本发明属于光学成像技术领域，特别涉及一种分段平板成像探测系统，可用于空间侦察、监视预警、空间态势感知及天文观测。
背景技术
近年来，基于微纳光子集成电路的分段式平面成像概念为研制超薄平面型超高分辨率望远镜系统提供了新途径，已成为先进光学遥感成像技术发展的重要前沿方向。传统望远镜系统的结构设计基本上是采用光学透镜或反射镜堆叠成的体积庞大的桶状系统结构，系统尺寸、体积、重量和功耗大，制备周期长。因此研制超轻、大孔径、高分辨率光学望远镜一直是天文观测和空间监视光学望远成像领域的追求目标。干涉式分段平板成像可避免传统大型光学系统的制造、抛光、校准，大幅度减少体积、重量和功率、集成和测试复杂度。
光学成像的原理大致分为三类，几何光学中的像差理论成像原理、波动光学中的衍射成像原理和干涉成像原理。几何光学认为光线的传播路径可以被直接观测到，光线的这种传播途径称为光路，根据光学系统像差和光路计算可以得出光学系统成像的宏观特征和几何像差问题。衍射成像理论阐述像点附近的光场结构和波像差，把成像系统看做是空间不变的线性系统，系统成像特性用点扩散函数或者调制传递函数来描述，用数学方法解决像质评价问题。而干涉成像原理认为成像过程本质上是一个干涉过程，像面上任意一点的光扰动都是出瞳上各点在像面上形成光扰动的叠加，所以通过控制光学成像系统入瞳的形状、数量、分布就能取得更多的图像信息。干涉成像原理还将衍射成像原理分析中截然分开的相干成像和非相干成像归结为两个极限情形，认为所有成像本质上都是一个干涉过程，因此研究干涉成像原理更有普遍性。
干涉式分段平板成像探测系统是基于范西特-泽尼克理论，借助光子集成电路技术利用微缩干涉阵列取代了体积笨重的光学望远镜和数字焦平面探测系统阵列，进行干涉处理形成计算图像，这种方法大幅度减小了体积、重量和功耗，并且可以通过附加的片上组件增强系统的性能：在每个小透镜后面使用波导阵列以增加视场，并且使用阵列波导光栅将宽带光分散到不同的光谱通道中，从而改善空间频率覆盖。透镜阵列的排布和配对方式决定了采样点的数目。
国内在射电望远镜和光学望远镜的合成孔径干涉成像理论与技术方面有较好的积累，但针对干涉式分段平板成像探测系统的研究相对较少，目前分段平板成像系统的重建图像质量普遍存在对比度差、信息丢失、分辨率不足的缺陷。清华大学chuqiuhui,shenyijie,yuanmeng等人在opticscommunications上发表的numericalsimulationandoptimaldesignofsegmentedplanarimagingdetectorforelectro-opticalreconnaissance，提出了一种分段平板成像探测系统基线对可调的方法，并通过调整奈奎斯特采样间隔、优化基线对配对方式以及增加阵列波导光栅的光谱通道数提升了分段平板成像探测系统的成像质量，但仍然存在图像质量对比度差、信息丢失严重的问题，影响系统成像质量。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种干涉式分段平板成像探测系统的优化设计，以改变透镜阵列的排布，提高频率采集点的数目，减少信息丢失，有效改善成像质量。
为实现上述目的，本发明的干涉式分段平板成像探测系统，包括透镜阵列、光子集成电路、数字信号处理器和图像计算重建模块，透镜阵列镶嵌固定板上，包括：透镜阵列、光子集成电路、数字信号处理器和图像计算重建模块，透镜阵列镶嵌固定板上，光子集成电路位于透镜阵列的焦平面上，并集成在pic芯片上，其特征在于：透镜阵列由长度不同的数条辐射条状透镜按同心圆环形状辐射排列组成，即最长辐射条状透镜镶嵌在圆盘形固定板上，形成轮盘式透镜阵列，在轮盘式透镜阵列的每个辐射条状透镜两侧填补有次长辐射条状透镜，每个次长辐射条状透镜两侧填补有较该次长辐射条状短的透镜，依次类推，形成半径不同的多层同心圆环分布式辐射条状透镜阵列，且每层同心圆环上的透镜数目逐层增加。
进一步，所述透镜阵列的多层同心圆环半径不同，其计算如下：
第1层圆环半径为：
第2层圆环半径为：
第k层圆环半径为：
其中，d为小透镜的直径，α为两个辐射条状透镜之间的夹角，大小为2π/p；p是辐射条状透镜阵列的数量。
进一步，所述多层同心圆环分布式辐射条状透镜阵列，其每一条辐射条状透镜的位置不同，计算公式如下：
其中(xlens(i,j),ylens(i,j))为第j条辐射条状透镜对应的第i个小透镜圆心的位置坐标，d为辐射条状透镜阵列上相邻两个小透镜之间的间隔，j＝1,2,...p,i＝1,2,...n,p是辐射条状透镜阵列的数量，n是对应第j条辐射条状透镜上的最大子透镜数目。
附图说明
图1为本发明干涉式分段平板成像探测系统示意图；
图2为现有分段平板成像探测系统中的透镜阵列分布示意图；
图3为本发明中的透镜阵列结构图；
图4为本发明系统和现有系统的u-v空间频率覆盖对比图；
图5为用本发明系统和现有系统进行成像的结果对比图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的结构及效果作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括透镜阵列、光子集成电路、数字信号处理器和图像计算重建模块，透镜阵列镶嵌在固定板上，光子集成电路位于透镜阵列的焦平面上，并集成在pic芯片上。
所述透镜阵列，是在现有透镜阵列基础上进行填补，现有透镜阵列分布如图2所示，其透镜阵列由19条辐射条状透镜组成，每个辐射条状透镜上有30个子透镜。本发明取但不限于小透镜的直径d为3.6mm，以这些辐射条状为基础，填补辐射条状透镜，形成透镜阵列。其填补方式如下：
将图2所示透镜阵列的每条辐射条状透镜作为最长的辐射条状透镜，第1次先在其每条辐射条状透镜两侧填补次长的辐射条状透镜，即添加次长辐射条状透镜数目为38条，每个次长辐射条状透镜上设有22个小透镜，形成第1层圆环，该第1层圆环的半径为
第2次再在次长辐射条状透镜两侧填补较该次长辐射条状短的透镜，即添加较该次长辐射条状透镜短的透镜数目为76条，每个较该次长辐射条状透镜短的透镜上设有10个小透镜，形成第2层圆环，该第2层圆环半径为
依次类推，第k次填补的辐射条状透镜数目为19×2k条，其中k＝0,1,2，...，第k层圆环半径为
若最长辐射条状透镜数目为m条，第k次填补的辐射条状透镜数目为m×2k条，其中，k＝0,1,2...，m＝1,2,...，第k层圆环半径为rk＝d/2tan[α/(8k)]，其中d为小透镜的直径，α为两个辐射条状透镜之间的夹角，α＝2π/p；p是辐射条状透镜阵列的数量，其每个小透镜的位置按如下公式计算：
其中(xlens(i,j),ylens(i,j))为第j条辐射条状透镜对应的第i个小透镜圆心的位置坐标，d为辐射条状透镜阵列上相邻两个小透镜之间的间隔，j＝1,2,...p,i＝1,2,...n,p是辐射条状透镜阵列的数量，n是对应第j条辐射条状透镜上的最大子透镜数目。
本实例取k＝2，进行2次填补后，透镜阵列分布如图3所示。第3层圆环半径为最长辐射条状透镜的数目与小透镜直径的乘积，即r3＝30×3.6mm+43.52mm-10×3.6mm＝115.52mm。
所述光子集成电路，依次集成有波导阵列，阵列波导光栅以及平衡四正交检波器，整个光子集成电路集成在pic芯片上。该pic芯片是利用标准光刻互补金属氧化物半导体制造工艺制作的光子集成电路。
本发明的工作原理如下：
远距离场景辐射光场通过不同基线透镜阵列进行光束汇聚，不同透镜瞳面汇聚的光场传输给对应的波导阵列，通过波导阵列对汇聚光场进行空间维耦合分光，经空间维分光的光场仍为宽光谱辐射场，再传输给阵列波导光栅，阵列波导光栅对传输的宽光谱辐射场进行准单色分光，准单色光通过平衡四正交检波器，实现对场景同物点不同基线准单色光相干叠加，并输出干涉条纹。从干涉条纹中提取信息传输给数字信号处理器并输出u-v空间频谱，并通过图像重建模块完成图像计算重建。
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
仿真1.通过数字信号处理器分别对本发明系统输出的干涉条纹和现有系统输出的干涉条纹进行信息提取，合成不同空间频率的u-v空间频谱覆盖，结果如图4所示，其中图4(a)为本发明系统的u-v空间频率覆盖，图4(b)为现有系统的u-v空间频率覆盖。
从图4可见，通过数字信号处理器对本发明输出的干涉条纹进行信息提取，合成的u-v空间频率覆盖其频率采集点多，信息丢失少。
仿真2.通过图像重建算法对本发明系统和现有系统的u-v空间频率覆盖进行处理，完成图像重建，结果如图5所示，其中：
图5(a)为通过数字信号处理器对本发明系统输出的干涉条纹进行信息提取，合成u-v空间频谱覆盖后通过图像重建算法进行图像重建的结果；
图5(b)为通过数字信号处理器对现有系统输出的干涉条纹进行信息提取，合成u-v空间频谱覆盖后通过图像重建算法进行图像重建的结果。
从图5可见，通过数字信号处理器从本发明系统输出的干涉条纹提取信息，合成u-v空间频率覆盖后，通过图像重建算法进行图像重建的图像对比度高，图像质量好。
综上，本发明通过对透镜阵列结构的优化，改善了成像质量，该透镜阵列并不仅仅限制于干涉式分段平板成像探测系统，也可用于光场成像系统，所有基于本发明思想的修正以及将本发明思想用于别的干涉式分段平板成像探测系统仍在本发明的权利要求保护范围内。