一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统

1.本发明属于量子成像技术领域，具体涉及一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统。


背景技术：

2.量子成像是基于信号源的量子涨落性质，利用光场的高阶关联来获得物体的空间或相位分布信息，从而完成对目标的成像。随着量子技术的发展，量子成像以其抗扰动能力强、成像分辨率可以突破瑞利衍射极限以及物像分离等优点成为目前研究的热点。
3.基于纠缠双光子的量子成像理论通过对信号光路和参考光路中的信号做符合测量，并根据得到的符合计数值重构出目标。传统量子成像的目标重构往往需要大量的采样数据，采样时间很长。近些年，压缩感知理论被应用在量子成像中。压缩感知虽然有效减少了需要的采样数据，但纠缠双光子成像的信号微弱，得到符合计数值需要一定的符合时间，这就导致采样时间仍较长，需要进一步提升采样速度。
4.现有技术方案主要分为以下几种：
5.第一种方案是一个基于纠缠双光子的量子成像系统，专利号为cn113472970b，其流程图如图1所示。该技术方案提供了一种抗泊松噪声的量子成像方法及量子成像系统，主要技术是建立了带泊松噪声的量子成像模型，使得成像分辨率有所提升。但是也存在问题，那就是此方案的信号比较微弱，导致符合时间较长，即使使用了压缩感知算法减少了需要的样本，采样时间仍很长。
6.第二种方案是一种基于计算量子成像的分布式量子成像系统，其专利号为cn 113066143b，其分布式结构和本发明的多通道结构在形式上有所类似，但成像原理不同，采用多路结构的目的也不同。此发明成像原理为计算量子成像，采用分布式结构是为了取所有激光器所产生的光场信息的均值，减少数据误差。而本发明成像原理为纠缠双光子量子成像，采用多通道的目的是：使用同一组调制图片的不同部分同时对每个通道的本地参考光进行快速调制，再配合特定的数据融合方法，以此来改善采样时间过长这一问题。计算量子成像中,经过slm反射之后的光场会发生变换,从而给系统带来噪声。而且在信号微弱的情况下成像对比度较低。
7.第三种方案是一种基于微透镜阵列的量子关联成像系统，成像原理也是基于纠缠双光子的量子成像系统，其专利申请公布号为cn 115657068a。该方案对发射源输出的两个模式分别执行光场擦除操作和光场调控操作，以获取更高纠缠度的纠缠态，同时在接收机采用微透镜阵列技术提升符合测量的效能，并结合专门设计的高效数据反演方法，实现了一种高能量收集效率的量子关联成像系统，提升了光子能量收集效率。此方案虽然通过提升光子能量收集效率的方式提升了成像速度，但其实现难度大而且对于光子能量收集效率的提升仅在距离透镜阵列特定距离范围生效，使用局限性较大。
8.由上述可知，以上的三个方案中，方案一的采样时间较长，方案二系统噪声大且在信号微弱的情况下成像对比度较低，方案三系统实现难度大且使用有局限性。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
10.本发明提供了一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统包括：
11.多个信号源模块1、多个调制模块2、合束模块3、成像处理模块4和信号光收集模块5；每个信号源模块1唯一对应一个调制模块2，并与信号光收集模块5构成一个通道；
12.信号源模块1，位于调制模块2和合束模块3之间，使用非线性晶体产生纠缠的水平偏振光和垂直偏振光，其中一束偏振光作为信号光发射至合束模块3，另一束偏振光作为参考光留在本地；
13.调制模块2，位于信号源模块1和成像处理模块4之间，使用调制方法对参考光进行本地调制，最后将调制后的参考光转换成第一电脉冲信号并发送至成像处理模块4；
14.合束模块3，位于信号源模块1和信号光收集模块5之间，用于将每路信号光合成一束并照射目标；
15.信号光收集模块5，位于合束模块3和成像处理模块4之间，有且仅有一个，用于将照射目标后的信号光转化成第二电脉冲信号，并输送至成像处理模块4；
16.成像处理模块4，用于将多个调制模块2发送来的第一电脉冲信号分别与信号收集模块5发来的第二电脉冲信号同时处理得到多组符合计数值；采用特定融合方法对得到的多组符合计数值进行融合，并利用重构算法恢复图像。
17.有益效果：
18.本发明提供了一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，利用多通道结构将一组调制矩阵的不同部分同时对每个通道的参考光进行调制，使得每个通道采样时间大大降低；在进行图像重构之前，使用特定的融合方法将每路符合计数值进行融合，最后再利用重构算法恢复图像。本发明由于不同通道得到的目标信息有所差异，使用融合的符合计数值恢复出的图像细节更加丰富。本发明的多通道量子成像系统采样速度更快，成像细节更丰富。
19.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
20.图1是现有技术的方案一的过程示意图；
21.图2是本发明提供的一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统的结构示意图；
22.图3是本发明提供的不同偏振双通道量子成像系统结构的示意图；
23.图4是本发明提供的同偏振双通道量子成像系统结构的示意图；
24.图5是本发明提供的单光子计数器的符合测量原理示意图；
25.图6是本发明提供的不同偏振双通道量子成像系统中目标的具体参数示意图；
26.图7是本发明提供的不同偏振双通道量子成像系统融合成像示意图；
27.图8是本发明提供的同偏振双通道量子成像系统中目标的具体参数示意图；
28.图9是本发明提供的同偏振双通道量子成像系统融合成像示意图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
30.考虑到实验平台的实际情况，搭建了双通道量子成像系统，这不影响本技术的实现。结合图2-4所示，本发明双通道量子成像系统在进行合束时根据两路信号光的偏振情况可以分为不同偏振及同偏振，因此有两种系统结构图，如图3和图4所示。基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，包括：
31.多个信号源模块1、多个调制模块2、合束模块3、成像处理模块4和信号光收集模块5；每个信号源模块1唯一对应一个调制模块2，并与信号光收集模块5构成一个通道；
32.信号源模块1，位于调制模块2和合束模块3之间，使用非线性晶体产生纠缠的水平偏振光和垂直偏振光，其中一束偏振光作为信号光发射至合束模块3，另一束偏振光作为参考光留在本地；
33.调制模块2，位于信号源模块1和成像处理模块4之间，使用高效的调制方法对参考光进行本地调制，最后将调制后的参考光转换成第一电脉冲信号并发送至成像处理模块4；
34.合束模块3，位于信号源模块1和信号光收集模块5之间，用于将每路信号光合成一束并照射目标；
35.信号光收集模块5，位于合束模块3和成像处理模块4之间，有且仅有一个，用于将照射目标后的信号光转化成第二电脉冲信号，并输送至成像处理模块4；
36.成像处理模块4，用于将多个调制模块2发送来的第一电脉冲信号分别与信号收集模块5发来的第二电脉冲信号同时处理得到多组符合计数值；采用特定融合方法对得到的多组符合计数值进行融合，并利用压缩感知重构算法恢复图像。
37.图3因为信号光的偏振不同，采用的是透射式分辨率测试靶作为目标，合束模块内部先使用半波片将两束信号光分别调节成水平偏振和垂直偏振，再利用一个光学偏振分束器进行合束。
38.图4中采用空间光调制器加载目标，由于入射到空间光调制器的光为水平偏振时，空间光调制器的调制效果最好。因此图4的合束模块内部首先使用半波片将两束信号都光调节成水平偏振，再利用一个光学能量分束器进行合束。
39.下面详细介绍本发明多通道量子成像系统的具体细节。相比于分辨率测试靶，空间光调制器更便于对复杂的图形成像，但由于使用能量分束器，能量会损失一半左右。
40.接续结合图2-图4，每个所述信号源模块1包括：包括激光源6、缩束装置7、滤波装置8、非线性晶体9、准直装置10与分束装置11；
41.其中，缩束装置7由两个光学透镜组成，用于集中激光源6发射的泵浦光能量；滤波装置8采用窄带滤波片，用于滤除其他波长的干扰光；非线性晶体9接收泵浦光照射后，以一定概率发生自发参量下转换过程，以产生发散的纠缠双光子；纠缠双光子经准直装置10与分束装置11被分为信号光和参考光，信号光发射至合束模块3，参考光留在本地进行调制；分束装置11包括偏振分束器和由两个光学透镜组成的扩束装置，偏振分束器将不同偏振的纠缠双光子分离，扩束装置用于减小信号光的发散角。
42.所述调制模块2包括调制装置12和光电转换模块13；
43.其中，调制装置12为空间光调制器，用于加载调制矩阵对留在本地的参考光进行
调制；光电转换模块13采用透镜和单光子探测器组成，用于将调制后的参考光转换成第一电脉冲信号并发送至成像处理模块4。
44.所述调制装置12采用高效的调制方法对参考光进行本地调制的过程包括：
45.s110，根据参考光的光斑大小、位置和采样率构建m个调制矩阵其中m≥1；
46.s120，将m个调制矩阵分成n份,使得每份调制矩阵的个数ni相等；
47.其中n为通道个数,ni为第i个通道调制装置加载的调制矩阵个数，n1+n2+
…
+nn＝m；
48.s130,在每份调制矩阵之前都添加x个完全相同的调制矩阵am,则每份调制矩阵的个数为(ni+x)；
49.其中，x＝λ
×
min{n1,n2,
…
,nn}；λ≤0.1，λ为比例因子，x≥1，m∈1,2,
…
,m；
50.s140，将每份调制矩阵分别加载到各个通道的调制装置12上，并对n个通道的参考光同时进行调制。
51.所述合束模块3包括半波片组14、光学分束器组15和目标16；半波片组14用来调节信号光的偏振状态；光学分束器组15由光学偏振分束器或者光学能量分束器组成，用于在偏振状态下将来自不同信号源模块1的信号光合束。
52.单光子计数器(time correlation single photon counter，tcspc)的符合测量原理如图5所示，成像处理模块4内部设置有单光子计数器tcspc；
53.所述tcspc通过两个符合通道接收电脉冲信号，则将先接收到电脉冲信号的通道作为通道一，另一个为通道二；
54.当通道一接到一个电脉冲信号时，如果在符合门宽内通道二也接收到一个电脉冲信号，则进行符合计数；
55.统计在符合门宽内符合计数的次数，将其确定为符合计数值。
56.成像处理模块4采用特定融合方法对得到的多组符合计数值进行融合，并利用压缩感知重构算法恢复图像包括：
57.s210，将第i个通道对应的调制矩阵的符合计数值的前x个数据取出并取平均，得到第i个通道的调制模块2加载调制矩阵am的符合计数值的均值其中表示第i个通道加载的第(ni+x)个观测矩阵对应的符合计数值，i∈1,2,
…
n；
58.s220，计算第i个通道对应的符合计数值的融合系数ai；
59.s230，根据融合系数计算融合后的符合计数值
60.s240，根据所述符合计数值，利用压缩感知重构算法得到目标图像。
61.本发明的多通道量子成像系统使用n通道进行采样时，采样时间下降至单通道采样时间的其中λ为调制方法中的比例因子。
62.下面通过基于纠缠双光子的多通道量子成像实验，来进一步阐述本发明效果。
63.实验1
64.在实验平台上实际搭建的成像系统如图3所示，考虑到实验平台的实际情况，搭建了一个不同偏振双通道量子成像系统，这不影响本技术的实现。
65.信号源模块内部使用bbo晶体来产生纠缠双光子，因当入射的泵浦光为水平偏振时自发参量下转换的效率最高，在缩束装置中间添加了四分之一波片、半波片和偏振片，用于改变泵浦光的偏振状态。合束模块内部首先使用半波片将两束信号光调节成水平偏振和垂直偏振，再利用一个光学偏振分束器进行合束；目标采用的是透射式分辨率测试靶，放置于距离两个通道分束装置的1米处；目标的具体参数如图6所示。
66.在使用高效的调制方法对参考光本地调制时，构建了160张32
×
32像素的调制矩阵图片，即采样率为0.16；比例因子λ取0.05，并选择第一张调制图片作为步骤3添加的图片，则每个通道需加载84张调制图片。在使用特定融合方法对得到的2组符合计数值进行融合后，利用稀疏重建梯度投影算法得到了目标图像，并与只使用一个通道进行成像时的效果进行对比(此时另一个通道激光源为关闭状态)，结果如图7所示。
67.由图7可见，在采样数为80，即采样率0.078时单通道无法恢复出清晰的图像(使用单通道时另一个通道激光源为关闭状态)，但使用双通道系统将同时采样的80组采样数据融合后可以恢复出清晰图像。相比于单通道使用160组数据恢复出的图像，双通道成像的细节更加丰富，而且使用双通道的总采样时间下降至单通道采样时间的0.525。
68.实验2
69.在实验平台上搭建如图4所示光路，目标为空间光调制器，由于入射到空间光调制器的光为水平偏振时，空间光调制器的调制效果最好，合束模块内部首先使用半波片将两束信号都光调节成水平偏振，再利用一个光学能量分束器进行合束。相比于分辨率测试靶，空间光调制器更便于对复杂的图形成像，但由于使用能量分束器，能量会损失一半左右。此次实验空间光调制器加载的图片加载的图片如提8所示，图片边长为300像素，其中每个像素为8um。
70.在使用高效的调制方法对参考光本地调制时，构建了300张32
×
32像素的调制矩阵图片，即采样率为0.3；比例因子λ取0.05，并选择第一张调制图片作为步骤3添加的图片，则每个通道需加载158张调制图片。
71.结果如图9所示，在采样数为150，即采样率0.15时单通道无法恢复出清晰的x图像(使用单通道时另一个通道激光源为关闭状态)，但使用双通道系统将同时采样的150组采样数据融合成300组数据后可以恢复出清晰图像。相比于单通道使用300组数据恢复出的图
像，双通道成像的细节更加丰富，而且使用双通道的总采样时间下降至单通道采样时间的0.525。
72.虽然理论上使用n通道进行采样，采样时间下降至单通道采样时间的其中λ为调制方法中的比例因子。不过实际中通道数不会太多，一方面是成本的原因，另一方面当每个通道的采样数太少时，噪声的影响会比较明显。下表为两个通道不同样本数情况下法恢复图像质量，表中psnr和ssim值越大说明成像效果越好。由图9和下表也可以看出，如果两个通道的成像效果有差距，则双通道最后成像效果会折中。
[0073][0074]
本发明提供了一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，利用多通道结构将一组调制矩阵的不同部分同时对每个通道的参考光进行调制，使得每个通道采样时间大大降低；在进行图像重构之前，使用特定的融合方法将每路符合计数值进行融合，最后再利用重构算法恢复图像。本发明由于不同通道得到的目标信息有所差异，使用融合的符合计数值恢复出的图像细节更加丰富。本发明的多通道量子成像系统采样速度更快，成像细节更丰富。
[0075]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0076]
尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。
[0077]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，包括：多个信号源模块(1)、多个调制模块(2)、合束模块(3)、成像处理模块(4)和信号光收集模块(5)；每个信号源模块(1)唯一对应一个调制模块(2)，并与信号光收集模块(5)构成一个通道；信号源模块(1)，位于调制模块(2)和合束模块(3)之间，使用非线性晶体产生纠缠的水平偏振光和垂直偏振光，其中一束偏振光作为信号光发射至合束模块(3)，另一束偏振光作为参考光留在本地；调制模块(2)，位于信号源模块(1)和成像处理模块(4)之间，使用调制方法对参考光进行本地调制，最后将调制后的参考光转换成第一电脉冲信号并发送至成像处理模块(4)；合束模块(3)，位于信号源模块(1)和信号光收集模块(5)之间，用于将每路信号光合成一束并照射目标；信号光收集模块(5)，位于合束模块(3)和成像处理模块(4)之间，有且仅有一个，用于将照射目标后的信号光转化成第二电脉冲信号，并输送至成像处理模块(4)；成像处理模块(4)，用于将多个调制模块(2)发送来的第一电脉冲信号分别与信号收集模块(5)发来的第二电脉冲信号同时处理得到多组符合计数值；采用特定融合方法对得到的多组符合计数值进行融合，并利用重构算法恢复图像。2.根据权利要求1所述的基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，每个所述信号源模块(1)包括：包括激光源(6)、缩束装置(7)、滤波装置(8)、非线性晶体(9)、准直装置(10)与分束装置(11)；其中，缩束装置(7)用于集中激光源(6)发射的泵浦光能量；滤波装置(8)用于滤除其他波长的干扰光；非线性晶体(9)接收泵浦光照射后，以一定概率发生自发参量下转换过程，以产生发散的纠缠双光子；纠缠双光子经准直装置(10)与分束装置(11)被分为信号光和参考光，信号光发射至合束模块(3)，参考光留在本地进行调制。3.根据权利要求1所述的基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，所述调制模块(2)包括调制装置(12)和光电转换模块(13)；其中，调制装置(12)用于加载调制矩阵对留在本地的参考光进行调制；光电转换模块(13)采用透镜和单光子探测器组成，用于将调制后的参考光转换成第一电脉冲信号并发送至成像处理模块(4)。4.根据权利要求3所述的基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，所述调制装置(12)采用调制方法对参考光进行本地调制的过程包括：s110，根据参考光的光斑大小、位置和采样率构建m个调制矩阵，其中m≥1；s120,将m个调制矩阵分成n份,使得每份调制矩阵的个数n
i
相等；其中n为通道个数,n
i
为第i个通道调制装置加载的调制矩阵个数，n1+n2+
…
+n
n
＝m；s130,在每份调制矩阵之前都添加x个完全相同的调制矩阵a
m
,则每份调制矩阵的个数为(n
i
+x)；其中，x＝λ
×
min{n1，n2,
…
,n
n
}；λ≤0.1，λ为比例因子，x≥1，m∈1,2,
…
,m；s140,将每份调制矩阵分别加载到各个通道的调制装置(12)上，并对n个通道的参考光同时进行调制。5.根据权利要求1所述的基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，所述合
束模块(3)包括半波片组(14)、光学分束器组(15)和目标(16)；半波片组(14)用来调节信号光的偏振状态；光学分束器组(15)由光学偏振分束器或者光学能量分束器组成，用于将来自不同信号源模块(1)的信号光合束。6.根据权利要求1所述的基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，所述成像处理模块(4)内部设置有单光子计数器tcspc；所述tcspc通过两个符合通道接收电脉冲信号，则将先接收到电脉冲信号的通道作为通道一，另一个为通道二；当通道一接到一个电脉冲信号时，如果在符合门宽内通道二也接收到一个电脉冲信号，则进行符合计数；统计在符合门宽内符合计数的次数，将其确定为符合计数值。7.根据权利要求6所述的基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，其特征在于，成像处理模块(4)采用特定融合方法对得到的多组符合计数值进行融合，并利用重构算法恢复图像包括：s210，将第i个通道对应的调制矩阵的符合计数值的前个数据取出并取平均，得到第i个通道的调制模块(2)加载相同调制矩阵的符合计数值的均值；s220，计算第i个通道对应的符合计数值的融合系数；s230，根据融合系数计算融合后的符合计数值；s240，根据所述符合计数值，利用重构算法得到目标图像。

技术总结
本发明提供了一种基于纠缠双光子的多通道量子成像系统，包括多个信号源模块、多个调制模块、合束模块、信号光收集模块和成像处理模块；每个信号源模块唯一对应一个本地调制模块，并与信号光收集模块构成一个通道。信号源模块输出纠缠的信号光和参考光，信号光发送至合束模块，参考光留在本地；调制模块使用高效的调制方法对本地参考光进行调制，并将调制后的参考光转化成电信号；合束模块用于将信号光合成一束并照射目标；信号光收集模块将照射目标后的信号光转化成电信号；成像处理模块用于处理调制模块与信号收集模块发来的电信号得到符合计数值，再使用特定的融合方法将符合计数值融合，利用重构算法恢复图像。本申请可有效提升采样速度。效提升采样速度。效提升采样速度。


技术研发人员：李军 张宝山 王炜皓 姜世豪 孟嵩皓 卫容宇
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/9/20