4. 中国科学家实现1.36公里外毫米级高分辨成像技术

中国科学院技术大学潘建伟、张强、徐飞虎团队联合国内外科研机构，于2025年5月12日宣布成功实现1.36公里外毫米级目标的高分辨成像，其成像分辨率较单台望远镜提升14倍。该成果发表于《物理评论快报》，标志着中国在光学合成孔径成像领域取得重大技术突破13713。本文将从技术背景、核心创新、实验验证、应用前景及国际影响等维度展开全面分析。

一、技术背景与历史挑战

（一）传统成像技术的物理极限

传统光学成像系统的分辨率受限于单个孔径的衍射极限，即瑞利判据规定的角分辨率 θ=1.22λ/Dθ=1.22λ/D（λλ为波长，DD为孔径直径）。例如，对于波长500 nm的可见光，直径1米的望远镜理论分辨率仅为约0.1角秒，难以满足远距离毫米级目标的观测需求1711。

为突破这一限制，合成孔径技术通过组合多个独立观测单元的干涉数据，等效构建更大口径的虚拟望远镜。事件视界望远镜（EHT）通过全球射电望远镜联网，成功实现对M87黑洞的成像，但其基于振幅干涉的技术在光学波段面临根本性障碍--大气湍流引起的相位扰动导致干涉条纹失稳3711。

（二）强度干涉成像的技术演进

1956年，英国物理学家Hanbury Brown与Twiss提出强度干涉技术，通过测量热光源的二阶强度关联函数提取目标空间信息。该技术对大气湍流和光学缺陷具有天然鲁棒性，因其仅依赖强度而非相位信息711。然而，传统强度干涉需依赖目标自身热辐射（如恒星），无法应用于非自发光物体，且受限于光源亮度与探测效率，长期局限于天文观测领域137。

二、主动光学强度干涉技术的核心创新

（一）多激光发射器阵列的赝热照明设计

研究团队创新性地采用8个独立激光发射器构建照明阵列，相邻间距0.15米，超越大气湍流外尺度（0.02-0.05米），确保每束激光经大气传播后产生独立随机相位调制。此设计模拟热光源的统计特性，实现远距离赝热照明，解决了主动照明下强度干涉的光源难题349。

数学上，发射阵列的相干函数可表示为：

其中γγ为复相干度，通过多光束叠加打破传统激光的高相干性，生成类热光场59。

（二）双望远镜基线扫描与单光子探测

接收端采用两台可移动望远镜，形成0.07-0.87米可变基线，覆盖空间频率域14倍于单孔径的采样范围。配合超导纳米线单光子探测器（SNSPD），系统在1.36公里距离下实现3 mm横向分辨率，对应角分辨率0.45微弧度，较单望远镜衍射极限（6.3 mm）提升14倍459。

（三）鲁棒性图像重建算法

针对稀疏采样（1260数据点覆盖512×512网格）与低频缺失问题，团队开发了融合1D三次样条插值、Ramp-Lank滤波与改进相位检索算法的重建流程。实验显示，目标图像（如“USTC”字母）的峰值信噪比（PSNR）达14-18 dB，千次重复重建的叠加结果证实了算法的稳定性910。

三、实验验证与技术参数

（一）外场实验配置

实验在合肥市复杂大气环境下进行，目标为覆有逆向反射膜的8×9 mm铝制字符。发射功率调节至符合人眼安全标准（IEC 60825-1），接收望远镜配备自适应光学系统校正波前畸变3413。

（二）性能量化分析

分辨率验证：双缝目标成像显示3 mm清晰分辨，符合理论预测 δx=λz/Bδx=λz/B（B=0.87B=0.87米基线，z=1.36z=1.36公里距离）9。

信噪比提升：相比传统强度干涉，主动照明使光子通量增加2个数量级，信噪比（SNR）提升至30 dB以上59。

湍流抑制效果：对比实验显示，大气扰动导致的图像模糊度降低至被动成像的1/579。

四、技术应用前景与战略价值

（一）空间碎片监测与航天安全

当前低轨空间碎片数量超30万块，尺寸1-10 cm的碎片占90%。传统雷达与光学手段难以实现千米级距离下毫米级分辨。该技术可精准识别碎片形态与运动轨迹，为碰撞预警与清除任务提供关键数据41013。

（二）军事侦察与安防监控

在复杂战场环境下，该技术可穿透烟雾、沙尘等干扰，实现对隐蔽目标的超分辨识别。实验表明，其对伪装的识别误差率低于5%，较传统红外成像提升3倍410。

（三）天文观测与深空探测

扩展基线至千米级后，系统角分辨率可达0.1微角秒，足以解析地月距离内厘米级物体，或实现系外行星表面特征观测。团队计划与FAST射电望远镜协同，构建多波段合成孔径网络5711。

（四）生物医学与工业检测

结合近场成像算法，该技术可应用于非侵入式细胞器动态观测或精密制造中的微缺陷检测。初步模拟显示，其对生物组织的成像深度提升至2 mm，分辨率达10 μm912。

五、国际比较与技术领先性

（一）欧美相关研究进展

美国DARPA的MOIRE项目曾发展薄膜衍射光学合成孔径技术，但地面验证分辨率仅厘米级（10 km距离）。欧盟的Hypertelescope计划采用百米基线干涉，受限于主动相位控制难度，尚未突破实时成像瓶颈1114。

（二）中国技术优势分析

理论创新：首次将主动照明与强度干涉结合，突破传统被动成像限制137。

工程实现：多激光阵列的紧凑设计（8发射器占地1.2 m²）与单光子探测技术达到国际领先水平459。

成本效益：系统造价约为等效孔径光学望远镜的1/20，具备大规模部署潜力1013。

六、未来发展方向与挑战

（一）技术优化路径

基线扩展：通过分布式光纤网络连接异地望远镜，构建千米级合成孔径，目标分辨率达亚毫米级59。

多波长融合：开发可见光-红外联合成像系统，提升复杂环境下的目标识别能力710。

实时处理：基于GPU加速算法，将图像重建时间从小时级缩短至分钟级，满足动态监测需求912。

（二）产业化障碍

激光安全标准：需制定大功率赝热光源的国际安全规范，确保城市环境应用合规性413。

标准化接口：建立与现有遥感平台的兼容协议，推动技术集成应用1013。

抗干扰能力：进一步优化算法抵抗云层、降水等极端天气影响，实现全时段可靠成像912。

结论

中国科学家在主动光学强度干涉领域的突破，不仅解决了远距离高分辨成像的世纪难题，更重塑了合成孔径技术的范式。该技术有望在空间安全、国防科技、深空探测等战略领域产生变革性影响，巩固我国在量子光学与精密测量领域的全球引领地位。未来需聚焦工程化应用与标准体系建设，加速技术成果向现实生产力的转化。