CN112924026B - 一种干涉平板成像方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及干涉成像技术领域，特别涉及一种干涉平板成像方法及其系统；本发明通过观测目标发出的光经过自由传播到达透镜阵列，经过每个透镜汇聚到表面光栅结构，该结构可将汇聚光耦合入后端光子集成芯片中，光子集成芯片利用波分解复用结构、频谱信号解算结构对耦合入芯片的光分别进行分频、移相和干涉操作，其内光电探测器将光信号转换为电信号输出，可得到光强值，从这些光强值可以计算出观测目标的频域信息的幅值和相位值，再进行目标图像重建。
Description
技术领域
本发明涉及干涉成像技术领域，特别涉及一种干涉平板成像方法及其系统。
背景技术
现有技术中，普通基于精确折光原理的成像系统由成像物镜组和光电转换器件阵列构成，物体光进入成像物镜组，形成的像由光电转换器件阵列接收，从而得到物体图像，通过成像系统可实时记录和观测物体形貌。传统光学望远镜的基本设计原理仍基于精确折光的设计理念，受衍射极限约束，为提高分辨率，必须增大系统口径，为实现更高的分辨率传统空间望远镜的体积、重量将极其庞大,例如哈勃空间望远镜主镜口径为2.4m，JWST望远镜采用拼接主镜为6m，正在论证的ATLAST望远镜将达到惊人的8m口径,其发射成本和在轨维护难度具有极大的挑战性。
光波干涉是一种基本的光学物理现象，光学干涉测量是通过产生相干的两路光，一路作为参考光，一路作为测量光，参考光照射到位置固定的参考反射镜，测量光照射到被测对象，由参考反射镜反射回的参考光与被测对象反射回的物光光波叠加发生干涉，干涉条纹反映两路光光程差信息，从而根据干涉条纹的变化获得被测对象的特征信息；现有的基于精确折光传统大口径成像系统存在着体积、功耗和重量大的缺点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种干涉平板成像方法，利用波导作为导波和光干涉介质，可以大大减小系统的体积、功耗和重量，同时使用了光子集成芯片的移相结构组件可以降低成像系统的共相调整难度；还提供了一种干涉平板成像系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种干涉平板成像方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、观测目标发出光，产生光信号，并传播至透镜阵列；
步骤S2、所述透镜阵列接收光信号，所述透镜阵列内每个透镜再将光信号折射到光子集成芯片的表面光栅结构上并耦合入所述光子集成芯片的内部，通过所述光子集成芯片上各个结构从而实现获取观测目标的频域信息的解算信号，频域信息可通过该解算信号计算得到；
步骤S3、根据计算得到的频域信息，从而重建观测目标的图像。
作为本发明的一种改进，步骤S2包括：
步骤S21、光信号达到孔径平面，所述孔径平面为所述透镜阵列所在的平面，通过所述透镜阵列汇聚光信号，汇聚到光子集成芯片的表面光栅结构；
步骤S22、汇聚到表面光栅结构的光信号，通过所述表面光栅结构耦合入所述光子集成芯片，再通过集成在所述光子集成芯片上的波分解复用结构、频谱信号解算结构到达光电探测器，由所述光电探测器将该光信号转换为电信号；
步骤S23、由孔径平面的透镜阵列的排布计算得到观测目标的频域信息的采样函数，该采样函数应用于步骤S3的图像重构过程。
作为本发明的进一步改进，步骤S3包括：
步骤S31、解算由光电探测器转换的电信号，所述光电探测器转换的电信号为所述频域信息的解算信号，通过所述频域信息的解算信号得到频域信息；
步骤S32、根据频域信息与步骤S23中的采样函数，重构观测目标的图像。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S21内，光信号经过透镜阵列汇聚到光子集成芯片的VHC结构阵列，再经过光子集成芯片上的波分解利用结构阵列，将光信号的宽谱段转换为若干个准单色光输出。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S21内，准单色光输入至光子集成芯片的频谱信号解算结构阵列，得到不同相位差的信号，该不同相位差的信号为步骤S31中的频谱信号的解算信号。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S22内，不同相位差的信号均被对应集成在光子集成芯片的光电探测器接收，从而转换成电信号。
作为本发明的更进一步改进，透镜阵列和光子集成芯片均是按照径向排布。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S32内，设计的算法可将采样区域的频域信号进行保留，同时通过惩罚函数对未采样的频域信号进行特定的插值。
一种干涉平板成像系统，其中，包括透镜阵列背板、径向排布在所述透镜阵列背板上的透镜阵列、背板和径向排布在所述背板上的光子集成芯片。
作为本发明的一种改进，所述光子集成芯片依次集成的表面光栅结构阵列、波分解复用结构阵列和频谱信号解算结构阵列。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过观测目标发出的光经过自由传播到达透镜阵列，经过每个透镜汇聚后耦合入每个透镜后端对应的光子集成芯片中，光子集成芯片利用波分解复用结构、频谱信号解算结构对耦合入芯片的光分别进行分频、移相和干涉操作，其内光电探测器将光信号转换为电信号输出，可得到光强值，从这些光强值可以计算出观测目标的频域信息的幅值和相位值，再进行目标图像重建。
附图说明
图1为本发明的干涉平板成像方法的步骤框图；
图2为本发明的干涉平板成像方法的步骤2的步骤框图；
图3为本发明的干涉平板成像方法的步骤3的步骤框图；
图4为本发明的光子集成芯片的结构部分的示意图；
图5为本发明的光透过透镜的光路示意图；
图6为本发明的光路模型简化图；
图7为本发明的观测目标频域信息解算芯片结构示意图；
图8为本发明的干涉平板成像系统的孔径排布方式的一种实施例示意图；
图9为图8的爆炸示意图；
图10为本发明的光子集成芯片的频谱信号解算结构示意图；
图11为本发明的干涉平板成像方法的流程图；
图12为本发明的目标重建结果示意图一；
图13为本发明的目标重建结果示意图二；
图14为本发明的VHC耦合示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1至图14，本发明的一种干涉平板成像方法，包括如下步骤：
步骤S1、观测目标发出光，产生光信号，并传播至透镜阵列；
步骤S2、透镜阵列接收光信号，透镜阵列内每个透镜再将光信号折射到光子集成芯片的表面光栅结构上并耦合入光子集成芯片的内部，通过光子集成芯片上各个结构从而实现获取观测目标的频域信息的解算信号，频域信息可通过该解算信号计算得到；
步骤S3、根据计算得到的频域信息，从而重建观测目标的图像。
其中步骤S2包括：
步骤S21、光信号达到孔径平面，孔径平面为透镜阵列所在的平面，通过透镜阵列汇聚光信号，汇聚到光子集成芯片的表面光栅结构；
步骤S22、汇聚到表面光栅结构的光信号，通过表面光栅结构耦合入光子集成芯片，再通过集成在光子集成芯片上的波分解复用结构、频谱信号解算结构到达光电探测器，由光电探测器将该光信号转换为电信号；
步骤S23、由孔径平面的透镜阵列的排布计算得到观测目标的频域信息的采样函数，该采样函数应用于步骤S3的图像重构过程。
而且，步骤S3包括：
步骤S31、解算由光电探测器转换的电信号，光电探测器转换的电信号为频域信息的解算信号，通过频域信息的解算信号得到频域信息；
步骤S32、根据频域信息与步骤S23中的采样函数，重构观测目标的图像。
具体地讲，在步骤S21内，光信号经过透镜阵列汇聚到光子集成芯片的表面光栅结构(即为VHC结构阵列)，再经过光子集成芯片上的波分解利用结构阵列，将光信号的宽谱段转换为若干个准单色光输出；准单色光输入至光子集成芯片的频谱信号解算结构阵列，得到不同相位差的信号，该不同相位差的信号为步骤S31中的频谱信号的解算信号(S21得到的只是透镜汇聚光信号，并未被经过光子集成芯片处理，经过光子集成芯片处理可以得到解算信号，光子集成芯片最后得到的信号即为频域信息的解算信号，这些解算信号：来自相同的两束光信号在不同相位差下的干涉信号)；不同相位差的信号均被对应集成在光子集成芯片的光电探测器接收，从而转换成电信号；传统的技术路线，即Segmented planarimaging detector for electro-optic reconnaissance(SPIEDR)采用端面耦合形式，该耦合方式需要透镜焦距与波导端面非常高的对准精度约百纳米，采用了VHC结构可以大大降低对准精度约微米左右，而且采用VHC(vertical-to-horizontal converter)结构，可以将垂直入射的光转到水平方向的光并耦合入波导，这样可以将原来竖直放置的芯片变为水平放置，这样还可以大大降低系统的长度，将透镜阵列固定于设计好背板上与光子集成芯片组合，即可实现平板成像的效果。
在本发明内，透镜阵列和光子集成芯片均是按照径向排布。
在步骤S32内，设计的算法可将采样区域的频域信号进行保留，同时通过惩罚函数对未采样的频域信号进行特定的插值；根据频域信息，构建观测目标的图像，此处将最大熵算法引入干涉成像的图像重构，从而得到较高像质的重构目标。
在本发明内，远场观测目标发出的光经过自由传播到达透镜阵列，经过每个透镜汇聚后耦合入每个透镜后端对应的光子集成芯片的Surface Grating阵列(每个SurfaceGrating都有一定的视场，将输出波导做成阵列结构可以增加其成像视场)中，光子集成芯片利用波分解复用结构阵列(例如Arrayed waveguide grating结构)、频谱信号解算结构阵列(如图10，其包含有移相结构、波导耦合结构)对耦合入芯片内的光分别分频、移相和干涉操作，光子集成芯片上集成的光电探测器(photoelectric detector，PD)将光信号转换为电信号输出，可得到光强值，从这些光强值可以计算出观测目标的频域信息的幅值和相位值。
本发明的一种干涉平板成像方法，其整体流程如具体包括如下步骤：
一、获取观测目标频域信息的解算信号
如图4所示，干涉平板成像系统的单个结构示意图，图11为成像系统孔径排布方式，通过利用透镜阵列接收光信号，通过光子集成芯片进行信号的分频干涉，最后通过片上的光电探测器获得光强信号，该信号即可解算观测目标的频域信息，从而能够获取观测目标频域信息的解算信号。
观测目标频域信息的解算信号的获取包括如下步骤：
1.1光信号从物体平面传播到孔径平面
如图6所示，物体平面的光信号传播到孔径平面，这个过程可以应用部分相干理论描述，可以得到孔径平面上的互谱密度函数(Mutual Spectral Density Function,MSDF)是观测目标的傅里叶变化，该自由传播过程不受系统配置的影响。
1.2光从孔径平面到芯片集成的光电探测器
如图4和图5所示，光从孔径平面到芯片集成的光电探测器传播，需要经过芯片上的Surface Grating阵列、波分解复用结构(例如Arrayed waveguide grating结构)、频谱信号解算结构(如图10，包含有移相结构、波导耦合结构)，最后被片上集成的光电探测器接收，并转换为电信号，此部分过程可以描述为：
Ik＝|Mk|2＝S2+L2+2SLcos[(φS-φL)+Φk]
其中Ik表示光子集成芯片输出的光强信号，Mk表示光子集成芯片输出的振幅。S，φS表示其中一个输入波导的幅值和相位，即
L，φL表示另一个输入波导的幅值和相位，即
Φk表示光子集成芯片引入的相位差，为了解算观测目标的频率信息，Φk的值通过光子集成芯片可设为
步1.3透镜阵列排布与频域信息采样
不同的孔径阵列排布会得到不同的观测目标的频域信号分布，通过合适的设计可以得到较好的频域信号分布，为了展示该系统的可行性，选择如图8的孔径排布方式(我们采用和SPIDER相同的孔径排布方式)，频域得到的观测目标的空间频率f与基线B的关系可以表示为：
f＝λz/(Di-Dj)
＝λz/B；
λ表示成像波长，z表示物体平面到孔径平面的距离；B＝Bi,j＝Di-Dj表示径向上(如图8)两个不同的透镜中心位置之差，称为基线(Baseline)。空间频率f是表示频域坐标，α'表示空域坐标；观测目标Iobject(α')通过Fourier Transform(FT)即可得到频域分布信息，频谱信息可表示为：
V(f)＝FT{Iobject(α')}；
其频域的采样方式可以表示为：
其中H(f)表示在空间频率f处的对频谱信息V(f)的采样权重，即该透镜阵列排布下的采样函数。
二、目标图像重建
通过光子集成芯片上的移相结构的共相调整后，使得两路干涉的透镜之间达到好的共相关系，此时通过芯片集成的光电探测器可以得到观测目标频域信息的解算信号，光电探测器只能接受光强信号，无法接受到振幅信号，因此需要在芯片上设计振幅信号的解算结构，如图10所示为片上频谱信号解算结构(包含有移相结构、波导耦合结构)的简单示意图，移相结构可以采用片上热调移相或者电调移相技术，波导耦合接口包括Y junction和X coupler结构来实现对光信号的分光干涉，通过片上的频谱信号解算结构可以得到单个波长特定基线下的四个光强信号Ik(k＝1,2,3,4)，这四个光强信号可以解算出该基线Bij下对应的频谱信号
由于透镜阵列排布稀疏，观测目标频域信息不能被充分被采集到，因此如果直接进行inverse Fourier Transform(IFT)恢复的效果会很差，需要借助特殊设计的算法，消除这些频域信息未充分采集对最终成像的影响，最终可以获得高分辨的图像。
2.1解算观测目标的频域信息
如图4，经过透镜汇聚的光耦合到Surface Grating(VHC结构)阵列，在经过波分解复用结构可以得到多个准单色光λk信号，这些信号通过片上频谱信号解算结构可以得到四个光强信号输出Ik(k＝1,2,3,4)，这些光强信号通过ABCD方法即可解算频域信号：
V(f)表示空间频率f对应的频谱信号，abs{V(f)}表示其幅值部分，arg{V(f)}表示其相位部分。
2.2频域信息恢复观测目标
本发明中的成像系统对观测目标频域信息降质影响可以简单表示为：
Vsample＝V·H；
其中V表示观测目标的频域信息分布，V(f)＝FT{Iobject(α')}是观测目标Iobject的Fourier Transform(FT)，Vsample表示采样得到的频域信息，表示点乘操作。对于V，Vsample离散的分量为Vij，
降质过程实际上是
和采样的离散分量Hij的对应值相乘得到:
频域信息恢复观测目标基本思想是对逆向问题的求解，其基本思路是对于已采样的频谱信息部分做最大程度的保留，即添加Data fidelity项；对于未采样部分选择使用惩罚函数来添加对观测目标的先验，而且较好的惩罚函数(Penalty function)可以使病态问题存在唯一解，也可以让解得到快速的收敛。
最终需要优化的组合函数包括两个部分Data fidelity项α·χ2及Penaltyfunction项β·P：
J＝α·χ2+β·P；
其中α，β表示各项的系数，
其中
表示对矩阵M中的所有元素求平方和，即
表示对观测目标的估计值；A表示系统对观测目标的降质作用；惩罚函数P有很多形式，例如总变分惩罚，熵惩罚等。本专利中为了展示成像的可行性，采用最大熵的形式即
其中xij表示X中的分量。通过采用不同的优化算法计算迭代，使得组合函数J的值收敛到最小值，即可得到恢复的观测目标。
本发明还提供一种干涉平板成像系统，包括透镜阵列背板、径向排布在透镜阵列背板上的透镜阵列、背板和径向排布在背板上的光子集成芯片。
其中，光子集成芯片包括依次连接的VHC结构阵列、波分解复用结构阵列和频谱信号解算结构阵列，频谱信号解算结构阵列包含有移相结构和波导耦合结构。
具体地说，本发明的干涉平板成像，其整体流程如图11所示，具体包括如下步骤：
一、获取观测目标频域信息的解算信号
如图4所示该方法系统结构示意图，本发明的干涉平板成像方法通过利用透镜阵列接收光信号并进行分频干涉及恢复算法实现干涉平板成像，该系统结构能够实现观测目标频域信息的解算信号的获取。
观测目标频域信息的解算信号的获取包括如下步骤：
1.1光从观测平面传播到孔径平面
如图6所示，远场非相干源的光传播到孔径平面，这个过程可以应用部分相干理论描述，孔径平面上的互谱密度函数(Mutual Spectral Density Function,MSDF)可以表示为：
其中空间频率为
α'表示观测平面上某一点的坐标；
表示孔径平面上任意一点的坐标，观测光的频率为ν波长为λ，非相干源的归一化频谱可以表示为G(ν)，并有∫G(ν)dν＝1，观测目标光强分布为Iobject(α')。孔径平面上，任意两点之间的互谱密度函数只与孔径平面上的两个干涉位置差有关，与物体的绝对位置无关。互谱密度函数是物体信号的傅里叶变换，f1-f2越大既可以观测目标的越高频的信号，因此孔径平面上的两个干涉位置差越大就可以接收到更高频的物体信号，从而得到更好的细节信息，低频包含了物体的轮廓信息。
1.2光从孔径平面到芯片集成的光电探测器
如图4所示，光从孔径平面到芯片集成光电探测器的传播，需要经过透镜，每个透镜将光汇聚到其对应的后端芯片上的Surface Grating(表面光栅结构，VHC结构)阵列，经过片上波分解复用结构，将宽谱段光可以转换为多个准单色光λk输出。孔径平面上，径向上两个不同中心位置(对应基线Bij＝Di-Dj)的透镜得到准单色光λk的光信号输入到同一个频谱信号解算结构(如图5，包含移相结构、波导耦合结构)，既可以得到该基线下Bij的四个有不同相位差的信号，四个信号的相位差
每个信号最后被对应集成片上的光电探测器接收，并转换为电信号，单个空间频率可以得到的四个光强信号如下：此部分过程可以描述为：
Ik＝|Mk|2＝S2+L2+2SLcos[(φS-φL)+Φk]；
其中Ik(k＝1,2,3,4)表示单个频谱信号解算结构的光强信号，这些信号对应于确定的基线Bij，波长λk及空间频率f。根据傅里叶光学，我们可以知道，频域信息是空域信息的傅里叶变换，高空间频率信息代表了目标的细节信息部分，低空间频率信息代表了目标的轮廓信息，低频和高频对成像都很重要，因此需要增加基线Bij数量及波分解复用得到的准单色光λk的个数，来增加对不同空间频率f对应频域信号V(f)的采样。Mk表示光子集成芯片输出的振幅。S，φS表示其中一个输入波导的幅值和相位，即
L，φL表示另一个输入波导的幅值和相位，即
Φk表示光子集成芯片中频谱信号解算结构引入的相位差，为了解算观测目标的频率信息，Φk的值通过光子集成芯片可设为
1.3透镜阵列排布与频域信息采样
不同的孔径阵列排布会得到不同的观测目标的频域信号分布，通过合适的设计可以得到较好的频域信号分布，本发明为了展示该系统的可行性，选择如图8的孔径排布方式(我们采用和SPIDER相同的空间排布方式)，其有多个(SPIDER设计的是37个)如图1所示的结构组合而成，将图1结构按照径向进行排布，即可得到如图8的孔径排布方式。由于采用离散的孔径排布，因此频域采样也是离散采样，下面对系统的各个参量进行离散处理，频域得到的观测目标的空间频率f与基线B的关系可以表示为：
f＝λz/(D-D)
＝λz/B；
离散表示主要是两个部分，由于波分解复用结构的存在可以将宽谱段的光转换为多个准单色光输出λn(n＝1,2,3,...,Tn)；每个透镜阵列和光子集成芯片都是按照径向排布，因此干涉基线也是沿着径向的分布，用i(i＝1,2,3,4,...,Ti)表示径向坐标，j(j＝1,2,3,...,Tj)表示横向坐标，则Di'j，Di”j表示径向上两个不同透镜的中心位置矢量，Bij＝Di'j-Di”j表示径向上两个不同的透镜中心位置之差，称为基线(Baseline)，由于采用的是两两干涉因此第j个径向上的基线Bij个数可以达到
因此频域得到的空间频率采样可以表示为fkij与基线Bij的关系可以表示为：
fkij＝λkz/(Di'j-Di”j)
＝λkz/Bij；
空间频率fkij是通过Fourier Transform(FT)之后空域坐标与频域坐标的转换关系，也表征观测目标细节信息分布情况；我们用α'表征空域坐标。观测目标Iobject(α')通过Fourier Transform(FT)即可得到频域分布信息，频谱信息可表示为：
V(f)＝FT{Iobject(α')}；
其离散的表达式可表示为：
V(fkij)＝FT{Iobject(α')}；
其频域的采样方式可以表示为：
其中，H(fkij)表示在空间频率fkij处的采样权重，即该透镜阵列排布下的采样函数。
二、目标图像重建
通过芯片上的移相结构的共相调整后，使得两路干涉的透镜之间达到好的共相关系，此时通过芯片集成的光电接收器可以得到观测目标频域信息的解算信号，光电接收器只能接受光强信号，无法接受到振幅信号，因此需要在芯片上设计振幅信号的解算结构，如图10所示为片上的频谱信号解算结构(包含有移相结构、波导耦合结构)的简单示意图，通过该结构可以得到单个波长的两个信号干涉的四个光强信号Ik(k＝1,2,3,4)，这四个光强信号可以解算出该基线Bij下对应的频谱信号
由于透镜阵列排布稀疏，观测目标频域信息不能被充分被采集到，因此如果直接进行inverse Fourier Transform(IFT)恢复带来的效果会很差，需要借助特殊设计的算法，消除这些频域信息未充分采集对最终成像的影响，最终可以获得高分辨的图像。
2.1解算观测目标的频域信息
如图4，经过透镜汇聚的光耦合到Surface Grating(VHC结构)阵列，在经过波分解复用结构可以得到多个准单色光λk信号，这些信号通过片上频谱信号解算结构对应基线长度Bij可以得到四个光强信号输出Ik(k＝1,2,3,4)，这些光强信号通过ABCD方法即可解算对应空间频率为fkij的频域信号：
V(fkij)表示空间频率fkij对应的频谱信号，abs{V(fkij)}表示其幅值部分，arg{V(fkij)}表示其相位部分。
2.2频域信息恢复观测目标
本发明中的成像系统对观测目标频域信息降质影响可以简单表示为：
Vsample＝Vobject·H；
离散情况下可以写为：
Vsample(fkij)＝Vobject(fkij)·H(fkij)；
其中Vobject表示观测目标的频域信息分布，Vobject＝FT{Iobject}是观测目标Iobject的Fourier Transform(FT)，Vsample表示采样得到的频域信息。对于Vobject，Vsample离散的分量为
降质过程实际上是
和采样的离散分量Hij的对应值相乘得到
恢复观测目标基本思想是对逆向问题的求解，其基本思路是对于已采样的频谱信息部分做最大程度的保留，即添加Data fidelity项；对于未采样部分选择使用惩罚函数来添加对观测目标的先验，而且较好的惩罚函数(Penalty function)可以使病态问题存在唯一解，也可以让解得到快速的收敛。
最终需要优化的组合函数包括两个部分Data fidelity项α·χ2及Penaltyfunction项β·P，即，恢复观测目标采用如下公式：
J＝α·χ2+β·P
Vsample＝V(f)＝abs{V(f)}exp(i·arg{V(f)})
其中，α，β表示各项的系数(此系数可以通过人为设定或者自更新得到，相关操作可以参考凸优化算法)，P为惩罚函数，
表示对矩阵M中的所有元素求平方和，即
表示对观测目标的估计值，即通过组合函数来优化的解；A表示系统对观测目标的降质作用，表示系统观测在图像信息采集过程中的作用函数，对于干涉成像而言，可以表示为
，Vsample表示采样得到的频域信息，当J的值收敛到最小值，即可得
惩罚函数P有很多形式，例如总变分惩罚，熵惩罚等。本实施中为了展示成像的可行性，采用最大熵(Maximum Entropy)惩罚，此外还添加了总功率(total power)限制，即
其中，观测目标的估计值
用X表示，xij表示X中的分量。通过采用不同的优化算法计算迭代，使得组合函数J的值收敛到最小值，即可得到恢复的观测目标。因此可以得到其惩罚函数：
其中αij，aij，xij，
β'ij，β”ij表示α，A，X，Vsample，β'，β”的分量，X表示观测目标的估计值
选用梯度下降进行X的更新可以得到：
通过多次的迭代即可得到频域信息恢复观测目标。
本发明在Inter(R)CPU3.00GHz，8G的PC机上，使用MATLAB R2018a平台，对不同特征的目标图像进行了成像仿真，表1是仿真的系统配置，目标图像重建选用最大熵方法(Maximum Entropy Method)。
表1、仿真系统相关参数
图11为本发明方法对不同特征在表1的系统配置下的成像结果，利用峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PSNR)和结构相似度指数(structural similarityindex,SSIM)进一步评估恢复的目标分布与观测目标之间的相似性，结果如表2所示，其中添加的噪声是均值为0，方差为0.004的高斯噪声，可以看出，恢复后的图像更接近观测目标值。
表2、干涉平板成像系统成像的像质评价
从图12和图13可以看出，本发明可以使用稀疏的子孔径干涉平板成像即可实现二维目标成像，且对不同特征的目标图像重建质量都很高。
本发明具备如下优点是：
(1)成像质量高
由仿真结果可以看出，重建图像的SSIM(结构相似性系数)均达到0.890以上，PSNR(峰值信噪)可以达到12.8dB以上。
(2)系统的调整难度低
本发明对比传统的基于精确折光的成像系统而言，其共相调整是借助于波导的移相器件(例如热控或者电控移相器)，可以很高的调整精度而且调整方便。目前波导的热控移相器以及光纤移相器可以达到很高的移相精度，借助干涉的信号以及这些移相器件可以得到高精度的共相调整；相比于SPIDER(用于光电侦察的分段平面成像探测器)系统，如图8所示，本发明利用片上的Surface Grating技术(VHC结构)，减低了芯片与聚光系统(即透镜阵列)之间光路调整要求，从而减小光路调整难度。
(3)体积、功耗和重量上的优势
与具有类似有效孔径和空间分辨率的传统望远镜相比，本发明多孔径干涉平板成像技术由于采用多个小孔径以及光子波导(光纤和光子集成芯片等)在整个系统的尺寸、重量和功率(size,weight and power，SWaP)可以得到10及以上的减小，对于应用于车载或者星载，可以大大减少载荷的负担；采用VHC(垂直转水平耦合，vertical-to-horizontalconverter，是一种片上光栅结构：Surface Grating)的耦合方式可以降低空间光耦合入芯片的对光难度，还可以大大压缩系统的长度，依靠透镜阵列和光子集成芯片即可完成成像，从而实现平板成像。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种干涉平板成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、观测目标发出光，产生光信号，并传播至透镜阵列；
步骤S2、所述透镜阵列接收光信号，所述透镜阵列内每个透镜再将光信号折射到光子集成芯片的表面光栅结构上并耦合入所述光子集成芯片的内部，通过所述光子集成芯片上各个结构从而实现获取观测目标的频域信息的解算信号，频域信息可通过该解算信号计算得到；
步骤S3、根据计算得到的频域信息，从而重建观测目标的图像；
步骤S2包括：
步骤S21、光信号达到孔径平面，所述孔径平面为所述透镜阵列所在的平面，通过所述透镜阵列汇聚光信号，汇聚到光子集成芯片的表面光栅结构；
步骤S22、汇聚到表面光栅结构的光信号，通过所述表面光栅结构耦合入所述光子集成芯片，再通过集成在所述光子集成芯片上的波分解复用结构、频谱信号解算结构到达光电探测器，由所述光电探测器将该光信号转换为电信号；
步骤S23、由孔径平面的透镜阵列的排布计算得到观测目标的频域信息的采样函数，该采样函数应用与S3步骤的图像重构过程。
2.根据权利要求1所述的一种干涉平板成像方法，其特征在于，步骤S3包括：
步骤S31、解算由光电探测器转换的电信号，所述光电探测器转换的电信号为所述频域信息的解算信号，通过所述频域信息的解算信号得到频域信息；
步骤S32、根据频域信息与步骤S23中的采样函数，重构观测目标的图像。
3.根据权利要求1所述的一种干涉平板成像方法，其特征在于，在步骤S21内，光信号经过透镜阵列汇聚到光子集成芯片的VHC结构阵列，再经过光子集成芯片上的波分解复用结构阵列，将光信号的宽谱段转换为若干个准单色光输出。
4.根据权利要求3所述的一种干涉平板成像方法，其特征在于，在步骤S21内，准单色光输入至光子集成芯片的频谱信号解算结构阵列，得到不同相位差的信号，该不同相位差的信号为步骤S31中的频谱信号的解算信号。
5.根据权利要求4所述的一种干涉平板成像方法，其特征在于，在步骤S22内，不同相位差的信号均被对应集成在光子集成芯片的光电探测器接收，从而转换成电信号。
6.根据权利要求5所述的一种干涉平板成像方法，其特征在于，透镜阵列和光子集成芯片均是按照径向排布。
7.根据权利要求2所述的一种干涉平板成像方法，其特征在于，在步骤S32内，设计的算法可将采样区域的频域信号进行保留，同时通过惩罚函数对未采样的频域信号进行特定的插值。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述干涉平板成像方法的干涉平板成像系统，其特征在于，包括透镜阵列背板、径向排布在所述透镜阵列背板上的透镜阵列、背板和径向排布在所述背板上的光子集成芯片。
9.根据权利要求8所述的一种干涉平板成像系统，其特征在于，所述光子集成芯片依次集成的表面光栅结构阵列、波分解复用结构阵列和频谱信号解算结构阵列。
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