美国天基微透镜阵列干涉光学成像技术发展初探

刘韬（北京空间科技信息研究所）

2017年8月，洛马公司先进技术中心（LM ATC）公布了具有颠覆性影响力的新型天基光学侦察相机的首幅测试图像。这种新相机简称为“蜘蛛”，全称为“用于光电侦察的分段平面式成像探测器”（SPlDER），该项目获得了美国国防高级研究计划局（DARPA）的资助。第一阶段，得到DARPA的“军事作战空间使能效果”（SEEME）项目的资助，开发原理样机。第二阶段，计划在第一阶段的基础上研制可以变焦的望远镜，它由DARPA的“蜘蛛变焦”（SPlDER Zoom）项目资助。“蜘蛛”相机由洛马公司和加州大学戴维斯分校联合研制。“蜘蛛”相机技术既可以用于成像侦察，也可以用于空间目标监视等领域。

1 “蜘蛛”相机成像原理与结构

“蜘蛛”相机基于干涉成像原理，由微透镜阵列和光子集成电路（PIC）组成，该相机属于一种计算成像相机。具体来说，“蜘蛛”相机的原理基于迈克尔逊干涉仪原理，在该相机中，一组分离的微透镜之间的最长距离是干涉仪的最长基线，而最长基线决定相机的最佳空间分辨率，最长基线大致可认为是传统主镜的直径。同时，“蜘蛛”望远镜所采用的干涉成像结构又与传统干涉成像相机有所不同，传统干涉成像相机一般采用复杂的机械延迟光路，造成空间频率同步测量能力较差，而“蜘蛛”相机基于微尺度的光波导和纳米光子结构实现多基线同步测量能力。

“蜘蛛”相机与传统星载相机原理对比

“蜘蛛”相机的成像工作模式是：入射光射入“蜘蛛”相机微透镜阵列后，光线通过光波导进入光子集成电路，光子集成电路对目标进行采样，最后，数字信号处理（DSP）电路基于逆傅里叶变换关系重建图像。“蜘蛛”相机的微透镜类似智能手机上的摄像头，微透镜技术本身并不复杂，实际上，光子集成电路技术是这种相机的关键技术。光子集成电路由延迟线、光谱信号分离器、相位调制器、光束合成器和探测器组成。

一维微透镜阵列干涉成像相机的结构较为简易。一维阵列包括6个微透镜，两个微透镜为一组，形成3条基线。平衡式四象限探测器用于探测每条基线的振幅和相位。形成二维图像需要若干不同方向的“一维”阵列构成望远镜，最后利用重建算法将振幅和相位数据变换为最终图像。?

实际上，光子集成电路技术非常复杂，采用了多模式干涉耦合等技术，还利用阵列型波导光栅（AWG）技术将宽谱带的光分离为不同光谱通道，以提高空间频率覆盖。射入光波导的光束被阵列型波导光栅分离为窄带光谱通道，然后接入独立的波导，并与相应基线对应的微透镜的相同光谱通道光进行干涉。

在成像能力方面，微透镜阵列干涉相机的性能十分可观。对于500nm的波长、300km轨道高度、0.5m基线长度的微透镜阵列干涉成像相机，其空间分辨率可以高达0.3m。但一组分离的微透镜的视场很小，实际上，微透镜阵列包括若干组微透镜，最终的大视场图像是由每组微透镜的小视场图像进行拼接而成。

2017年8月的测试模拟了一个天基过顶成像侦察的场景，所使用的成像相机是由30组微透镜阵列和相应的光子集成电路组成，每个微透镜的口径小于1mm，模拟成像目标是一个火车站。

“蜘蛛”相机由37个一维阵列组成，其主体结构包括：①若干干涉仪管道组件，该组件包括微透镜，用于将光耦合入光子集成电路波导中；②一个阵列盘，用于承载这些干涉仪管道；③内外校正圆柱环，用于光子集成电路芯片的校正；④光子集成电路板，包括干涉仪组件；⑤刚性支撑背板。

2 “蜘蛛”相机的技术优势

“蜘蛛”相机在尺寸、质量和功率（SWaP）上均大幅下降，这可以大幅度降低卫星和火箭发射成本。对比传统的庞大和复杂的光学相机，新技术可以使相机的质量下降多达90%。

“蜘蛛”相机的外形不再是传统的圆柱体，而是一个平板，可以紧贴卫星平台一侧安装，特别适合作为搭载有效载荷安装在卫星上。除圆形外，微透镜阵列可以组成不同的形状，即可以灵活布局，摆脱传统望远镜仅能以圆柱体形式安装的不足，适用于天基、空基、海基和陆基各类平台，具有很好的应用前景。

在相机制造方面，传统相机的反射镜镜片需要经历镜坯制备、轻量化、抛光和镀膜等制造工艺，反射镜制造完毕后，需要将主镜、次镜等镜片进行精密的装调才能制成望远镜。而“蜘蛛”相机的核心——光子集成电路，可以利用标准的互补金属氧化物半导体（CMOS） 的激光光刻工艺，在数周内制造完毕。

由于“蜘蛛”相机由高度集成的光电器件组成，因此相比传统的由大口径反射镜组成的相机，其受到在轨卫星平台振动的影响较小，不需要复杂和精密的装调，可靠性更好。洛马公司预计，5～10年内相关技术可发展成熟。?

3 结束语

“蜘蛛”相机所采用的微透镜阵列干涉成像技术可以有效降低卫星体积和质量，生产周期较短，工艺较为成熟，成本较低，易于大规模的部署，是低轨高分辨率卫星小型化的重要发展方向之一，也是高轨卫星实现高分辨率成像的重要技术，从项目发展伊始就得到美国军方资助，并由洛马公司牵头进行技术攻关，说明美国对其的重视程度。从此次曝光的图像看，还有图像模糊的问题，说明还存在一些需要解决的关键技术，微透镜阵列干涉成像技术的发展值得我们继续持续关注。