近日，南京理工大学左超教授团队与中国科学院光电技术研究所谢宗良副研究员团队合作，针对大气湍流对宏观傅里叶叠层成像的干扰问题，提出了一种湍流鲁棒的宏观傅里叶叠层成像方法。该方法以天文观测中经典的散斑干涉统计思想为启发，充分结合傅里叶叠层成像自身的数据冗余性、相位恢复与像差校正优势，构建了两阶段闭环重建框架，在无需额外波前传感与校正元件的条件下，实现了湍流环境下的稳定超分辨重建，为傅里叶叠层成像技术从实验室理想环境向真实远距离场景的应用迁移，提供了可行的计算成像路径。相关研究成果发表于Optica，中国科学院光电技术研究所张峻浩博士生、南京理工大学李晟博士生为论文共同第一作者，左超教授与谢宗良副研究员为共同通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.592286
在远场光学成像系统中，空间分辨率的理论上限由光学孔径的衍射效应决定，传统成像技术难以突破这一物理限制。傅里叶叠层成像作为一种计算光学技术，通过频域拼接不同子孔径采集的低分辨强度图像，结合相位恢复算法实现合成孔径成像，从原理上突破了单个子孔径的分辨率限制，为宏观远场超分辨成像提供了技术基础。
然而，当该技术从实验室理想环境向真实远距离复杂场景迁移时，大气湍流引入的随机时变波前畸变，会破坏不同子孔径之间的频谱相干性与相位一致性，导致采集的子孔径图像与传统傅里叶叠层成像依赖的确定性成像模型失配，进而造成重建图像细节模糊、伪影干扰、算法收敛不稳定等问题，使传统方法在实际湍流场景中性能大幅下降。尽管已有瞳函数恢复、相位多样性等方法可用于静态或缓变像差校正，但对于快速时变的随机湍流扰动，仍难以实现有效处理，成为制约宏观傅里叶叠层成像实际应用的核心瓶颈。
针对上述问题，研究团队提出了两阶段闭环重建框架，核心在于将天文散斑干涉的统计处理思想，与傅里叶叠层成像的固有数据冗余、波前感知优势有机融合：
借鉴天文散斑干涉中利用多帧短曝光数据统计恢复目标信息的经典方法，在每个子孔径扫描位置采集多帧短曝光湍流图像。通过多帧功率谱平均，恢复被湍流扰动抑制的傅里叶幅值。同时结合位移校正的相干平均，提取目标的傅里叶相位，最终得到湍流抑制后的子孔径衍射极限图像。通过统计平均抵消湍流的随机扰动，保留目标的核心高频信息，将原始受强湍流破坏的观测数据，转化为适配后续迭代优化的预校正观测值，从源头上削弱了湍流对成像的影响。
经统计预校正后，不同扫描位置的子孔径图像仍会因湍流的强时变性、短曝光帧数限制及位移校正误差，残留残余波前误差，进而破坏子孔径间的频谱拼接一致性，影响传统方法的重建质量。为此，团队在传统迭代框架基础上，构建了联合恢复高分辨目标与空间变化残余瞳函数的优化模型，引入总变差约束、物理孔径支撑约束与低秩正交模态约束，将不同扫描位置的残余瞳函数限制在低维相关子空间中，使其更贴合大气湍流残余误差的统计相关结构，提升了联合重建的稳定性与物理一致性，最终实现强湍流环境下的稳定超分辨重建。
研究团队首先搭建了基于相位屏的原理性验证系统，对方法进行了原理性实验测试。实验中，目标与探测系统间通过不同强度的湍流相位屏模拟真实大气湍流扰动，并在11×11的扫描位置采集多帧湍流图像。结果表明，相较于传统孔径扫描傅里叶叠层成像方法，该方法在强湍流条件下仍能实现接近衍射极限的超分辨重建，有效抑制了湍流引起的图像模糊与伪影。
图1使用相位屏进行TRMFP验证。（a） 实验装置，目标物放置在距离成像系统1.5米处。（b）USAF分辨率目标的重建结果，（c）USAF分辨率靶标中不同条形区域的放大图。（d） 三种条件下重建图像的对比度图。（e） 五元人民币纸币文字部分的实验结果；从左到右依次为：低分辨率原始图像、考虑湍流的FP重建图像、TRMFP重建图像和不考虑湍流的FP重建图像。
进一步地，团队构建了实验室动态湍流环境，通过温差驱动与热风扰动在5米光路中产生时空动态折射率起伏，采用10毫秒短曝光采集策略冻结湍流演化过程。在这一更接近实际应用的复杂动态场景下，该方法在分辨率靶标以及帆布、硬币、塑料标签等不同材质目标上，均表现出稳定的湍流抑制能力。实验结果显示，相比传统方法，该方法在动态湍流条件下实现了约1.6倍的分辨率提升，在多类目标表面纹理恢复中取得了更高的峰值信噪比与结构相似度，验证了方法的鲁棒性与应用潜力。
图2使用实验室生成的动态湍流验证TRMFP方法。（a） 实验装置。（b） 动态湍流下USAF分辨率目标的实验结果：（b1）FP重建，（b2）TRMFP重建，线迹对比度值标注在左下角。（c） 动态湍流下不同材料的成像性能。从左到右依次为：单个子孔径图像、湍流条件下使用传统FP方法的重建、使用本文提出的TRMFP方法的重建，以及理想无湍流条件下的FP重建（作为参考）。从上到下依次为：（c1） 帆布袋、（c2） 硬币和 （c3） 塑料标签。（c1） 至 （c3） 的左下角给出了每个结果与理想FP重建的PSNR/SSIM值对比。
理论价值与应用意义
本研究建立了天文统计成像与计算光学叠层成像的交叉融合路径，明确了多帧统计预校正与联合像差约束在湍流环境傅里叶叠层重建中的作用机理，完善了宏观傅里叶叠层成像在非理想环境下的成像理论，阐明了数据冗余性在复杂扰动场景下的补偿机制，为计算成像技术应对复杂环境扰动提供了新的理论框架。该方法无需额外的波前传感器与校正光学元件，仅通过计算成像算法即可实现湍流环境下的超分辨成像，降低了远场超分辨成像系统的硬件复杂度与成本，可应用于遥感观测、空间目标探测、远距离安防监控等对远场高分辨成像有需求的领域，为宏观傅里叶叠层成像技术的实际工程应用提供了可行方案。
论文信息
Zhang, J., Li, S., Wei, W., Wang, B., Yang, K., Wang, H., Zhou, Q., Ma, H., Ren, G., Zuo, C., Xie, Z.
Turbulence-resilient macroscopic Fourier ptychography
Optica 13, 771-785 (2026)
上述工作得到了国家自然科学基金的支持。
