分块式平面光电侦察成像系统发展概述

余恭敏 晋利兵 周峰 童锡良 陈世平



分块式平面光电侦察成像系统发展概述

余恭敏1晋利兵1周峰1童锡良1陈世平2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （2 中国空间技术研究院，北京 100080）

基于光子集成回路的干涉成像系统体积小、质量轻、功耗小、易于加工测试，且系统分辨率不受单个透镜口径尺寸的限制，是未来发展方向之一。文章首先简述了分块式平面光电侦察成像系统（SPIDER）的基本原理与组成，并对SPIDER的发展状况进行了概述，详细分析了各阶段光子集成回路布局、功能变化；分析与总结了SPIDER的关键技术；最后，对该技术未来发展趋势、应用前景进行了分析和讨论。分析表明：SPIDER正朝着基线更长、大规模低功耗高集成度、宽谱段成像方向发展，应用前景广泛。

干涉成像 光子集成回路 阵列波导光栅 基线优化 航天遥感

0 引言

高分辨遥感成像技术在军事侦察、资源勘探、环境监测、土地利用、全球变化探测等诸多领域有着迫切的需求[1]。根据瑞利分辨率准则[2]，=1.22/（其中，为相机角分辨率，为入射波长，是相机口径），增大相机口径能有效提高分辨率。但受运载包络尺寸限制，相机口径不能无限增大。受限于材料、工艺等因素，超大口径单体镜存在镜坯不易制备、光学加工困难、支撑结构复杂等问题；增大口径使得载荷体积和质量增加，给天基光学系统的发射带来困难；复杂的空间环境也可能导致大口径光学镜面的变形而不能工作。口径为3.5m的赫歇尔空间天文望远镜（Herschel Space Observatory，HSO）和2.4m的哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）是目前在轨的最大单体镜成像系统，已经接近目前加工能力的极限[2]。因此，需要新的技术途径实现高分辨成像。

综合口径成像技术利用多个小口径望远镜对物体成像，达到单一大口径系统的衍射极限分辨率。系统的分辨率与最长干涉基线相关，基线越长采集到的目标信息对应的空间频率越高，沿基线方向的分辨率也就越高。近年来，国际上提出了分块式平面光电侦察成像系统（Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance，SPIDER）的新概念，基于长基线干涉和光子集成回路技术，通过两维的大规模微透镜阵列获取目标光学信息，在光子集成回路（Photonic Integrated Circuit，PIC）中实现路径匹配、相位调整、光束组合、光检测等处理，通过分析干涉图像的振幅和相位，经过图像重构获得高分辨率图像，能极大降低遥感载荷的尺寸、质量、功耗（10倍~100倍）和研制周期[3-4]。

本文对SPIDER的发展状态进行了概述，分析与总结了其中的关键技术，并对其发展趋势、应用前景进行了分析和讨论。

1 SPIDER组成与基本原理

根据Van Cittert-Zernike（范西特-泽尼克）定理，当目标本身的线度以及观测区域的线度都远远小于二者之间的距离时，观测区域上的复相干度正比于目标强度分布的归一化傅里叶变换[5]。由两个或几个望远镜构成长基线光干涉阵，每条基线对应理想光干涉成像系统像面上的一组与基线方向垂直的明暗相间的干涉条纹，从条纹中可以提取出复相干度的模和相位，即傅里叶振幅和相位。每一组基线对应于目标某一特定的空间频率分量，基线越长，采集到的目标信息对应的空间频率越高，因此沿基线方向的分辨率也就越高。增加口径数量，丰富基线方向、基线长度，就可以对目标不同的空间频率信息进行采样；当对目标的傅里叶频谱采样覆盖（即UV覆盖）达到重构图像的要求后，再通过傅里叶逆变换就可以实现目标的二维图像重构。由于对频率的采样覆盖属于离散采样，所以傅里叶逆变换得到的图像并不清晰（即“脏图”），需要采用一定的算法对图像进行补偿恢复，才能得到更加逼近目标的图像[6]。

图1为两个口径的干涉仪示意，图中是系统的视轴，1、2分别是口径1和口径2的延迟线，2-1为口径1和口径2的光程差，口径1和口径2组成一个干涉基线，同时获取点源的光信息，经过延迟线使口径1和口径2的光满足干涉条件，形成干涉，并由探测器检测输出相应的干涉条纹，重构得到目标的图像。传统的干涉仪由天文观测的需要而逐步发展而来，需要复杂的机械延迟线来形成干涉条纹[7]，这样的系统不能同时对多个空间频率进行采样测量。机械延迟、长基线等因素导致了干涉系统的体积庞大，且光学波段的干涉实现不易。受限于干涉基线的数量，不能一次性对目标所有的空间频率进行采样，传统的干涉仪系统需牺牲时间分辨率来达到高分辨成像的目的，例如，天文干涉需要借助地球的自转丰富采样频率[8]。

SPIDER采用基于标准光刻技术的PIC技术，取代了传统光学望远镜所需的大型光学系统和结构[9]。采用微米尺度的光波导和微米尺度的堆积密度构成的纳米光子结构，形成相应的干涉仪。SPIDER结构及原理如图2所示，SPIDER包括获取光学信息的两维微透镜阵列和进行光干涉操作的PIC两部分组成，在PIC上集成了阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）、相位调制器、多模干涉（Multi-Mode Interference，MMI）耦合器等部组件，在光子集成回路上实现路径匹配、相位调整、光束组合、光检测等功能[10]。SPIDER结构如图2（a）所示，包括抑制杂散光的管状结构、微透镜阵列及相应的PIC，微透镜阵列位于管状结构中，以减少杂散光的影响。SPIDER工作原理如图2（b）所示，一维干涉仪阵列包含透镜阵列和PIC，透镜阵列成对组成不同的干涉基线，对于一个非相干源目标，每个透镜将目标光耦合进单模波导，在PIC上实现干涉，并由探测器检测输出，对干涉条纹进行处理，得到相应干涉基线的目标复可见度（振幅、相位）。多个一维干涉阵列按径向排列组成两维的SPIDER，一次采样即可得到目标全部的频率覆盖，时间分辨率高。图2（c）为包含5mm、20mm基线的PIC原理图，每个透镜后有5个波导，微透镜将光耦合进波导中，经过AWG将光复用成等宽的三个窄谱段，相同谱段在MMI耦合器中耦合干涉，并由线阵探测器检测输出相应的干涉条纹信息，经过图像重构得到目标的图像。

在天文观测中，干涉仪一般用来对有限宽度的目标成像，视场较小。SPIDER可以对扩展目标成像，每个单模波导作为系统的视场光阑可有效地限制目标的尺寸[11]，这样系统的视场与波导数量成正比[12]。AWG将光复用成多个窄谱段，以提高光子效率并增加系统的空间频率覆盖。

2 SPIDER发展概述

2012年加州大学戴维斯分校（UC Davis）和洛克马丁先进技术中心的研究人员提出采用PIC技术将干涉阵列微缩在一个芯片上的方案，极大地降低了载荷的体积、质量、功耗，该项目获得了美国国防高级研究计划局（DARPA）太空增强军事作战效能项目（Space Enhances Military Operational Effectiveness Program SeeMe Program）资助。根据PIC材料、布局等的不同，可以将PIC分为三个不同的阶段。

2.1 第一代PIC

图3为第一代PIC布局，由UC Davis的研究人员设计[13]。尺寸125mm×68mm，4个透镜（口径=3mm，焦距=7.5mm）有2组基线（5mm、20mm），每个透镜后面有5个单模波导，波分复用器将光分为中心波长分别为1 540nm、1 560nm、1 580nm三个谱段（带宽20nm）。调相后，相同谱段分别在2×2多模干涉仪中进行干涉，输出波导数60，由线阵探测器检测输出。光子集成回路以Si为基底，包芯和包层的折射率差为1.5%，单模波导宽4.8μm，厚5.2μm。该PIC插入损耗10.5dB，传输损耗–37.5dB。

图4为第一代PIC不同基线可见度拟合结果。将单个光束强度归一化后，正弦拟合结果见图4（a），长基线测得点源的干涉条纹可见度为0.90，短基线时为0.94。图4（b）是5mm、20mm基线下不同狭缝宽度测得点源干涉条纹可见度。因为是矩形口径，单个基线测得的理论可见度口径宽度函数可拟合成sinc曲线，但是可见度尖峰比理想的低。对于短基线，前3个零点的值与理论预测值有6%~8%的误差。对于长基线，误差为3%~4%。试验结果表明，SPIDER既可以对有限场景成像，也可以对扩展场景成像[9]。

在洛克马丁公司的内部研究和发展（Internal Research and Development，IRAD）基金、美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）/美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的（Cooperative Research and Development，CRAD）基金的联合资助下，UC Davis的研究团队对SPIDER项目进行了降低风险试验和设计、仿真等方面研究。将SPIDER成像技术的技术成熟度（Technology Readiness Level，TRL）提升至3级[14]。并论证了SPIDER应用于木卫二探测任务的可行性[15]。

2.2 第二代PIC

DARPA的SPIDER动态成像研究项目（SPIDER Zoom Program），将SPIDER成像技术的技术成熟度TRL提升至4级。在2015年先进毛尹岛光学和空间监视技术会议（2015 Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference，AMOS）上报道了一种同时具备高分辨率小视场（0.12mrad）和低分辨率大视场（0.35mrad）成像能力的SPIDER设计方案[16]，如图5所示。高分辨率PIC的最长基线为104.4mm，低分辨率的最长基线为20.88mm。该方案由19个高分辨率（即长基线）PIC沿径向排列，在PIC的前端是16个微透镜组成8组基线。每个高分辨率PIC包含4个低分辨率的PIC，前端有8个微透镜构成4组基线。4个PIC依次指向毗邻区域以增加低分辨率的视场。在PIC前面是16个微透镜装置，通过离轴抛物面镜和K镜将来自目标的光耦合进光波导，PIC前面的两个像旋K反射镜为高分辨率PIC的视场提供视轴指向和路径匹配。

第二代PIC布局如图6所示。第二代PIC最长基线104.4mm，206路波导输出，见图6（a）。AWG数量与基线数量相等。在结构布局上与SeeMe项目所设计的PIC相关的改动有以下3点：

1）将MMI耦合器转移到了AWG的前面，这样可以减少热调相组件的使用，SeeMe项目需要使用与光谱数量相等的调相组件，而优化布局后只需要使用与基线数量相等的热调相器，有利于降低系统的功耗，并给AWG腾出了足够的布局空间。

2）优化设计了干涉仪的基线，采用多层结构设计，使波导之间不存在交叉。低分辨率PIC包含5层结构，高分辨率PIC在第二层中加入接触式光刻扇入封装层以适应长基线设计，见表1。

3）每个基线对都使用完全相同的AWG和MMI耦合器，同一个基线的两个组件共用一个AWG，一个从北向输入，一个从南向输入，MMI耦合器的两个输出端共用相同的阵列臂，可以把不同光束之间的波长差降到最小，如图6（b）。

表1 高/低分辨率PIC各层结构

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

2.3 第三代PIC

表2为目前UC Davis和洛克马丁先进技术中心联合研制的第三代PIC参数。PIC材料由硅基二氧化硅波导到氮化硅波导[17]，版图尺寸减小，总的功耗降低，输出波导数增多，成像谱段有所扩展，更贴近实际应用场景。

表2 各代PIC参数

Tab.2 Parameters of each generation PIC

为了验证第三代PIC的成像能力，需要扩展场景进行成像试验，成像试验装置见图7[18-19]。该试验装置用来对SPIDER远场成像能力进行仿真，它包含场景发生器及SPIDER成像系统。来自场景的光通过透镜耦合进波导，在MMI耦合器中干涉，产生的干涉条纹被探测器记录。试验装置用快速转向镜（Fast-Steering Mirror，FSM）替代热调相器进行干涉条纹采样，FSM控制相位和频率沿水平光轴正弦变化。

成像试验结果对比如图8所示。成像试验采用美国空军标准靶标（图8（a））作为扩展场景，在不考虑噪声情况下，对靶标进行傅里叶采样，经过快速傅里叶变换后的仿真图像（图8（b））与原靶标较为接近，分辨率较高；而由于FSM存在阶跃误差，根据试验采样数据快速傅里叶变换所得原始图像模糊（图8（c）），分辨率降低；在消除FSM阶跃误差后得到最终重构图像（图8（d））。很明显，在消除FSM阶跃误差后，重构图像与目标较为接近，成像品质明显优于对试验数据直接快速傅里叶反变换。

对于天基遥感应用，到达光瞳处的能量较低，因此降低PIC的损耗显得尤为重要。一般波导的折射率差越大，对光的束缚越强，截面尺寸会越小，相应的弯曲半径等参数也会减小，因此整个光子器件的尺寸会减小。但是波导折射率差大、尺寸小会引起波导传输损耗增大。因此需要折中考虑和优化光场分布。

3 关键技术

SPIDER能极大降低遥感器的尺寸、质量、功耗，具有广阔的天基应用前景。目前已经完成了方案论证工作，正在进行实验室验证，主要有以下三个关键技术亟待突破。

3.1 基线优化

受限于干涉成像原理，一组基线一次只能获取沿基线方向上的空间频率。因此，SPIDER需要多个一维的透镜阵列沿径向排列，满足频率覆盖要求才可重构目标的图像。分辨率与基线长度成正比，基线越长分辨率越高。合理优化基线分布，在保证长基线采样的同时，避免短基线对目标空间频率重复采样，既能提高图像的分辨率，又能有效减少PIC的集成，是SPIDER成像的关键技术之一。

3.2 PIC

PIC的研制是SPIDER应用的关键。PIC中有多个不同功能的部组件，对于单个功能器件（波分复用器、输入和输出的耦合结构等）的设计和制造都可以做到最优，但是将各器件集成在一个回路中可能就不是最优。这时，需要根据系统的指标进行折中设计优化。另外，大规模的波导集成，波导间信号的串扰不可避免，需要对各功能器件进行优化布局，减少光波导之间的相互干扰。

3.3 图像重构

不同长度、不同方向的基线对目标的空间频率采样，获得足够多的空间频率信息再经过图像重构才能得到目标二维强度分布。图像品质的好坏与重构方法的选取有很大关系，研究不同噪声背景、不同采样方法的图像重构算法，同时开展空间频率欠采样时的重构算法对减轻PIC集成负担，提高SPIDER成像品质有着重要的意义。

4 发展趋势及应用前景

4.1 发展趋势

1）从单基线到多基线，基线方向、长度丰富，一次采样即可获得目标全部空间频率覆盖，满足对更复杂场景、更大视场成像需求。

2）随着PIC材料、工艺的进步，波导设计的优化，波导插入损耗、传输损耗、串扰等逐步降低，集成度逐步提高，最终实现更大规模、更高集成度、更低损耗的PIC。

3）在PIC中增加光谱复用器，可以预见未来SPIDER的发展必定是由目前单一窄谱段到宽谱段，由可见/近红外、短波红外、中波红外到长波红外，多光谱到高光谱发展。

4）光学系统、PIC、探测器集成化设计。实现高密度、低损耗、宽谱段波导与光学系统、探测器、处理器等集成设计，最终实现单芯片成像系统。

4.2 应用前景

现有的技术只完成了芯片级干涉成像系统实验室验证，证明了技术的可行性。主要的应用瓶颈在成像谱段、波导数量（PIC集成度）、PIC损耗等方面。随着技术的发展，特别是在PIC材料、工艺、设计方法等方面的突破，该技术在深空探测、空间态势感知、静止轨道/中低轨高分辨率侦察、快速响应/低成本遥感载荷等领域具有很好的应用前景。

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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年获南昌大学测试计量技术与仪器专业硕士学位，现在中国空间技术研究院飞行器设计专业攻读博士学位。研究方向为遥感器总体设计。E-mail：yu_568651142@163.com。

2018-05-15

（编辑：王丽霞）