调出目标信息。因此，激光鬼成像的特点可以概况为：多次空间编码辐照、回波单点集中探测以及计算重建图像。
　　图1（a）激光鬼成像原理示意图。（b）激光鬼成像原理样机。（c）激光三维鬼成像结果，图中不同颜色代表不同距离信息。
　　二、激光鬼成像技术特征
　　相较于传统激光点扫描成像（如MEMS、OPA等）和焦平面成像（如Flash、SPADArray等）而言，激光鬼成像雷达是一种更基本、更普适的成像技术。因为点扫描和焦平面成像本质上也是一种空间编码探测方案，即点扫描是空间逐点编码，而均匀闪光照明则是空间整体（直流）编码。虽然通常所说的鬼成像一般指代介于空间逐点扫描探测和单次曝光焦平面探测之间的编码探测成像，但对于鬼成像理论的研究大多可以自然推广到传统点扫描和焦平面成像方案中去。
　　成像原理的普适性，为激光鬼成像探测能力的灵活性和高效性奠定了基础。与压缩感知和信息论等现代信息理论相结合，激光鬼成像雷达可以同时具备较高的探测灵敏度和图像信息获取效率。相较于几大主流激光雷达，激光鬼成像雷达的技术特征主要体现在如下几个方面：
　　1hr探测距离介于点扫描和焦平面成像之间
　　在相同的激光发射功率和探测灵敏度（通常由探测器决定）下，点扫描成像（包括MEMS和OPA等方案）由于每次发射能量和接收能量都集中在一个点上，无疑具有最大作用距离。而焦平面闪光成像（包括Flash和SPADArray阵列等）则是发射能量和接收能量分别分散在物面及像面的整个探测视场内，能量的分散自然降低了焦平面成像的最远作用距离。
　　激光鬼成像采用的是成像视场内的空间编码辐照和单点集中探测，虽然发射能量分散了，但探测时所有的目标回波又集中到了一个单像素探测器上，因而鬼成像的探测距离通常介于激光点扫描和焦平面成像之间。实际应用中，针对特定场景灵活设计时空编码方案，可实现不同作用距离的激光鬼成像系统。
　　激光点扫描成像所获取的三维图像通常是分立点云图，其空间分辨率受限于扫描间隔，很难达到光学系统的衍射极限。而激光鬼成像的图像分辨率则和焦平面闪光成像一样，都由光学系统的衍射极限决定，因此其重建三维图像的连续性和分辨率要远好于扫描成像得到的点云图。
　　2hr具有较高的图像信息获取效率
　　激光鬼成像的散斑场随机采样模式正好符合压缩感知理论的采样要求，这就为压缩采样（测量信号数量小于图像像素数）奠定了基础〔2〕。
　　基于压缩感知理论的鬼成像研究表明，当图像重建过程中充分考虑目标在空间域或其他表象域的稀疏性等先验信息时，鬼成像可以在欠采样的情况下实现接近系统衍射极限的图像重建。而且目标场景越稀疏，采样压缩率就越高。
　　例如当成像视场内大部分都是均匀背景，目标只占成像视场的一小部分时，这种稀疏场景下激光鬼成像只需要少量采样便可使图像重建趋于收敛，从而及时结束采样。而对于扫描成像来说，即使成像目标在视场内是稀疏的，但由于无法确定目标在视场内的具体位置，所以需要将整个视场扫描完以后（满采样）才能最终确定目标信息。因此，激光鬼成像的作用距离虽然不及点扫描成像，但其采样的信息获取效率却远高于激光点扫描成像。
　　3hr具有良好的抗干扰能力
　　激光鬼成像能够抵抗杂散光干扰的核心因素在于成像过程中的空间编码探测和图像重建中的时空关联计算。这既包括空间维度上的编码和关联，也包括时间维度上的编码和关联。
　　首先在空间维度上，激光点扫描和焦平面成像属于编码方案的两个特例，两者都已丧失了空间分布上的特殊性和唯一性，因此探测中很难通过信号身份识别来判断回波是干扰光还是信号光，易受杂散光干扰。而编码方案介于两者之间的鬼成像因为采用了一系列独特的时空编码，可以在计算重建时通过光场时空相关性有效滤除环境中杂散光的干扰。另外，不同激光雷达间的编码方案也是独立不关联的，所以不同设备间的同波长光信号干扰问题也可以在鬼成像中得到很好的解决。
　　其次在时间维度上，传统激光雷达为了解决不同设备间的光信号干扰问题，一般采用相干探测和时间编码等方案，而这要依赖于时间维度上的高速采样，目前受限于探测器工艺和数据传输带宽限制，只能在单探测器接收的点扫描体制下实现，这无疑大大限制了传统激光雷达的发展空间。激光鬼成像作为一种单点探测的编码成像方案，可以全面运用时空多维调制，目前基于光学相干探测的鬼成像已经实现了工作波段30dB信干比的成像探测〔3〕。
　　4hr灵活的任务驱动型成像框架
　　针对具体的任务需求，目前的做法是通过特定算法从冗余的目标场景图像中提取出所需任务信息。基于任务定义的信息光学成像系统能够在相同的能量约束下做到信息论意义下的任务信息获取效率最优。激光鬼成像的整个成像过程可看作光场的调制解调过程，这与信息论模型非常契合。相关研究表明，通过计算成像系统的互信息和Fisher信息可定量表征鬼成像系统的信息传输能力和信息提取保真度〔4〕。因此可以通过优化系统参数，实现系统的最大化信息提取能力。
　　先进而成熟的理论加上灵活多变的成像框架，使得激光鬼成像可以根据具体的成像探测任务进行定制型方案设计，与神经网络结合，可实现基于光学神经网络的高效探测识别，大大缓解无人驾驶等激光雷达应用场景中对于算力的需求。激光鬼成像不但可以根据任务需求灵活设计探测方案，而且在成像探测过程中还可以根据目标场景的不同而自适应地调节编码光场的空间分布形式和位置，一方面节省探测资源，另一方面提高探测的时效性〔5〕。
　　三、激光量子鬼成像未来展望
　　鬼成像作为一种普适的成像理论，通过优化光场的时空涨落，可以灵活应对各类应用场景提出的需求，为技术发展中可能出现的种种未知问题留下了较大的应对空间〔6〕。目前在低成本探测器和片上可编程激光光源等先进光电器件的推动下，激光鬼成像在自动驾驶、工业检测等领域也获得了较多关注。作为一种无扫描成像方案，激光鬼成像便于实现固态化、小型化，具有系统简单、结构稳定等优点，因此具有良好的开发价值。
　　参考文献：
　　1。Simon，D。S。，G。Jaeger，andA。V。Sergienko，Quantummetrology，inQuantumMetrology，Imaging，andCommunication。2017，Springer。p。91112。
　　2。龚文林，etal。，面向实际应用的GISCLidar近期研究进展与思考〔J〕。红外与激光工程，2018。47（3）：p。3020010302001（7）。
　　3。Pan，L。，etal。，Experimentalinvestigationofchirpedamplitudemodulationheterodyneghostimaging。OpticsExpress，2020。28（14）：p。2080820816。
　　4。Hu，C。，etal。，CorrespondenceFouriertransformghostimaging。PhysicalReviewA，2021。103（4）：p。043717。
　　5。Liu，B。，etal。，Selfevolvingghostimaging。Optica，2021。8（10）：p。13401349。
　　6。刘伟涛，etal。，运动物体关联成像研究现状及展望〔J〕。激光与光电子学进展，2021。58（10）：p。1011001。
　　作者简介
　　薄遵望，中国科学院上海光学精密机械研究所，副研究员
　　陈明亮，中国科学院上海光学精密机械研究所，副研究员
　　邓陈进，中国科学院上海光学精密机械研究所，助理研究员
　　王成龙，中国科学院上海光学精密机械研究所，博士后
　　龚文林，苏州大学，教授
　　韩申生，中国科学院上海光学精密机械研究所，研究员