光学成像是人们获取信息最重要的技术手段之一。关联成像作为一种基于光场高阶关联发展起来的新技术, 利用单个点探测器就可以实现对面目标的成像, 具有物像分离、探测灵敏度高、抗干扰能力强等优点, 为光学成像技术的发展带来了新的机遇。但关联成像以时间换空间的多帧累积成像模式, 严重限制了图像的获取效率。为了解决该问题, 除了进行系统结构、光源和探测方法优化设计外, 研究高效的图像重构算法也是提高成像质量和成像速度最有效的方法之一。好的图像重构算法不仅能大大降低成像所需的测量次数, 提高信息提取效率和重构图像质量, 还能降低对成像系统硬件的要求, 是关联成像技术走向实用的关键。近年来, 关联成像图像重构算法不断演变, 发展出很多不同类型的重构算法。本文简要回顾了关联成像的原理机制, 进而在此基础上系统介绍了几种主要关联成像算法的基本原理, 并分析了其优缺点和适用场景。

强度关联干涉测量利用光场的高阶关联特性获取星体空间角度信息,有望实现脉冲星角位置的高精度测量。然而常规的强度关联测量需要满足相干探测条件,这对探测器的时间分辨提出了极高的要求。提出基于空间调制的星体观测张角强度关联干涉测量方法,在探测器前放置调制屏以对光场进行空间调制,通过旋转调制屏获取二阶干涉条纹。理论推导了当两条光路的调制屏存在角度差时二阶关联函数的表达式,并基于理论推导结果设计双反射镜实验方案并进行相关可见光实验验证,所得实验结果与理论分析结果相符。该方法大幅降低了探测器的时间分辨要求,对于我国未来实现航天器的自主导航具有重要意义。

本文在三能级级联结构的非对称半导体量子阱中研究了荧光的高阶量子关联效应。利用三个激光场同时驱动三个偶极允许的跃迁时, 研究结果发现强度- 强度关联函数和强度- 振幅关联函数依赖于驱动场的相对相位及拉比频率。在三个驱动场拉比频率相等的条件下, 相对相位为0时, 二阶关联呈现出强关联; 相位不为0时, 二阶关联为一般关联。不仅如此, 我们发现改变相位可以调节三阶关联函数时间不对称性程度, 相位为π/2或3π/2正时和负时关联函数表现了较好的对称性。另外, 我们发现通过调节拉比频率的大小可以实现二阶关联由强关联向一般关联效应转换, 三阶强度- 幅度关联的值得到极大增强。最后, 利用修饰态绘景我们分析了上述现象内在的物理机制为多重量子干涉效应。这些结果可能对于高精度测量和产生单光子源具有潜在的应用价值。

运用量子关联的概念及度量方法,在多光子跃迁和强度关联耦合条件下,研究了两个二能级原子与两个相干腔场相互作用系统中量子关联动力学演化特性。分析和讨论了初始时刻原子处于Werner态时,系统参数的取值对系统量子及经典关联动力学演化特性的影响。结果表明:对单光子跃迁情况,两原子间的量子与经典关联随时间的动力学演化,呈现为具有一定周期的振荡变化过程;当跃迁光子数增大时,两原子间的上述动力学演化的周期振荡现象消失,振荡幅值减小;当关联耦合强度增大时,原子间的量子及经典关联振荡周期变短,而量子及经典关联的最大值不变。

在相位敏感的改良Hanbury Brown-Twiss(HBT)方案中,热光散斑图包含样本的复透射系数的振幅信息和相位信息。基于此特性,本文提出了一种测量样本的复透射系数及样本厚度的方法。研究结果表明,在样本粗糙程度较小的情况下,通过加入厚度已知的定标层以增加约束条件,就可以从散斑图中提取样本不同位置处的复透射系数,尤其是其相位信息,从而可以计算相对应的样本厚度。计算精度取决于从散斑图中提取的信息量,提取越多,测量越精确。

实现脉冲星导航首先需要对脉冲星进行高精度测量,而脉冲星辐射的X射线相干时间极短,到达卫星探测器的光通量极低,必须在极弱光条件下实现强度关联探测来获取脉冲星信息。针对这一问题,使用可见光模拟源进行了强度关联干涉测量实验研究,获取二阶干涉条纹并得到了对应的角直径,分析了符合计数对测量误差的影响,以及探测系统的空间和时间分辨率对强度关联干涉测量结果的影响,为脉冲星X射线强度关联探测系统硬件参数的选取提供了依据。

X射线强度关联干涉测量为实现高分辨率脉冲星信息获取提供一条可行的技术途径,但现有的X射线探测器能量分辨率有限,探测到的X射线信号有一定能谱展宽,从而导致测量精度降低。为解决这一问题,基于不同能量相干曲线之间的缩放关系,提出一种强度关联干涉测量能谱展宽校正方法。通过仿真分析了校正前后的测量误差,探讨噪声对该校正方法的影响,并进行了可见光波段的模拟干涉测量实验,结果表明校正后的测量值与理论值相符,从而验证了该方法的有效性。

开展了强度关联阶数对于运动目标关联成像影响的研究, 通过改变信号光束和参考光束的阶数, 分别讨论了切向和轴向运动目标在不同强度关联阶数下的关联成像质量。在运动目标关联成像系统原理光路的基础上, 从理论上重点分析了不同强度关联阶数对关联成像计算模型的影响, 并且利用计算机进行了仿真实验。结果表明: 强度关联阶数的改变不能消除运动模糊, 增加信号光束的阶数可以改善关联成像质量, 但是在去除背景项的情况下, 反而是最低阶的关联成像质量最好, 并且轴向运动目标的关联成像质量下降地更为严重。

采用基于稀疏限制的鬼成像技术(GISC)框架模拟研究了散斑场中散斑强度分布对成像质量的影响以及重建过程中所需要的采样次数与散斑尺寸和目标稀疏性的关系。数值模拟结果表明，光斑强度分布对成像分辨率影响较大，高斯散斑优于相同直径平顶散斑，且高斯分布散斑更适合于实际应用。当散斑尺寸小于图像的分辨率时，所需的采样次数只跟图像的稀疏度有关，而与图像的具体分布方式无关；当散斑尺寸超出目标自身的分辨率时，获得相同成像质量的图像(以较低分辨率图像为准)所需要的采样次数与散斑直径的平方成反比。模拟验证采样次数与目标稀疏性的关系，并给出和验证了具有灰度的自然目标图像的稀疏度计算公式。

针对强度关联成像遥感探测中存在的成像速度受到参考臂图像采集速度限制的问题，研究了一种基于随机相位板扫描的可重复赝热光源。通过产生可重复使用的散斑，省去成像过程中参考臂的实时采集。建立了散斑重复性评价函数，并数值模拟分析了使用可重复散斑对关联成像质量的影响，给出了在不影响成像质量的情况下所允许的激光强度抖动和扫描定位精度。实验分析了此可重复赝热光源的性能指标。实验结果表明，在发射速率为4000 frames/s时，赝热光源的激光强度抖动及扫描定位精度均满足要求，散斑相关系数可达到0.97以上，成像分辨率可达到衍射极限，证实了此可重复赝热光源的可行性。