科普知识—中国科学家实现远距离非视域成像

文/潘长宏

2021.3.12.

最近，我国有一重大科技成果在在国际知名学术期刊《美国国家科学院院刊》上发表。我国科技大潘建伟等人通过实验，实现了1.43公里的远距离非视域成像，首次将成像距离从米级提高到公里级，为非视域成像技术的开拓及在实际场景中的应用开辟了新道路。

中国自古代就有墨子的小孔成像、伽利略的观星望远镜，到现代的激光雷达、核磁共振等各类成像技术，为人类探索世界提供了帮助。然而，这些传统成像技术都是对视域内的物体进行观测成像，即成像的对象必须在观察者视线内。受限于一定范围的视场，大量充斥在视场以外的视觉信息无法被捕捉。非视域成像技术能够对隐藏在视线外的物体进行拍照，实现“障碍观物”，拓展了人类的成像能力和视觉空间。可以预见，在不久的将来，非视域成像技术将在医疗检测、智能驾驶、军事侦察等诸多领域发挥着不可估量的应用价值。

远距离非视域成像实验装置图包括：

A.现场实验拓扑，

B.光学系统，

C.隐藏场景示意，

D. 实验装置实物，

E. 隐藏场景远景，

F. 隐藏场景近景，

G.隐藏场景实物。

光学非视域成像的原理：

将激光脉冲发射到中介墙上，利用中介墙使激光散射到被遮挡的非视域场景中，该场景中的隐藏物体再次将激光散射到中介墙上，最后被中介墙散射至接收系统。整个过程激光经历了三次漫反射，通过记录光量子的飞行时间信息，并利用计算成像算法可以实现对非视域场景的重构。然而，由于激光经过多次漫反射，整个光路存在巨大的衰减，使得非视域成像目前仅在实验室内进行短距离的原理性验证；此外，多次漫反射导致的时空信息混杂，使得成像算法成为一个难题。

在该项工作中，研究团队从光学系统和重构算法同时出发，通过系统性地设计远距离成像解决方案，发展高效率、低噪声的非视域成像系统以及高效的成像算法，将非视域成像的距离从米级提高到公里级，相比先前的实验结果提升了三个数量级。基于成像技术和算法的突破，该项工作成功在现场环境下实现了对1.43公里外的非视域场景进行成像，以及对隐藏的物体进行实时跟踪。

非视域成像实验结果图：

A.原始实验数据，

B.算法重构结果。

这项工作为非视域成像的实用化研究开辟了一条崭新的道路。这一成果代表非视域成像领域的最佳结果。