科學家提出並驗證了一種弱白光圖像非線性重構方法
近期，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室研究員劉紅軍課題組在光學隨機共振弱光圖像重構方面取得新進展，於11月4日在美國物理學會（APS）旗下期刊Physical Review Applied上以White-light image reconstruction via seeded modulation instability為題發表論文，提出並驗證了一種弱白光圖像非線性重構方法，對散射雜訊環境目標探測有重要意義。
光學圖像信號在散射介質中傳輸時易受到強散射雜訊干擾，導致成像對比度和解析度嚴重降低。傳統的弱光成像通常採用濾波等方式濾除部分散射光來提高成像質量，但往往在雜訊濾除的同時會損失部分信號分量、丟失圖像細節信息，且當圖像信號被強散射雜訊完全湮沒時，提取和探測弱光圖像信號非常困難，傳統弱光探測技術顯得無能為力。因此，探索發展新原理、新方法和新技術，實現被強雜訊湮沒的弱光信號提取和重構是弱光信號處理和探測領域亟待解決的基礎科學問題和急需突破的重要技術瓶頸。
光學隨機共振利用非線性光學效應使信號和雜訊發生非線性耦合，在信號光誘導下散射雜訊能量向信號轉移，達到被測信號信噪比提升的目的，實現被強雜訊湮沒的弱光信號提取和重構。隨機共振揭示了雜訊獨特的可利用性，顛覆了人們長期以來認為「雜訊有害」的觀點，打破了只能通過消除雜訊來提取信號的傳統濾波觀念，為弱光信號探測開闢了全新的方法和思路。
研究團隊基於非相干空域調製不穩定效應在理論和實驗上首次論證了弱白光圖像的光學隨機共振重構，在非線性光學系統中利用弱白光信號激起強的種子調製不穩定性，通過耦合散射雜訊實現自身增強和圖像信噪比提升。結果表明不同波長的光具有不同的增益特性，且共同參與隨機共振發生。同時證明了利用白光束非同步探測能更好地再現被散射雜訊湮沒的弱白光圖像。相比於傳統光學成像技術提高了弱光成像系統的探測能力，促進了隨機共振在非相干光學成像領域的應用。
Physical Review Applied編輯推薦發表意見：作者論證了基於種子調製不穩定性隨機共振的非線性圖像復原方法。研究表明整個光譜的信號模式具有不同的增益特性，並且共同促使隨機共振發生。這項工作促進了非線性光學在自然或人工照明環境下白光成像領域的應用。
此外，2019年，研究團隊在光學隨機共振實驗研究方面還取得兩項進展，分別發表在國際期刊Optics Letters和Applied Physical Express上。
7月10日發表在Optics Letters上題為Nonlinear reconstruction of weak optical diffused images under turbid water的文章，實驗證明了基於空域調製不穩定性的隨機共振可用於水下弱光圖像信號重構。在進行水下光學成像時，水中懸浮物對藍綠光圖像信號存在隨機散射的干擾而引入了大量的前向和後向散射雜訊，導致水下目標成像質量的嚴重退化，圖像對比度和解析度大大降低，圖像變得模糊不清。目前較為成熟的水下成像技術在抑制水下後向散射雜訊方面發揮了積極的作用，但對於前向散射雜訊，由於信號和雜訊同頻且到達成像探測器的時間一致，難以通過這些傳統技術來消除前向散射雜訊。因此亟待發展有效的水下光學成像技術，解決水下前向散射雜訊引起的圖像解析度低的難題。
針對這個問題，在前期工作基礎上，研究團隊率先實驗證明了基於空域調製不穩定性的光學隨機共振可實現渾濁水下被前向散射雜訊湮沒的弱光圖像重構。在非線性光學系統中改變系統參數使得雜訊和信號在晶體中發生光學隨機共振，通過非線性耦合作用，前向散射雜訊能量在圖像信號誘導下向信號轉移，實現了高相似度的圖像復原，提高了水下成像解析度，該研究為水下光學成像的發展提供了一種新方法。
1月4日發表在Applied Physical Express上題為Reconstructing a scattered image via spatial cross-phase modulation instability in partially incoherent beams的文章，針對傳統弱光成像方法難以有效探測乘性雜訊圖像信號，以及自調製不穩定性隨機共振重構圖像高頻信息丟失的難題，提出了基於交叉調製不穩定性的弱光圖像隨機共振重構，建立了部分相干光雜訊與信號耦合的不穩定性增益模型。發現通過耦合相干程度較低的加性雜訊，待測信號可以獲得更高的不穩定性增益，從而實現雜訊光能量向信號光轉移。實驗設計了乘性含噪信號和加性雜訊的雙光束耦合光路，優化加性雜訊和乘性雜訊相干長度實現了弱光圖像重構，並證明該方法可以有效恢復初始圖像的形狀輪廓等低頻信息和邊緣細節等高頻信息。
以上研究工作得到國家自然科學基金和青島海洋科學與技術試點國家實驗室開放基金項目的資助。
圖1.基於隨機共振的弱白光圖像重構結果隨晶體外加電壓的變化。左圖：實驗結果，右圖：模擬結果
圖2. 白光非同步探測圖像重構結果隨晶體外加電壓的變化。左圖：實驗結果，右圖：模擬結果
圖3. 基於光學隨機共振的渾濁水下弱光圖像重構結果隨晶體外加電壓的變化
圖4. (a)原始圖像，（b）乘性雜訊湮沒圖像，（c）自調製不穩定性隨機共振圖像重構結果，（d）加性雜訊和乘性雜訊同時湮沒圖像，（e）晶體外加電壓為100V時，圖像重構結果，（f）外加電壓為500V時，圖像重構結果，（g）晶體外加電壓為1000V，圖像重構結果，（h）晶體外加電壓為1500V，圖像重構結果
來源：中國科學院西安光學精密機械研究所
