受量子理论启发的计算波前整形技术，实现了具备抗湍流能力的分布式孔径合成成像

计算波前调制技术（QiCWS）通过分布式伪热光源和单像素探测器实现动态环境下的高分辨率成像，无需物理空间光调制器或阵列传感器。实验表明，该方法在3米距离下可达到0.157毫米的理论分辨率极限（97%），成功校正大气湍流引起的相位失配，突破传统自适应光学硬件限制，为远程成像、自由空间通信等场景提供新方案。

　　
本文提出了一种名为“量子启发计算波前 shaping”（QiCWS）的创新技术，旨在解决传统光学成像中因硬件限制导致的动态环境适应性差的问题。研究团队通过结合分布式光学孔径合成成像（DOASI）和经典相关照明原理，成功实现了无需物理空间光调制器（SLMs）或阵列传感器的实时像差校正，突破了传统自适应光学在高速动态场景中的瓶颈。

### 核心创新点
1. **虚拟相位调制替代物理器件**
传统波前校正依赖物理SLMs或变形镜实时调整相位，而QiCWS通过计算虚拟相位调制器，利用激光阵列的随机相位分布特性，在目标平面形成可控的虚拟参考场。这种计算方式无需硬件调制器，仅通过单像素探测器采集光强信息，显著降低硬件复杂度。

2. **量子非局部像差抵消的古典实现**
受量子非局部像差抵消原理启发，研究团队发现经典相关光场的二阶相干性（g2(2)）具有类似量子纠缠的特性。通过迭代优化虚拟参考场的相位分布，能够抵消目标与探测器之间的大气湍流引起的随机相位畸变，实现亚波长级相位补偿。

3. **分布式光源的合成孔径效应**
DOASI系统采用64个随机相位调制的激光子源，通过空间分集形成等效孔径。这种分布式光源结构天然具备宽视场特性，且每个子源的光强分布具有统计独立性，使系统能够适应复杂动态环境中的光场畸变。

### 技术路线
1. **光源设计**
采用超短脉冲激光（脉宽<1ns）产生伪热光源，其空间相干性和时间相干性满足经典波前校正要求。激光束经空间光调制器（SLM1）分割为64个子光源，每个子光源间距0.2mm，形成有效孔径6.4mm的分布式光源阵列。

2. **动态环境适应性**
实验在Kolmogorov谱的湍流环境中进行，湍流强度通过相干传输函数参数ρ_T控制（范围2-10.7）。系统利用大气湍流的间歇稳定性（时间相干性约1ms），在单次曝光（<10ms）内完成多次采样（>1×10?次），通过统计平均消除湍流时变带来的干扰。

3. **单像素检测与计算优化**
使用光电二极管阵列（PDA100A2）作为单像素探测器，通过空间-时间二维相关分析提取目标信息。计算优化过程采用遗传算法，通过最大化图像梯度模量（式10）寻找最优补偿相位，迭代次数约500代，计算耗时约10分钟。

### 实验验证
1. **数字像差校正验证**
在模拟数字像差（由SLM2引入的相位调制）场景中，初始重建图像模糊严重（图3D）。通过迭代优化虚拟补偿相位（图3E），成功恢复点扩散函数（PSF），Strehl比达到0.84，接近理想光学系统的理论极限（0.8）。

2. **物理像差校正验证**
采用凝胶包覆玻璃板模拟物理像差，实验显示初始图像完全无特征（图4I）。通过计算优化补偿相位（图4J），PSF Strehl比达到0.64，成功重构清晰图像（图4K）。

3. **大气湍流成像测试**
在模拟Kolmogorov谱湍流环境中，当ρ_T=10.7时，传统计算鬼成像（CGI）方法完全失效，而QiCWS仍能保持理论分辨率极限（λz/D=1.22，D=3m，r=0.152mm）。实验显示，0.157mm分辨率下（理论极限97%），Strehl比稳定在0.8以上。

### 关键突破
1. **硬件去耦合**
摒弃传统自适应光学依赖的物理调制器，通过计算补偿相位，将硬件限制转化为算法优化问题。实验验证了单像素探测器即可完成全参数解算，探测器面积仅10mm×10mm。

2. **时频资源利用**
充分利用大气湍流的时间相干性（1ms）和空间相干性（0.2mm基线），在单次曝光内完成多次采样（4×10?次），通过统计学方法抑制湍流噪声。

3. **通用性增强**
系统不依赖先验知识，无需标定或预相位信息。实验表明，在未知的随机相位分布（图4D）和复杂湍流（图5B）环境下均能实现稳定成像。

### 应用前景
1. **长距离成像**
在3米距离下实现亚毫米级分辨率成像，适用于卫星遥感、自由空间光通信等领域。理论分辨率公式r=1.22λz/D（λ=532nm，D=3m）验证了系统可行性。

2. **动态环境适应**
系统在连续10?次采样中保持实时性，适用于大气湍流、振动干扰等动态场景。对比实验显示，传统CGI在ρ_T=8时已无法成像，而QiCWS仍保持理论极限。

3. **多光谱扩展**
实验采用可见光波段（λ=532nm），但系统设计支持紫外至太赫兹波段（λ=0.15-15μm）。通过优化计算模型，可实现多波段并行成像。

### 挑战与改进方向
1. **计算复杂度**
当前遗传算法迭代500代耗时10分钟，未来可通过并行计算（GPU加速）和神经网络优化（如残差网络）提升实时性。

2. **相位噪声抑制**
实验显示，当ρ_T=10.7时，PSF中心偏移量达0.157mm（图4F）。需进一步优化相位补偿算法，引入自适应滤波降低残余误差。

3. **探测灵敏度限制**
单像素探测器噪声基底约10? photons/pixel，在长距离（>5m）成像中需采用超导纳米线探测器（SNSPD）等新型光子探测器提升灵敏度。

### 结论
本研究成功实现了计算波前校正的三大突破：①虚拟调制原理替代物理器件；②分布式光源的合成孔径效应；③单像素检测的统计成像能力。实验数据表明，在复杂动态环境下，系统仍能保持理论分辨率的89%以上（0.157mm实测 vs 0.152mm理论）。这为智能光学系统的发展提供了新范式，特别适用于卫星编队、水下通信等极端环境应用。