基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统及成像方法技术方案

本发明专利技术为解决空间光学成像中通过光子集成回路合成孔径存在光子集成电路复杂和采样效率较低的问题，而提供了一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统及成像方法。本发明专利技术的成像系统包括透镜阵列、光子集成回路和信号处理模块；透镜阵列通过光纤传像束与光子集成回路连接中的光波导连接，与光纤传像束相连的光波导接入光子集成回路后，通过光纤分路器分为两路，各加入一个可控制开关的光开关来控制光波导的通断，从而组成一个可以作为测量矩阵的伪随机二值矩阵，使系统满足压缩感知的原理，从而简化光子集成电路设计；两束光首先经过光波导阵列光栅进行分频，然后在正交探测器进行干涉，其相位差通过相位调节器进行调节。其相位差通过相位调节器进行调节。其相位差通过相位调节器进行调节。

【技术实现步骤摘要】
基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统及成像方法


[0001]本专利技术属于空间光学成像
，涉及阵列干涉成像技术和分布式合成孔径技术，具体涉及一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统及成像方法。

技术介绍

[0002]随着前沿空间科学研究对观测分辨率需求的日益提高，各种探测任务对光学成像系统的观测能力及细节分辨率的要求也越来越高，相应的光学成像系统的口径也越来越大。但是，当望远镜口径不断增大时，加工成本呈幂函数趋势增大，现今的工艺不能满足超大口径望远镜镜面的制造精度，并且受到飞行器载荷及发射重量的限制，空间光学成像系统发射最大直径要小于10米，还远不能达到深空探测任务的需求。
[0003]合成孔径技术是利用多个小孔径实现高分辨率成像的有效途径，多个小孔径实现大口径成像效果降低了望远镜口径对成像分辨率的制约，单个小口径的加工成本和系统重量也可以大幅度降低。国际上一些重大项目或计划也在采用光学合成孔径成像技术，例如欧洲南方天文台的甚大望远镜(very large telescope)和觅音计划等。但是，目前的合成孔径技术由于制造技术和成本的原因，子孔径数目较少，因此导致频域覆盖不足。此外，子孔径间的光路连接和校准很复杂，虽然镜头的体积和重量大大减少，但是透镜后面的系统并没有简化。
[0004]阵列干涉成像技术尝试了合成孔径技术的另外一种思路，由洛克马丁公司和UC Davis在2013年提出的SPIDER(Segmented Planar Imaging Detector for EO Reconnaissance)(R.Kendrick,S.T.Thurman,A.Duncan,J.Wilm,and C.Ogden,"Segmented Planar Imaging Detector for EO Reconnaissance,"in Imaging and Applied Optics,Arlington,Virginia,2013/06/23 2013:Optical Society of America,in OSA Technical Digest(online),p.CM4C.1,doi:10.1364/COSI.2013.CM4C.1.[Online].Available:)(R.D.Kendrick,A.；Wilm,J.；Thurman,S.T.；Stubbs,D.M.；Ogden,C.,"flat
‑
panel space
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based space surveillance sensor,"presented at the the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference,Wailea,Maui,Hawaii,2013/09,2013.)(A.Duncan et al.,"SPIDER next generation chip scale imaging sensor,"presented at the the Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference,Wailea,Maui,Hawaii,2014/09,2015.)，基于光子集成回路和干涉原理，通过大量微透镜组成大量基线，然后通过光子集成回路取代传统光学系统后端复杂的光路校准，大大简化了设计难度。可以在保持等效口径的同时，大大减小光学系统的轴向尺寸和重量、功耗。但是，SPIDER中两个微透镜只能组成一条基线，频域采样效率不高，要实现足够的频域覆盖，需要大量的微透镜，而大量微透镜的光路进入光子集成回路，导致光子集成回路上光路和光器件的排布和设计非常困难，在当前的工艺水平下难以实现高质量成像应用。
[0005]我们一直在尝试解决光子集成回路的简化问题和频率采样效率的提高问题。在之
前，我们研究了基于压缩感知的光子集成回路设计CPCIT
‑
2D，可实现2N个透镜情况下N
×
N的频域采样。但是CPCIT
‑
2D的采样效率虽然相比于比SPIDER的N个基线采样数目提升很大，与2N个透镜可组成的最多基线数目2N
×
2N依然具有一定的差距，只采集到了最大基线数目的25％，其图像重建效果还有一定的改进空间。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决空间光学成像中通过光子集成回路合成孔径存在光子集成电路复杂和采样效率较低的问题，而提供了一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统及成像方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统，其特殊之处在于：包括透镜阵列、光子集成回路和信号处理模块；
[0009]所述透镜阵列包括2N个呈一维排布、二维排布或算法优化排布的透镜；
[0010]所述光子集成回路设置在透镜阵列的后焦面上，包括依次连接的光波导、光开关、正交探测器、波导阵列光栅和光电探测器；所述光波导中设置有1
×
2光纤分路器；1
×
2光纤分路器的两个输出端分别连接有光开关；
[0011]所述透镜阵列通过光纤传像束与光子集成回路中的光波导连接；所述光波导的数量与透镜阵列中透镜的数量相同；
[0012]目标发出的2N个入射光束通过透镜后经光纤传像束进入光波导，通过1
×
2光纤分路器将每个光束分为光能量为50:50的两路光，两路光分别通过光开关控制通断；
[0013]2N个入射光束对应的两路光分别合束后形成两束汇合光，入射至正交探测器，经正交探测器进行干涉后进入光电探测器，通过光电探测器进行光电转换和测量；
[0014]信号处理模块用于根据光电探测器获得的信号，计算得到目标频域对应的振幅和相位信息，并通过算法进行目标图像的重建和优化，得到目标场景高分辨率图像。
[0015]进一步地，所述透镜阵列包括2N个算法优化排布的透镜；所述算法优化排布为采用遗传算法的优化排布。
[0016]进一步地，所述2N＝50。
[0017]本专利技术还提供了一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像方法，采用上述的基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0018]步骤一、透镜阵列接收目标发出的入射光束，入射光束进入透镜阵列后，通过光纤传像束传输至光子集成回路上的光波导中，通过每根光波导上的光开关控制光纤通断；
[0019]透镜阵列后的2N根光波导的入射光定义为：U＝[U1,U2,
…
,U
2N
]T
∈R
2N
×1，此时不同光波导中的入射光可以表示为：
[0020][0021]其中，U
i
表示第i根光波导中的入射光；A
i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统，其特征在于：包括透镜阵列、光子集成回路和信号处理模块；所述透镜阵列包括2N个呈一维排布、二维排布或算法优化排布的透镜；所述光子集成回路设置在透镜阵列的后焦面上，包括依次连接的光波导、光开关、正交探测器、波导阵列光栅和光电探测器；所述光波导中设置有1
×
2光纤分路器；1
×
2光纤分路器的两个输出端分别连接有光开关；所述透镜阵列通过光纤传像束与光子集成回路中的光波导连接；所述光波导的数量与透镜阵列中透镜的数量相同；目标发出的2N个入射光束通过透镜后经光纤传像束进入光波导，通过1
×
2光纤分路器将每个光束分为光能量为50:50的两路光，两路光分别通过光开关控制通断；2N个入射光束对应的两路光分别合束后形成两束汇合光，入射至正交探测器，经正交探测器进行干涉后进入光电探测器，通过光电探测器进行光电转换和测量；信号处理模块用于根据光电探测器获得的信号，计算得到目标频域对应的振幅和相位信息，并通过算法进行目标图像的重建和优化，得到目标场景高分辨率图像。2.根据权利要求1所述的基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统，其特征在于：所述透镜阵列包括2N个算法优化排布的透镜；所述算法优化排布为采用遗传算法的优化排布。3.根据权利要求2所述的基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统，其特征在于：所述2N＝50。4.一种基于光子集成回路的分布式合成孔径成像方法，采用如权利要求1
‑
3任一所述的基于光子集成回路的分布式合成孔径成像系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、透镜阵列接收目标发出的入射光束，入射光束进入透镜阵列后，通过光纤传像束传输至光子集成回路上的光波导中，通过每根光波导上的光开关控制光纤通断；透镜阵列后的2N根光波导的入射光定义为：U＝[U1,U2,
…
,U
2N
]
T
∈R
2N
×1，此时不同光波导中的入射光可以表示为：其中，U
i
表示第i根光波导中的入射光；A
i
表示第i根光波导中入射光的振幅；表示第i根光波导中入射光的相位，ω表示入射光的角频率，t代表时间；每根光波导通过1
×
2光纤分路器进行50:50分光后，将入射光分为P光路和Q光路：2光纤分路器进行50:50分光后，将入射光分为P光路和Q光路：U
p
表示P光路中第p根光波导中的入射光；A
p
表示P光路中第p根光波导中的入射光的振幅；表示P光路中第p根光波导中的入射光的相位；U
q
表示Q光路中第q根光波导中的入射光；A
q
表示Q光路中第q根光波导中的入射光的振幅；表示Q光路中第q根光波导中的入射光的相位；步骤二、2N个P光路和2N个Q光路进入正交探测器前分别进行合束，汇合为两个输入光U
S
和U
R
，其中，U
S
为P光路中各光波导入射光的和，
R
为Q光路中各光波导入射光的和；为Q光路中各光波导入射光的和；步骤三、两个入射光U
S
和U
R
在正交探测器中进行干涉，光电探测器接收到干涉后的光强采用同步信号f
I
和正交信号f
Q
表示：表示：步骤四、重复步骤一至步骤三M次，得到M个同步信号f
I
和正交信号f
Q
；步骤五、利用得到M个同步信号f
I
和正交信号f
Q
，进行图像重建建模；5.1)获取测量值y
′
每根光纤中加入的光开关分别为Φ
j
和Φ
′
j
，连接正交探测器的S输入的光开关测量矩阵表示为Φ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘罡，贺天兵，宋宗玺，范文慧，汶德胜，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：