【特邀报告】多孔径计算光学合成探测技术的发展趋势

光学成像过程通常是一个点对点映射的过程，理想情况下，一个无穷小的物点通过理想光学系统后，会在像面汇聚形成一个无穷小的点。然而，由于光波的衍射特性以及系统的有限口径，物点经过成像系统后会扩散形成点状光斑，称为“艾里斑”。因此，以往的光学成像系统大部分都是以增加系统口径作为提升分辨率的主要手段。然而，成像系统口径的提升会造成重量和成本的增长，在商用成领域，系统分辨能力与重量、成本的矛盾关系。更为重要的是，天文望远镜以及侦察卫星等高精尖设备对运载重量的限制会更为苛刻，1976年发射的KH-11的主镜口径约为2.4m，整个卫星的重量为11吨。而1986年发射KH-12的主镜只将口径提升了0.8m，卫星重量就已增长到了17吨，接近空间运载能力的极限。另外，随着口径增加，还需要考虑工艺制造难度、对系统的材料要求、现有制造技术瓶颈等问题，导致在实际的成像系统中，一味增加系统口径不现实。综上所述，基于“所见即所得”的传统成像技术已无法满足当今军事和民用领域对高分辨率成像应用日益增长的需求。

2.1 基于相干光调控的干涉式合成孔径成像

基于相干光调控的远场探测合成孔径成像技术通过发射一束相干光实现对探测目标照明，成像系统通过收集其反射光的信息实现合成孔径成像。合成孔径激光雷达作为合成孔径雷达的进一步拓展，通过主动发射激光光束并接收辐射到目标上反射的回波来实现对目标的精确测距与高分辨率成像。受上述成像思想启发，逆合成孔径激光雷达也随之被提出，只是原本通过移动探测端实现不同频率信息模式采集转变为通过记录目标运动场信息来捕获孔径外高频成分。如图2所示，要想利用合成孔径激光雷达实现高分辨率探测，必须获取探测目标的相位信息以实现合成孔径，这意味着合成孔径激光雷达的实现需要同时探测到信号的幅度信息和相位信息。在实际应用中通常利用外差探测方式获得激光信号的幅度和振幅，这本质上是利用本征信号与回波信号进行干涉后，经过光电转换最后得到相位调制项与被测量项，再通过对干涉信号进行解调最后获取带有多普勒频移相位信息和记录有目标强度的原始数据信号。

2.2基于相干光调控的非干涉式合成孔径成像:

在诸多计算光学成像技术中，同时拥有相位恢复与合成孔径特点的傅里叶叠层显微成像技术（Fourier ptychographic microscopy，FPM）是2013年由康涅狄格大学的郑国安教授提出的一种大视场高分辨率定量相位计算显微成像技术。在实验中，待测样品被不同角度的照明光束（通常是一个 LED 阵列）依次照射，采集的低分辨率图像基于叠层相位恢复算法实现合成孔径，从而使频谱支持域得到显著提升。在此基础上，2016年由莱斯大学Holloway等将相机阵列与相干调控相结合，利用基于相位检索的重建算法来有效地从多个低分辨率采集图像中恢复丢失的高分辨率细节。Holloway进一步提出基于傅里叶叠层成像的远距离、亚衍射极限的合成孔径可见光成像技术，真正意义上对含有粗糙表面的漫反射物体实现了基于宏观傅里叶叠层的合成孔径成像，分辨率提升了将近六倍。在此基础上，采用全变分正则化、深度学习等方法可克服对具有高频谱重叠率的原始数据的严格要求，实现了漫反射表面物体的高分辨率、高信噪比成像，使单次曝光下远场合成孔径成像成为可能，并首次实现基于傅里叶叠层成像技术的远场动态超分辨成像（30fps）。针对成像距离与视场的固有矛盾问题，基于准平面波的非干涉远场合成孔径方法也相继提出，相较于单孔径成像分辨率提升8倍，进一步拓展了基于相干光照明下叠层合成孔径成像方案的作用距离与成像分辨率。

2.3基于非相干光远场被动合成孔径成像

非相干合成孔径技术主要采用多路并行干涉的方式实现。系统通常由一系列排布于不同空间位置的子孔径构成，光信号由子孔径收集后通过严格的光程控制最终在探测器平面产生干涉合成并记录。根据干涉合成方式的不同，非相干合成孔径通常可以分为迈克尔逊型（Michelson）干涉与菲索型（Fizeau）干涉两种，Fizeau型又具有两种常见结构，分别为共次镜结构与多望远镜结构（或称相控阵结构）。上述基于多路并行干涉的非相干合成孔径探测技术均较为成熟并在天文观测等领域广泛应用。尽管将等效的大孔径系统分解为若干子孔径避免了大尺寸光学元件在加工制造上的难题，但是系统最终所能达到的分辨率仍然与系统的整体尺寸有关（Michelson型由基线长度决定，Fizeau型由虚拟主镜孔径决定），整体系统仍然体积庞大。其次，无论采取何种干涉结构，多路光信号的并行干涉是成像或测量的必要环节，要求各路光信号严格满足等光程要求，无疑给系统的结构设计与装调提出了巨大的挑战。

近年来，一些新型的非相干合成孔径成像技术也相继被提出，如分块式平板干涉以及基于非相干全息的合成孔径超分辨成像技术，其有望打破传统光学系统“2.76次方”的比例限制，实现轻量化的非相干合成孔径成像。2013年，美国洛克希德·马丁公司基于Van Cittert-Zernike定理提出了一种分段式平面干涉成像技术（Segmented Planar Imaging Detector for Electro-optical Reconnaissance, SPIDER）。SPIDER技术的核心思想在于通过干涉的方式，测量探测面上两点间的互强度以填充目标的空间频谱，进而利用傅里叶逆变换重建目标图像。但由于SPIDER技术的成像过程需要对目标频谱进行逐点采样，频谱采样密度很大程度上受限于透镜阵列规模，因此频谱采样密度低，容易产生空域混叠；同时受限于当下光子集成电路技术的发展情况，目前高密度采样、高集成度的平面干涉系统的实现仍然充满了挑战。另一种新型的非相干合成孔径技术是基于非相干全息技术发展而来的。2010年，菲涅尔相关联全息技术的提出者Rosen和Katz等将这一技术与合成孔径技术相结合，提出了一种基于菲涅尔相关联全息的合成孔径技术（Synthetic Aperture with Fresnel Elements, SAFE）。SAFE技术改变了传统非相干合成孔径技术先干涉后记录的成像过程，可以基于单孔径系统对不同的子孔径单独拍摄，并在后期重建过程中完成各孔径的干涉合成，有效解决了多孔径系统体积庞大、结构复杂、调试困难等问题。

当下快速发展的计算成像技术为远场合成孔径探测提供了新思想、新方法、新理论，降低了合成孔径技术中对“干涉获取相位”或“固有成像模式”的过度依赖，突破了传统合成孔径技术所能够达到的功能/性能疆界，并在远场合成孔径领域提供了多方面拓展延伸的可能性。远场合成孔径技术随着计算成像思想的兴起发展，也逐渐从微波波段拓展到可见光，从干涉探测发展为非干涉合成，从主动相干探测发展为被动无源非相干反演探测。可以预计，作为计算成像的进一步技术发展，远场光学合成孔径探测技术能够为遥感、军事侦察以及近地卫星探测等领域带来更多可能，实现“穿云透雾，洞察秋毫”。

了解津航光电最新动态