摘要

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?fàn)顩r進(jìn)行了概述，詳細(xì)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(yīng)用前景進(jìn)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(yīng)用前景廣泛。

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(lǐng)域有著迫切的需求。根據(jù)瑞利分辨率準(zhǔn)則，θ=1.22λ/D（其中，θ為相機(jī)角分辨率，λ為入射波長，D是相機(jī)口徑），增大相機(jī)口徑能有效提高分辨率。但受運(yùn)載包絡(luò)尺寸限制，相機(jī)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(xué)加工困難、支撐結(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)系統(tǒng)的發(fā)射帶來困難；復(fù)雜的空間環(huán)境也可能導(dǎo)致大口徑光學(xué)鏡面的變形而不能工作?？趶綖?.5m的赫歇爾空間天文望遠(yuǎn)鏡（Herschel Space Observatory，HSO）和2.4m的哈勃太空望遠(yuǎn)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。因此，需要新的技術(shù)途徑實(shí)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(yuǎn)鏡對物體成像，達(dá)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(biāo)信息對應(yīng)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(biāo)光學(xué)信息，在光子集成回路（Photonic Integrated Circuit，PIC）中實(shí)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。本文對SPIDER的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)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(yīng)用前景進(jìn)行了分析和討論。

SPIDER 組成與基本原理

根據(jù) Van Cittert-Zernike（范西特-澤尼克）定理，當(dāng)目標(biāo)本身的線度以及觀測區(qū)域的線度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二者之間的距離時，觀測區(qū)域上的復(fù)相干度正比于目標(biāo)強(qiáng)度分布的歸一化傅里葉變換。由兩個或幾個望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成長基線光干涉陣，每條基線對應(yīng)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(fù)相干度的模和相位，即傅里葉振幅和相位。每一組基線對應(yīng)于目標(biāo)某一特定的空間頻率分量，基線越長，采集到的目標(biāo)信息對應(yīng)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(biāo)不同的空間頻率信息進(jìn)行采樣；當(dāng)對目標(biāo)的傅里葉頻譜采樣覆蓋（即 UV 覆蓋）達(dá)到重構(gòu)圖像的要求后，再通過傅里葉逆變換就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(jìn)行補(bǔ)償恢復(fù)，才能得到更加逼近目標(biāo)的圖像。

圖 1 為兩個口徑的干涉儀示意，圖中 L 是系統(tǒng)的視軸，x1、x2 分別是口徑1和口徑2的延遲線，x2-x1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B，同時獲取點(diǎn)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(yīng)的干涉條紋，重構(gòu)得到目標(biāo)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(fù)雜的機(jī)械延遲線來形成干涉條紋，這樣的系統(tǒng)不能同時對多個空間頻率進(jìn)行采樣測量。機(jī)械延遲、長基線等因素導(dǎo)致了干涉系統(tǒng)的體積龐大，且光學(xué)波段的干涉實(shí)現(xiàn)不易。受限于干涉基線的數(shù)量，不能一次性對目標(biāo)所有的空間頻率進(jìn)行采樣，傳統(tǒng)的干涉儀系統(tǒng)需犧牲時間分辨率來達(dá)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。

SPIDER采用基于標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)的PIC技術(shù)，取代了傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所需的大型光學(xué)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。采用微米尺度的光波導(dǎo)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(yīng)的干涉儀。SPIDER結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示，SPIDER包括獲取光學(xué)信息的兩維微透鏡陣列和進(jìn)行光干涉操作的PIC兩部分組成，在PIC上集成了陣列波導(dǎo)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(shí)現(xiàn)路徑匹配、相位調(diào)整、光束組合、光檢測等功能。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(yīng)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(biāo)，每個透鏡將目標(biāo)光耦合進(jìn)單模波導(dǎo)，在 PIC上實(shí)現(xiàn)干涉，并由探測器檢測輸出，對干涉條紋進(jìn)行處理，得到相應(yīng)干涉基線的目標(biāo)復(fù)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(biāo)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(dǎo)，微透鏡將光耦合進(jìn)波導(dǎo)中，經(jīng)過 AWG 將光復(fù)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(yīng)的干涉條紋信息，經(jīng)過圖像重構(gòu)得到目標(biāo)的圖像。

在天文觀測中，干涉儀一般用來對有限寬度的目標(biāo)成像，視場較小。SPIDER可以對擴(kuò)展目標(biāo)成像，每個單模波導(dǎo)作為系統(tǒng)的視場光闌可有效地限制目標(biāo)的尺寸，這樣系統(tǒng)的視場與波導(dǎo)數(shù)量成正比。AWG 將光復(fù)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。

SPIDER 發(fā)展概述

2012 年加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）和洛克馬丁先進(jìn)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(xiàng)目獲得了美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）太空增強(qiáng)軍事作戰(zhàn)效能項(xiàng)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。

【1】第一代 PIC

圖 3 為第一代 PIC 布局，由 UC Davis 的研究人員設(shè)計(jì)。尺寸 125mm×68mm，4 個透鏡（口徑 D=3mm，焦距 f=7.5mm）有 2 組基線（5mm、20mm），每個透鏡后面有 5 個單模波導(dǎo)，波分復(fù)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(jìn)行干涉，輸出波導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度歸一化后，正弦擬合結(jié)果見圖 4（a），長基線測得點(diǎn)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(diǎn)源干涉條紋可見度。因?yàn)槭蔷匦慰趶剑瑔蝹€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(diǎn)的值與理論預(yù)測值有6%~8%的誤差。對于長基線，誤差為 3%~4%。試驗(yàn)結(jié)果表明，SPIDER 既可以對有限場景成像，也可以對擴(kuò)展場景成像。

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(jì)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(tuán)隊(duì)對 SPIDER 項(xiàng)目進(jìn)行了降低風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)、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。并論證了 SPIDER應(yīng)用于木衛(wèi)二探測任務(wù)的可行性。

【2】第二代 PIC

DARPA 的 SPIDER 動態(tài)成像研究項(xiàng)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(jìn)毛尹島光學(xué)和空間監(jiān)視技術(shù)會議（2015 Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，AMOS）上報(bào)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(shè)計(jì)方案，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(biāo)的光耦合進(jìn)光波導(dǎo)，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(dǎo)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(xiàng)目所設(shè)計(jì)的 PIC 相關(guān)的改動有以下 3 點(diǎn)：

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(xiàng)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(shè)計(jì)了干涉儀的基線，采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使波導(dǎo)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(yīng)長基線設(shè)計(jì)，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）。

【3】第三代 PIC

表2為目前 UC Davis 和洛克馬丁先進(jìn)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(dǎo)到氮化硅波導(dǎo)，版圖尺寸減小，總的功耗降低，輸出波導(dǎo)數(shù)增多，成像譜段有所擴(kuò)展，更貼近實(shí)際應(yīng)用場景。

為了驗(yàn)證第三代 PIC 的成像能力，需要擴(kuò)展場景進(jìn)行成像試驗(yàn)，成像試驗(yàn)裝置見圖 7。該試驗(yàn)裝置用來對 SPIDER 遠(yuǎn)場成像能力進(jìn)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(jìn)波導(dǎo)，在 MMI 耦合器中干涉，產(chǎn)生的干涉條紋被探測器記錄。試驗(yàn)裝置用快速轉(zhuǎn)向鏡（Fast-Steering Mirror，F(xiàn)SM）替代熱調(diào)相器進(jìn)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(yàn)結(jié)果對比如圖 8 所示。成像試驗(yàn)采用美國空軍標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)（圖 8（a））作為擴(kuò)展場景，在不考慮噪聲情況下，對靶標(biāo)進(jìn)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(biāo)較為接近，分辨率較高；而由于 FSM 存在階躍誤差，根據(jù)試驗(yàn)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(biāo)較為接近，成像品質(zhì)明顯優(yōu)于對試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接快速傅里葉反變換。

對于天基遙感應(yīng)用，到達(dá)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(dǎo)的折射率差越大，對光的束縛越強(qiáng)，截面尺寸會越小，相應(yīng)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(dǎo)折射率差大、尺寸小會引起波導(dǎo)傳輸損耗增大。因此需要折中考慮和優(yōu)化光場分布。

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(yīng)用前景。目前已經(jīng)完成了方案論證工作，正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，主要有以下三個關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

【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(biāo)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(biāo)空間頻率重復(fù)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。

【2】PIC

PIC 的研制是 SPIDER 應(yīng)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(fù)用器、輸入和輸出的耦合結(jié)構(gòu)等）的設(shè)計(jì)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(biāo)進(jìn)行折中設(shè)計(jì)優(yōu)化。另外，大規(guī)模的波導(dǎo)集成，波導(dǎo)間信號的串?dāng)_不可避免，需要對各功能器件進(jìn)行優(yōu)化布局，減少光波導(dǎo)之間的相互干擾。

【3】圖像重構(gòu)

不同長度、不同方向的基線對目標(biāo)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(biāo)二維強(qiáng)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(fù)擔(dān)，提高 SPIDER 成像品質(zhì)有著重要的意義。

發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景

【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(biāo)全部空間頻率覆蓋，滿足對更復(fù)雜場景、更大視場成像需求。

2）隨著 PIC 材料、工藝的進(jìn)步，波導(dǎo)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，波導(dǎo)插入損耗、傳輸損耗、串?dāng)_等逐步降低，集成度逐步提高，最終實(shí)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(fù)用器，可以預(yù)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(xué)系統(tǒng)、PIC、探測器集成化設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)高密度、低損耗、寬譜段波導(dǎo)與光學(xué)系統(tǒng)、探測器、處理器等集成設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。

【2】應(yīng)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(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，證明了技術(shù)的可行性。主要的應(yīng)用瓶頸在成像譜段、波導(dǎo)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(shè)計(jì)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(yīng)/低成本遙感載荷等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

搬運(yùn)件完畢

原標(biāo)題：分塊式平面光電偵察成像系統(tǒng)發(fā)展概述

編寫人員：余恭敏，晉利兵，周峰，童錫良（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094），陳世平（中國空間技術(shù)研究院，北京 100080）

文件翻譯：無翻譯內(nèi)容

文件校對：Falcon 9

搬運(yùn)件出版方：ASPT-航天科普小組

搬運(yùn)件版權(quán)所有：搬運(yùn)件出版方無版權(quán)

原文件出版方：航天返回與遙感

原文件版權(quán)所有：航天返回與遙感及其編寫人員

出版時間：當(dāng)?shù)貢r間2018

原文地址：http://journal11.magtechjournal.com/Jwk3_htfhyg/CN/10.3969/j.issn.1009-8518.2018.05.001