美國(guó)天基微透鏡陣列干涉光學(xué)成像技術(shù)發(fā)展初探

劉韜（北京空間科技信息研究所）

2017年8月，洛馬公司先進(jìn)技術(shù)中心（LM ATC）公布了具有顛覆性影響力的新型天基光學(xué)偵察相機(jī)的首幅測(cè)試圖像。這種新相機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)為“蜘蛛”，全稱(chēng)為“用于光電偵察的分段平面式成像探測(cè)器”（SPlDER），該項(xiàng)目獲得了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的資助。第一階段，得到DARPA的“軍事作戰(zhàn)空間使能效果”（SEEME）項(xiàng)目的資助，開(kāi)發(fā)原理樣機(jī)。第二階段，計(jì)劃在第一階段的基礎(chǔ)上研制可以變焦的望遠(yuǎn)鏡，它由DARPA的“蜘蛛變焦”（SPlDER Zoom）項(xiàng)目資助。“蜘蛛”相機(jī)由洛馬公司和加州大學(xué)戴維斯分校聯(lián)合研制。“蜘蛛”相機(jī)技術(shù)既可以用于成像偵察，也可以用于空間目標(biāo)監(jiān)視等領(lǐng)域。

1 “蜘蛛”相機(jī)成像原理與結(jié)構(gòu)

“蜘蛛”相機(jī)基于干涉成像原理，由微透鏡陣列和光子集成電路（PIC）組成，該相機(jī)屬于一種計(jì)算成像相機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，“蜘蛛”相機(jī)的原理基于邁克爾遜干涉儀原理，在該相機(jī)中，一組分離的微透鏡之間的最長(zhǎng)距離是干涉儀的最長(zhǎng)基線，而最長(zhǎng)基線決定相機(jī)的最佳空間分辨率，最長(zhǎng)基線大致可認(rèn)為是傳統(tǒng)主鏡的直徑。同時(shí)，“蜘蛛”望遠(yuǎn)鏡所采用的干涉成像結(jié)構(gòu)又與傳統(tǒng)干涉成像相機(jī)有所不同，傳統(tǒng)干涉成像相機(jī)一般采用復(fù)雜的機(jī)械延遲光路，造成空間頻率同步測(cè)量能力較差，而“蜘蛛”相機(jī)基于微尺度的光波導(dǎo)和納米光子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多基線同步測(cè)量能力。

“蜘蛛”相機(jī)與傳統(tǒng)星載相機(jī)原理對(duì)比

“蜘蛛”相機(jī)的成像工作模式是：入射光射入“蜘蛛”相機(jī)微透鏡陣列后，光線通過(guò)光波導(dǎo)進(jìn)入光子集成電路，光子集成電路對(duì)目標(biāo)進(jìn)行采樣，最后，數(shù)字信號(hào)處理（DSP）電路基于逆傅里葉變換關(guān)系重建圖像?！爸┲搿毕鄼C(jī)的微透鏡類(lèi)似智能手機(jī)上的攝像頭，微透鏡技術(shù)本身并不復(fù)雜，實(shí)際上，光子集成電路技術(shù)是這種相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。光子集成電路由延遲線、光譜信號(hào)分離器、相位調(diào)制器、光束合成器和探測(cè)器組成。

一維微透鏡陣列干涉成像相機(jī)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)易。一維陣列包括6個(gè)微透鏡，兩個(gè)微透鏡為一組，形成3條基線。平衡式四象限探測(cè)器用于探測(cè)每條基線的振幅和相位。形成二維圖像需要若干不同方向的“一維”陣列構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡，最后利用重建算法將振幅和相位數(shù)據(jù)變換為最終圖像。?

實(shí)際上，光子集成電路技術(shù)非常復(fù)雜，采用了多模式干涉耦合等技術(shù)，還利用陣列型波導(dǎo)光柵（AWG）技術(shù)將寬譜帶的光分離為不同光譜通道，以提高空間頻率覆蓋。射入光波導(dǎo)的光束被陣列型波導(dǎo)光柵分離為窄帶光譜通道，然后接入獨(dú)立的波導(dǎo)，并與相應(yīng)基線對(duì)應(yīng)的微透鏡的相同光譜通道光進(jìn)行干涉。

在成像能力方面，微透鏡陣列干涉相機(jī)的性能十分可觀。對(duì)于500nm的波長(zhǎng)、300km軌道高度、0.5m基線長(zhǎng)度的微透鏡陣列干涉成像相機(jī)，其空間分辨率可以高達(dá)0.3m。但一組分離的微透鏡的視場(chǎng)很小，實(shí)際上，微透鏡陣列包括若干組微透鏡，最終的大視場(chǎng)圖像是由每組微透鏡的小視場(chǎng)圖像進(jìn)行拼接而成。

2017年8月的測(cè)試模擬了一個(gè)天基過(guò)頂成像偵察的場(chǎng)景，所使用的成像相機(jī)是由30組微透鏡陣列和相應(yīng)的光子集成電路組成，每個(gè)微透鏡的口徑小于1mm，模擬成像目標(biāo)是一個(gè)火車(chē)站。

“蜘蛛”相機(jī)由37個(gè)一維陣列組成，其主體結(jié)構(gòu)包括：①若干干涉儀管道組件，該組件包括微透鏡，用于將光耦合入光子集成電路波導(dǎo)中；②一個(gè)陣列盤(pán)，用于承載這些干涉儀管道；③內(nèi)外校正圓柱環(huán)，用于光子集成電路芯片的校正；④光子集成電路板，包括干涉儀組件；⑤剛性支撐背板。

2 “蜘蛛”相機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

“蜘蛛”相機(jī)在尺寸、質(zhì)量和功率（SWaP）上均大幅下降，這可以大幅度降低衛(wèi)星和火箭發(fā)射成本。對(duì)比傳統(tǒng)的龐大和復(fù)雜的光學(xué)相機(jī)，新技術(shù)可以使相機(jī)的質(zhì)量下降多達(dá)90%。

“蜘蛛”相機(jī)的外形不再是傳統(tǒng)的圓柱體，而是一個(gè)平板，可以緊貼衛(wèi)星平臺(tái)一側(cè)安裝，特別適合作為搭載有效載荷安裝在衛(wèi)星上。除圓形外，微透鏡陣列可以組成不同的形狀，即可以靈活布局，擺脫傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡僅能以圓柱體形式安裝的不足，適用于天基、空基、海基和陸基各類(lèi)平臺(tái)，具有很好的應(yīng)用前景。

在相機(jī)制造方面，傳統(tǒng)相機(jī)的反射鏡鏡片需要經(jīng)歷鏡坯制備、輕量化、拋光和鍍膜等制造工藝，反射鏡制造完畢后，需要將主鏡、次鏡等鏡片進(jìn)行精密的裝調(diào)才能制成望遠(yuǎn)鏡。而“蜘蛛”相機(jī)的核心——光子集成電路，可以利用標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS） 的激光光刻工藝，在數(shù)周內(nèi)制造完畢。

由于“蜘蛛”相機(jī)由高度集成的光電器件組成，因此相比傳統(tǒng)的由大口徑反射鏡組成的相機(jī)，其受到在軌衛(wèi)星平臺(tái)振動(dòng)的影響較小，不需要復(fù)雜和精密的裝調(diào)，可靠性更好。洛馬公司預(yù)計(jì)，5～10年內(nèi)相關(guān)技術(shù)可發(fā)展成熟。?

3 結(jié)束語(yǔ)

“蜘蛛”相機(jī)所采用的微透鏡陣列干涉成像技術(shù)可以有效降低衛(wèi)星體積和質(zhì)量，生產(chǎn)周期較短，工藝較為成熟，成本較低，易于大規(guī)模的部署，是低軌高分辨率衛(wèi)星小型化的重要發(fā)展方向之一，也是高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的重要技術(shù)，從項(xiàng)目發(fā)展伊始就得到美國(guó)軍方資助，并由洛馬公司牽頭進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，說(shuō)明美國(guó)對(duì)其的重視程度。從此次曝光的圖像看，還有圖像模糊的問(wèn)題，說(shuō)明還存在一些需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，微透鏡陣列干涉成像技術(shù)的發(fā)展值得我們繼續(xù)持續(xù)關(guān)注。