Nature Communications │ 散斑运动成像术：未知散射介质中运动目标的高分辨成像与追踪- 大数跨境

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Nature Communications │ 散斑运动成像术：未知散射介质中运动目标的高分辨成像与追踪

两江科技评论

2023-11-29

导读：南京航空航天大学物理学院伏洋洋、刘友文教授团队近日提出了一种基于散斑的运动成像术，能够在白光照明下对隐藏在未知厚散射介质中的运动目标实现高分辨成像与追踪。

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撰稿|由课题组供稿

导读

透过云雨雾霾、生物组织等散射介质光学成像在航空航天、军事救援、生物医学等众多领域具有重要应用。然而目前的技术仅适用于薄散射层或预知先验信息的厚散射介质，应用面受限。针对这一难题，南京航空航天大学物理学院伏洋洋、刘友文教授团队近日提出了一种基于散斑的运动成像术，能够在白光照明下对隐藏在未知厚散射介质中的运动目标实现高分辨成像与追踪。相关成果以“Overlapping speckle correlation algorithm for high-resolution imaging and tracking of objects in unknown scattering media”为题在线发表在《Nature Communications》上（DOI: 10.1038/s41467-023-43674-5）。南航航天学院青年教师施瑶瑶为第一作者，施瑶瑶讲师、伏洋洋教授、刘友文教授为该工作的共同通讯作者，物理学院盛伟老师亦对该工作做出贡献。此外，国家级重点实验室天元实验室为该工作研究提供了支持。

研究背景

光学成像是人类获取信息的一种重要途径。当光遇到复杂、非均匀的散射介质时会发生散射，导致成像困难。目前，基于弹道光子和散斑记忆效应的成像技术从原理上受散射介质厚度的限制。为了解决这一难题，研究人员提出了波前整形、传输矩阵、深度学习、基于光飞时间的扩散光学层析等成像技术，然而这些依赖于散射介质输入-输出关系的方法需要预知介质信息，导致应用面受限。此外，除了介质厚度和先验信息两大关键限制，目前的技术普遍存在成像分辨率低、对光源相干性要求高、对运动目标成像困难等诸多方面的缺陷。透过散射介质成像距离实际应用仍有很多问题有待解决。

研究亮点

针对上述问题，本工作通过研究目标-散斑的固有关系，提出了一种基于散斑的运动成像术（speckle kinetography，图1），能够有效解决上述问题。研究发现，隐藏在散射介质中的运动目标的重叠度和轨迹信息能够固有地保留在介质后表面的非相干散斑图像中。通过非侵入拍摄目标运动过程中所产生的一系列散斑图像，利用重叠散斑相关算法（overlapping speckle correlation algorithm）从散斑图像的散斑中提取运动目标重叠度信息、从散斑图像的包络中提取运动目标轨迹信息，两者结合即可构建目标自相关，从而实现高分辨成像与追踪。

图1 基于散斑的运动成像术。(a)原理，(b)成像系统，(c)重叠散斑相关算法模型。

当非相干光源照射散射介质前表面，隐藏在介质中的目标也会被照射。目标平面上任意一点都会在介质后表面形成一个散斑分布，可视为该点对应的点扩散函数（point spread function，PSF）。目标在散射介质后表面形成的散斑则是目标上每个点形成的PSF的强度叠加。当目标发生位移，若移动前后的目标有重叠，则移动前后形成的两幅散斑图样中包含相同的散斑，这部分相同的散斑是由目标重叠区域中的点形成的PSF叠加构成的。通过重叠散斑相关算法可以通过这部分相同的散斑将目标的重叠度信息提取出来。另一方面，由于非相干光的相干长度很小，光子穿过介质后，只有少部分光程差小于相干长度的光子通过干涉形成了散斑，其余大部分光子都未发生干涉，从而形成了包络。这部分包络会随着目标的移动而整体移动。通过重叠散斑相关算法，将包络从散斑图像中提取出来，计算包络的互相关获取包络位移，从而提取目标的位移信息。利用上述提取的目标移动前后的重叠度和位移信息，跟据自相关的定义，可构建目标的自相关。

通常来说，需要记录目标在整个物平面上移动过程中形成的散斑才能完整地构建目标自相关，然而这种面阵平移在实际应用中很难实现。针对这一问题，本工作提出一种构建目标自相关的方法，只需在目标进行散斑尺度的简单U形或T形轨迹的运动过程中，记录相应的散斑，即可构建目标自相关。当目标进行自发运动时，亦可无差别记录运动过程中的所有散斑，重构出运动轨迹后，从中选择一部分合适的散斑进行自相关构建。

作为实验验证，本工作分别在单色LED（图2）、白光（图3）、荧光照明（图4）下，对隐藏在各向异性及同性的散射介质中的运动目标实现了1 μm分辨率的成像与追踪。成像过程无需任何先验信息，且散射介质厚薄均可，其光学厚度可达6倍传输平均自由程。

图2 单色LED照明下对隐藏在多种厚度散射介质中的不同目标实现1 μm分辨率成像。

图3 白光照明下对隐藏在多种厚度散射介质中的不同目标实现1 μm分辨率成像。

图4 对鸡胸肉遮挡的荧光微球成像。

总结与展望

本工作通过利用非相干散斑中固有保留的运动目标信息实现了对隐藏在散射介质中的运动目标成像与追踪，成像系统简单、非接触、成本低。该通用性技术有望从实验室走向实际应用，在自然光、荧光或其他电磁波段照明下实现云雨雾霾或生物组织等遮蔽环境中的成像（图5）。本研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。