宽带毫米波阵列光子学处理及相干成像关键问题研究

被动毫米波成像在遥感、军事侦察、射电天文学研究、反恐与安全检查等领域具有广泛的应用基础。本项目针对实际成像系统在重量、体积、实时性、作用距离和防电磁干扰等方面的特殊要求，结合当前正在发展的被动毫米波综合孔径光子成像方法，提出利用光子晶体信息存取技术实现宽带被动毫米波阵列的光子学处理与实时相干成像，以提升探测灵敏度和成像质量。在已有工作基础上，本项目将研究：宽带被动毫米波阵列光子学相干成像的理论论证与仿真分析；用于成像探测的特定波段宽带毫米波光子接收机设计与优化；基于光子晶体光谱烧孔信息存取的宽带毫米波阵列光子学处理理论与实现方法，并通过模拟波前信号开展宽带毫米波阵列处理与成像实验研究；针对成像系统相位误差特点，提出基于冗余基线校正和载波干涉校正技术的复合相位校正方法，在理论分析基础上开展相位校正实验研究。通过上述关键问题研究，为未来实现宽带被动毫米波实时成像系统奠定坚实基础基础。

被动毫米波成像技术是当前国际上一个非常热门的研究方向，在国防和民用领域都具有广阔的应用前景，而本课题所研究的被动宽带毫米波综合孔径光子成像技术，是进一步提高成像系统分辨率和成像处理速度的一个重要途径。本项目采用微波光子学和光子晶体光谱存储技术来实现宽带毫米波阵列成像目的，主要获得了以下研究结果。(1)从理论上论证基于光谱烧孔存取处理的宽带毫米波阵列光子学相干成像方法，具体内容包括：分析目标的宽带毫米波信号在经宽带毫米波光子接收机，光纤阵列传输，微透镜阵列和衍射光栅，直到光子晶体平面，整个过程信号的存在形式，分析了空间相干成像及其经光子晶体处理实时获取图像过程。(2)针对宽带毫米波成像系统的要求，利用已有的微波光子学理论，设计了一种满足本项目成像方法的接收机系统结构，包括天线矩形波导转平面波导模块，微波滤波电路设计和电光调制模块设计三个部分。最终性能如下：毫米波光电调制半波电压低于7V，调制器导体损耗小于0.17dB/cm/GH1/2，介质损耗小于0.01dB/cm/GHz，毫米波理论等效折射率达到2.14，CPW特征阻抗高于47欧姆。(3)在深入分析光光子晶体光谱烧孔基础上，研究宽带毫米波信号经过光学上变频在空间直接相干成像，利用特定光子晶体的将宽带图像存储于光子晶体中，以及利用扫频激光束读取图像，这三个阶段的物理和数学过程，并进行了仿真验证和实验设计。(4)建立载波干涉校正方法的基本理论，设计一种可行的校正方案，基于随机并行梯度下降算法实现光纤相位误差校正，并从理论和实验两个方面验证该算法效果满足成像系统的要求。在研究过程中，项目组发现宽带毫米波光子接收机制作工艺和光谱烧孔晶的超低温环境都是本项目成果应用中亟待解决和攻克的新课题，对于前者需要进一步开展深入的研究，而对于后者，则采用专门设计的电声光调制技术将毫米波的空频域信号直接转换到光载波的时频域信号以避开当前系统苛刻的低温环境要求，项目组也期望能够获得后续资助，继续开展相关的研究工作。