余恭敏 晉利兵 周峰 童錫良 陳世平

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分塊式平面光電偵察成像系統(tǒng)發(fā)展概述

余恭敏1晉利兵1周峰1童錫良1陳世平2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094） （2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100080）

基于光子集成回路的干涉成像系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、功耗小、易于加工測試，且系統(tǒng)分辨率不受單個透鏡口徑尺寸的限制，是未來發(fā)展方向之一。文章首先簡述了分塊式平面光電偵察成像系統(tǒng)（SPIDER）的基本原理與組成，并對SPIDER的發(fā)展狀況進行了概述，詳細分析了各階段光子集成回路布局、功能變化；分析與總結(jié)了SPIDER的關(guān)鍵技術(shù)；最后，對該技術(shù)未來發(fā)展趨勢、應用前景進行了分析和討論。分析表明：SPIDER正朝著基線更長、大規(guī)模低功耗高集成度、寬譜段成像方向發(fā)展，應用前景廣泛。

干涉成像 光子集成回路 陣列波導光柵 基線優(yōu)化 航天遙感

0 引言

高分辨遙感成像技術(shù)在軍事偵察、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、土地利用、全球變化探測等諸多領域有著迫切的需求[1]。根據(jù)瑞利分辨率準則[2]，=1.22/（其中，為相機角分辨率，為入射波長，是相機口徑），增大相機口徑能有效提高分辨率。但受運載包絡尺寸限制，相機口徑不能無限增大。受限于材料、工藝等因素，超大口徑單體鏡存在鏡坯不易制備、光學加工困難、支撐結(jié)構(gòu)復雜等問題；增大口徑使得載荷體積和質(zhì)量增加，給天基光學系統(tǒng)的發(fā)射帶來困難；復雜的空間環(huán)境也可能導致大口徑光學鏡面的變形而不能工作?？趶綖?.5m的赫歇爾空間天文望遠鏡（Herschel Space Observatory，HSO）和2.4m的哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）是目前在軌的最大單體鏡成像系統(tǒng)，已經(jīng)接近目前加工能力的極限[2]。因此，需要新的技術(shù)途徑實現(xiàn)高分辨成像。

綜合口徑成像技術(shù)利用多個小口徑望遠鏡對物體成像，達到單一大口徑系統(tǒng)的衍射極限分辨率。系統(tǒng)的分辨率與最長干涉基線相關(guān)，基線越長采集到的目標信息對應的空間頻率越高，沿基線方向的分辨率也就越高。近年來，國際上提出了分塊式平面光電偵察成像系統(tǒng)（Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance，SPIDER）的新概念，基于長基線干涉和光子集成回路技術(shù)，通過兩維的大規(guī)模微透鏡陣列獲取目標光學信息，在光子集成回路（Photonic Integrated Circuit，PIC）中實現(xiàn)路徑匹配、相位調(diào)整、光束組合、光檢測等處理，通過分析干涉圖像的振幅和相位，經(jīng)過圖像重構(gòu)獲得高分辨率圖像，能極大降低遙感載荷的尺寸、質(zhì)量、功耗（10倍~100倍）和研制周期[3-4]。

本文對SPIDER的發(fā)展狀態(tài)進行了概述，分析與總結(jié)了其中的關(guān)鍵技術(shù)，并對其發(fā)展趨勢、應用前景進行了分析和討論。

1 SPIDER組成與基本原理

根據(jù)Van Cittert-Zernike（范西特-澤尼克）定理，當目標本身的線度以及觀測區(qū)域的線度都遠遠小于二者之間的距離時，觀測區(qū)域上的復相干度正比于目標強度分布的歸一化傅里葉變換[5]。由兩個或幾個望遠鏡構(gòu)成長基線光干涉陣，每條基線對應理想光干涉成像系統(tǒng)像面上的一組與基線方向垂直的明暗相間的干涉條紋，從條紋中可以提取出復相干度的模和相位，即傅里葉振幅和相位。每一組基線對應于目標某一特定的空間頻率分量，基線越長，采集到的目標信息對應的空間頻率越高，因此沿基線方向的分辨率也就越高。增加口徑數(shù)量，豐富基線方向、基線長度，就可以對目標不同的空間頻率信息進行采樣；當對目標的傅里葉頻譜采樣覆蓋（即UV覆蓋）達到重構(gòu)圖像的要求后，再通過傅里葉逆變換就可以實現(xiàn)目標的二維圖像重構(gòu)。由于對頻率的采樣覆蓋屬于離散采樣，所以傅里葉逆變換得到的圖像并不清晰（即“臟圖”），需要采用一定的算法對圖像進行補償恢復，才能得到更加逼近目標的圖像[6]。

圖1為兩個口徑的干涉儀示意，圖中是系統(tǒng)的視軸，1、2分別是口徑1和口徑2的延遲線，2-1為口徑1和口徑2的光程差，口徑1和口徑2組成一個干涉基線，同時獲取點源的光信息，經(jīng)過延遲線使口徑1和口徑2的光滿足干涉條件，形成干涉，并由探測器檢測輸出相應的干涉條紋，重構(gòu)得到目標的圖像。傳統(tǒng)的干涉儀由天文觀測的需要而逐步發(fā)展而來，需要復雜的機械延遲線來形成干涉條紋[7]，這樣的系統(tǒng)不能同時對多個空間頻率進行采樣測量。機械延遲、長基線等因素導致了干涉系統(tǒng)的體積龐大，且光學波段的干涉實現(xiàn)不易。受限于干涉基線的數(shù)量，不能一次性對目標所有的空間頻率進行采樣，傳統(tǒng)的干涉儀系統(tǒng)需犧牲時間分辨率來達到高分辨成像的目的，例如，天文干涉需要借助地球的自轉(zhuǎn)豐富采樣頻率[8]。

SPIDER采用基于標準光刻技術(shù)的PIC技術(shù)，取代了傳統(tǒng)光學望遠鏡所需的大型光學系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)[9]。采用微米尺度的光波導和微米尺度的堆積密度構(gòu)成的納米光子結(jié)構(gòu)，形成相應的干涉儀。SPIDER結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示，SPIDER包括獲取光學信息的兩維微透鏡陣列和進行光干涉操作的PIC兩部分組成，在PIC上集成了陣列波導光柵（Arrayed Waveguide Grating，AWG）、相位調(diào)制器、多模干涉（Multi-Mode Interference，MMI）耦合器等部組件，在光子集成回路上實現(xiàn)路徑匹配、相位調(diào)整、光束組合、光檢測等功能[10]。SPIDER結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，包括抑制雜散光的管狀結(jié)構(gòu)、微透鏡陣列及相應的PIC，微透鏡陣列位于管狀結(jié)構(gòu)中，以減少雜散光的影響。SPIDER工作原理如圖2（b）所示，一維干涉儀陣列包含透鏡陣列和PIC，透鏡陣列成對組成不同的干涉基線，對于一個非相干源目標，每個透鏡將目標光耦合進單模波導，在PIC上實現(xiàn)干涉，并由探測器檢測輸出，對干涉條紋進行處理，得到相應干涉基線的目標復可見度（振幅、相位）。多個一維干涉陣列按徑向排列組成兩維的SPIDER，一次采樣即可得到目標全部的頻率覆蓋，時間分辨率高。圖2（c）為包含5mm、20mm基線的PIC原理圖，每個透鏡后有5個波導，微透鏡將光耦合進波導中，經(jīng)過AWG將光復用成等寬的三個窄譜段，相同譜段在MMI耦合器中耦合干涉，并由線陣探測器檢測輸出相應的干涉條紋信息，經(jīng)過圖像重構(gòu)得到目標的圖像。

在天文觀測中，干涉儀一般用來對有限寬度的目標成像，視場較小。SPIDER可以對擴展目標成像，每個單模波導作為系統(tǒng)的視場光闌可有效地限制目標的尺寸[11]，這樣系統(tǒng)的視場與波導數(shù)量成正比[12]。AWG將光復用成多個窄譜段，以提高光子效率并增加系統(tǒng)的空間頻率覆蓋。

2 SPIDER發(fā)展概述

2012年加州大學戴維斯分校（UC Davis）和洛克馬丁先進技術(shù)中心的研究人員提出采用PIC技術(shù)將干涉陣列微縮在一個芯片上的方案，極大地降低了載荷的體積、質(zhì)量、功耗，該項目獲得了美國國防高級研究計劃局（DARPA）太空增強軍事作戰(zhàn)效能項目（Space Enhances Military Operational Effectiveness Program SeeMe Program）資助。根據(jù)PIC材料、布局等的不同，可以將PIC分為三個不同的階段。

2.1 第一代PIC

圖3為第一代PIC布局，由UC Davis的研究人員設計[13]。尺寸125mm×68mm，4個透鏡（口徑=3mm，焦距=7.5mm）有2組基線（5mm、20mm），每個透鏡后面有5個單模波導，波分復用器將光分為中心波長分別為1 540nm、1 560nm、1 580nm三個譜段（帶寬20nm）。調(diào)相后，相同譜段分別在2×2多模干涉儀中進行干涉，輸出波導數(shù)60，由線陣探測器檢測輸出。光子集成回路以Si為基底，包芯和包層的折射率差為1.5%，單模波導寬4.8μm，厚5.2μm。該PIC插入損耗10.5dB，傳輸損耗–37.5dB。

圖4為第一代PIC不同基線可見度擬合結(jié)果。將單個光束強度歸一化后，正弦擬合結(jié)果見圖4（a），長基線測得點源的干涉條紋可見度為0.90，短基線時為0.94。圖4（b）是5mm、20mm基線下不同狹縫寬度測得點源干涉條紋可見度。因為是矩形口徑，單個基線測得的理論可見度口徑寬度函數(shù)可擬合成sinc曲線，但是可見度尖峰比理想的低。對于短基線，前3個零點的值與理論預測值有6%~8%的誤差。對于長基線，誤差為3%~4%。試驗結(jié)果表明，SPIDER既可以對有限場景成像，也可以對擴展場景成像[9]。

在洛克馬丁公司的內(nèi)部研究和發(fā)展（Internal Research and Development，IRAD）基金、美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）/美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的（Cooperative Research and Development，CRAD）基金的聯(lián)合資助下，UC Davis的研究團隊對SPIDER項目進行了降低風險試驗和設計、仿真等方面研究。將SPIDER成像技術(shù)的技術(shù)成熟度（Technology Readiness Level，TRL）提升至3級[14]。并論證了SPIDER應用于木衛(wèi)二探測任務的可行性[15]。

2.2 第二代PIC

DARPA的SPIDER動態(tài)成像研究項目（SPIDER Zoom Program），將SPIDER成像技術(shù)的技術(shù)成熟度TRL提升至4級。在2015年先進毛尹島光學和空間監(jiān)視技術(shù)會議（2015 Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，AMOS）上報道了一種同時具備高分辨率小視場（0.12mrad）和低分辨率大視場（0.35mrad）成像能力的SPIDER設計方案[16]，如圖5所示。高分辨率PIC的最長基線為104.4mm，低分辨率的最長基線為20.88mm。該方案由19個高分辨率（即長基線）PIC沿徑向排列，在PIC的前端是16個微透鏡組成8組基線。每個高分辨率PIC包含4個低分辨率的PIC，前端有8個微透鏡構(gòu)成4組基線。4個PIC依次指向毗鄰區(qū)域以增加低分辨率的視場。在PIC前面是16個微透鏡裝置，通過離軸拋物面鏡和K鏡將來自目標的光耦合進光波導，PIC前面的兩個像旋K反射鏡為高分辨率PIC的視場提供視軸指向和路徑匹配。

第二代PIC布局如圖6所示。第二代PIC最長基線104.4mm，206路波導輸出，見圖6（a）。AWG數(shù)量與基線數(shù)量相等。在結(jié)構(gòu)布局上與SeeMe項目所設計的PIC相關(guān)的改動有以下3點：

1）將MMI耦合器轉(zhuǎn)移到了AWG的前面，這樣可以減少熱調(diào)相組件的使用，SeeMe項目需要使用與光譜數(shù)量相等的調(diào)相組件，而優(yōu)化布局后只需要使用與基線數(shù)量相等的熱調(diào)相器，有利于降低系統(tǒng)的功耗，并給AWG騰出了足夠的布局空間。

2）優(yōu)化設計了干涉儀的基線，采用多層結(jié)構(gòu)設計，使波導之間不存在交叉。低分辨率PIC包含5層結(jié)構(gòu)，高分辨率PIC在第二層中加入接觸式光刻扇入封裝層以適應長基線設計，見表1。

3）每個基線對都使用完全相同的AWG和MMI耦合器，同一個基線的兩個組件共用一個AWG，一個從北向輸入，一個從南向輸入，MMI耦合器的兩個輸出端共用相同的陣列臂，可以把不同光束之間的波長差降到最小，如圖6（b）。

表1 高/低分辨率PIC各層結(jié)構(gòu)

Tab.1 Each layout structure of high/low-resolution PIC

2.3 第三代PIC

表2為目前UC Davis和洛克馬丁先進技術(shù)中心聯(lián)合研制的第三代PIC參數(shù)。PIC材料由硅基二氧化硅波導到氮化硅波導[17]，版圖尺寸減小，總的功耗降低，輸出波導數(shù)增多，成像譜段有所擴展，更貼近實際應用場景。

表2 各代PIC參數(shù)

Tab.2 Parameters of each generation PIC

為了驗證第三代PIC的成像能力，需要擴展場景進行成像試驗，成像試驗裝置見圖7[18-19]。該試驗裝置用來對SPIDER遠場成像能力進行仿真，它包含場景發(fā)生器及SPIDER成像系統(tǒng)。來自場景的光通過透鏡耦合進波導，在MMI耦合器中干涉，產(chǎn)生的干涉條紋被探測器記錄。試驗裝置用快速轉(zhuǎn)向鏡（Fast-Steering Mirror，F(xiàn)SM）替代熱調(diào)相器進行干涉條紋采樣，F(xiàn)SM控制相位和頻率沿水平光軸正弦變化。

成像試驗結(jié)果對比如圖8所示。成像試驗采用美國空軍標準靶標（圖8（a））作為擴展場景，在不考慮噪聲情況下，對靶標進行傅里葉采樣，經(jīng)過快速傅里葉變換后的仿真圖像（圖8（b））與原靶標較為接近，分辨率較高；而由于FSM存在階躍誤差，根據(jù)試驗采樣數(shù)據(jù)快速傅里葉變換所得原始圖像模糊（圖8（c）），分辨率降低；在消除FSM階躍誤差后得到最終重構(gòu)圖像（圖8（d））。很明顯，在消除FSM階躍誤差后，重構(gòu)圖像與目標較為接近，成像品質(zhì)明顯優(yōu)于對試驗數(shù)據(jù)直接快速傅里葉反變換。

對于天基遙感應用，到達光瞳處的能量較低，因此降低PIC的損耗顯得尤為重要。一般波導的折射率差越大，對光的束縛越強，截面尺寸會越小，相應的彎曲半徑等參數(shù)也會減小，因此整個光子器件的尺寸會減小。但是波導折射率差大、尺寸小會引起波導傳輸損耗增大。因此需要折中考慮和優(yōu)化光場分布。

3 關(guān)鍵技術(shù)

SPIDER能極大降低遙感器的尺寸、質(zhì)量、功耗，具有廣闊的天基應用前景。目前已經(jīng)完成了方案論證工作，正在進行實驗室驗證，主要有以下三個關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

3.1 基線優(yōu)化

受限于干涉成像原理，一組基線一次只能獲取沿基線方向上的空間頻率。因此，SPIDER需要多個一維的透鏡陣列沿徑向排列，滿足頻率覆蓋要求才可重構(gòu)目標的圖像。分辨率與基線長度成正比，基線越長分辨率越高。合理優(yōu)化基線分布，在保證長基線采樣的同時，避免短基線對目標空間頻率重復采樣，既能提高圖像的分辨率，又能有效減少PIC的集成，是SPIDER成像的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 PIC

PIC的研制是SPIDER應用的關(guān)鍵。PIC中有多個不同功能的部組件，對于單個功能器件（波分復用器、輸入和輸出的耦合結(jié)構(gòu)等）的設計和制造都可以做到最優(yōu)，但是將各器件集成在一個回路中可能就不是最優(yōu)。這時，需要根據(jù)系統(tǒng)的指標進行折中設計優(yōu)化。另外，大規(guī)模的波導集成，波導間信號的串擾不可避免，需要對各功能器件進行優(yōu)化布局，減少光波導之間的相互干擾。

3.3 圖像重構(gòu)

不同長度、不同方向的基線對目標的空間頻率采樣，獲得足夠多的空間頻率信息再經(jīng)過圖像重構(gòu)才能得到目標二維強度分布。圖像品質(zhì)的好壞與重構(gòu)方法的選取有很大關(guān)系，研究不同噪聲背景、不同采樣方法的圖像重構(gòu)算法，同時開展空間頻率欠采樣時的重構(gòu)算法對減輕PIC集成負擔，提高SPIDER成像品質(zhì)有著重要的意義。

4 發(fā)展趨勢及應用前景

4.1 發(fā)展趨勢

1）從單基線到多基線，基線方向、長度豐富，一次采樣即可獲得目標全部空間頻率覆蓋，滿足對更復雜場景、更大視場成像需求。

2）隨著PIC材料、工藝的進步，波導設計的優(yōu)化，波導插入損耗、傳輸損耗、串擾等逐步降低，集成度逐步提高，最終實現(xiàn)更大規(guī)模、更高集成度、更低損耗的PIC。

3）在PIC中增加光譜復用器，可以預見未來SPIDER的發(fā)展必定是由目前單一窄譜段到寬譜段，由可見/近紅外、短波紅外、中波紅外到長波紅外，多光譜到高光譜發(fā)展。

4）光學系統(tǒng)、PIC、探測器集成化設計。實現(xiàn)高密度、低損耗、寬譜段波導與光學系統(tǒng)、探測器、處理器等集成設計，最終實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。

4.2 應用前景

現(xiàn)有的技術(shù)只完成了芯片級干涉成像系統(tǒng)實驗室驗證，證明了技術(shù)的可行性。主要的應用瓶頸在成像譜段、波導數(shù)量（PIC集成度）、PIC損耗等方面。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是在PIC材料、工藝、設計方法等方面的突破，該技術(shù)在深空探測、空間態(tài)勢感知、靜止軌道/中低軌高分辨率偵察、快速響應/低成本遙感載荷等領域具有很好的應用前景。

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A Review on Development of Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance System

YU Gongmin1JIN Libing1ZHOU Feng1TONG Xiliang1CHEN Shiping2

（1 Beijing Institute of Space Mechanic & Electrify, Beijing 100094, China） （2 China Academy of Space Technology, Beijing 100080, China）

Asone of the future development directions, the interferometric imaging system based on photonic integrated circuit, owing to its resolution not limited by the aperture size of a single lens, has many excellent characteristics, such as small size, light weight, low power, easy processing and testing. Firstly, the basic principle and composition of the segmented planar imaging detector for electro-optical reconnaissance (SPIDER) are briefly described in the paper. And then a development overview of SPIDER is given. The layout and functional changes of photonic integrated circuits at various stages are analyzed in detail, and the key techniques of SPIDER are summarized. Finally, the future development trend and application prospect of the technology are analyzed and discussed. The analysis shows that SPIDER is developing along the direction of long baseline, large-scale, low power, high integration and wide spectral band imaging, and has wide application potential.

interferometric imaging; photonic integrated circuits; arrayed waveguide grating; baseline optimization; space remote sensing

V474.2

A

1009-8518(2018)05-0001-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.001

余恭敏，男，1988年生，2014年獲南昌大學測試計量技術(shù)與儀器專業(yè)碩士學位，現(xiàn)在中國空間技術(shù)研究院飛行器設計專業(yè)攻讀博士學位。研究方向為遙感器總體設計。E-mail：yu_568651142@163.com。

2018-05-15

（編輯：王麗霞）