阅读说明：本技术 光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统及标定补偿方法 (Internal error calibration compensation system and calibration compensation method for photon interference imaging system ) 是由 张怡 王越 刘欣悦 孟浩然 刘欣然 樊元朋 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统及标定补偿方法,涉及光干涉成像技术领域,解决现有干涉成像系统的器件内部存在各种误差,进而影响成像系统的性能等问题,包括标定光源、相位调节装置、待测PIC芯片、光强检测装置以及光纤耦合器；光纤耦合器的一端与标定光源连接,所述标定光源分为两路输出,光纤耦合器另一端的两个输出端口各与一个相位调节装置的输入口连接,两个相位调节装置的输出口分别与待测PIC芯片的两个输入端口连接；光强检测装置置于待测PIC芯片后端,用于检测PIC芯片四个输出端口的输出光强。本发明对于PIC集成芯片内部误差,通过建立误差标定补偿模型,对内部误差进行有效的校正,使系统能达到较好的成像效果。简化系统操作。(An internal error calibration compensation system and a calibration compensation method of a photon interference imaging system relate to the technical field of optical interference imaging, and solve the problems that various errors exist in the device of the existing interference imaging system, and the performance of the imaging system is further influenced, and the like, and comprise a calibration light source, a phase adjusting device, a PIC chip to be detected, a light intensity detection device and an optical fiber coupler; one end of the optical fiber coupler is connected with a calibration light source, the calibration light source is divided into two paths of output, two output ports at the other end of the optical fiber coupler are respectively connected with an input port of one phase adjusting device, and output ports of the two phase adjusting devices are respectively connected with two input ports of a PIC chip to be tested; the light intensity detection device is arranged at the rear end of the PIC chip to be detected and is used for detecting the output light intensity of four output ports of the PIC chip. The invention effectively corrects the internal error of the PIC integrated chip by establishing an error calibration compensation model, so that the system can achieve better imaging effect. Simplifying the system operation.)

光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统及标定补偿方法

技术领域

本发明涉及光干涉成像技术领域，具体涉及一种光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统及标定补偿方法。

背景技术

光子集成干涉成像的核心是PIC光子集成芯片。PIC光子集成芯片采用了集成光学技术，使得器件能在体积大幅减小的情况下保持可靠性和稳定性，并整体提升器件的性能。由于器件内部结构复杂，包含众多结构单元。因此PIC光子集成芯片在制造过程中易产生误差，且芯片一旦封装制造完成，无法通过硬件修正的方法对误差进行消除。因此需要一种能够获悉光子集成芯片内部误差的方法，并在此基础上对芯片内部误差进行补偿。

传统的望远镜分辨力与口径成正比，但随着口径增大由于技术成本等原因限制了分辨力的提高。而采用干涉技术的合成孔径望远镜通过采用长基线能实现很大的等效口径，保证了足够的分辨力。但是由于基线数量少，成像速度低，对目标的要求较高。光子集成干涉成像技术突破了对子孔径阵列规模的限制，大幅增加了基线配置，解决了传统光学合成孔径技术频谱覆盖率不足的问题，有效的减小了系统的体积、重量和加工难度，最终实现实时、高分辨、多光谱和大视场的成像系统。

根据范西特-泽尼克定理，光子集成干涉成像技术是通过PIC芯片上集成的多个迈克尔逊干涉通道同时对目标采样，获得目标的频谱信息，然后经傅立叶逆变换后可得目标的光强信息。在实际操作中，通过测量目标的复相干度可获得目标的频谱分布，从而得到目标的光强分布。对于目标的复相干度，可通过对干涉条纹进行测量得到复相干系数的模和相位。

结合图1，整个成像系统包括透镜阵列、PIC集成芯片以及光信号采集处理单元组成。PIC芯片内部集成了多通道的相移干涉仪阵列，每组干涉仪包括光波导和光束合成器，共有两个输入端口和四个输出端口。系统成像时，不直接产生干涉条纹，而是通过光束合成器实现对条纹进行间隔四分之一周期的采样。采样后输出的信号检测处理后，可获得输入光复相干度幅值和相位信息。

目前的大口径望远镜随着口径增大会对加工制造、装配调试带来更大的难度，干涉成像系统可以通过配置长基线来解决分辨力不足的问题。

对于干涉成像系统，误差对于成像质量有很大影响，成像过程中需要对误差进行精确控制。PIC光子集成芯片内部结构复杂，集成了分束器、移相器、交叉波导和方向耦合器，在制作过程中均可能产生误差，包括移相误差、方向耦合器误差、交叉波导损耗等都会影响成像系统的性能。

发明内容

本发明为解决现有干涉成像系统的器件内部存在各种误差，进而影响成像系统的性能等问题，提供一种光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统及标定补偿方法。

光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统，包括标定光源、相位调节装置、待测PIC芯片、光强检测装置以及光纤耦合器；所述光纤耦合器的一端与标定光源连接，所述标定光源分为两路输出，光纤耦合器另一端的两个输出端口各与一个相位调节装置的输入口连接，两个相位调节装置的输出口分别与待测PIC芯片的两个输入端口连接；所述光强检测装置置于待测PIC芯片后端，用于检测PIC芯片四个输出端口的输出光强。

光子干涉成像系统内部误差标定补偿方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、建立待测PIC芯片的输入输出模型；

式中，N₁和N₂为标定光源的输入光强，

和

为待测PIC芯片内部各个传输通道的传输效率，

为输入端口1对应的传输通道的传输效率，

为输入端口2对应的传输通道的传输效率；

和

为目标复可见度的幅度和相位，

和为PIC集成芯片的复可见度的幅度和相位，

为标定光源的整体相位差，

为待测PIC芯片输出端口的输出光强；

步骤二、打开标定光源，调整所述相位调节装置的电子延迟线，使两个干涉通道的相位差为0，使

根据步骤一所述的待测PIC芯片的输入输出模型，获得所述待测PIC芯片输入输出模型的矩阵形式，用下式表示为：

式中，

为待测PIC芯片器件特性参数；

步骤三、切断待测PIC芯片的输入端口2输入的光信号，采用光强检测装置检测待测PIC芯片的四个输出端口的输出信号，并记录所述四个输出端口的输出光强；此时，N₁＞0，N₂＝0，根据记录的待测PIC芯片输出端口的输出光强

获得输入端口1对应的传输通道的传输效率

步骤四、切断待测PIC芯片的输入端口1输入的光信号，通过光强检测装置检测待测PIC芯片的四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；此时，N₁＝0，N₂＞0，根据记录的待测PIC芯片输出端口的输出光强

获得输入端口2对应的传输通道的传输效率

步骤五、保持待测PIC芯片的两个输入端口输入光信号，通过光强检测装置检测待测PIC芯片四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；此时，N₁＞0，N₂＞0，根据记录的待测PIC芯片输出端口的输出光强

以及步骤三和步骤四获得的

和

获得

步骤六、调整其中一个相位调节装置的相位，使其相位变化π/2，此时,

获得所述待测PIC芯片输入输出模型的下述矩阵形式；

式中，

为待测PIC芯片的器件特性参数；

步骤七、保持待测PIC芯片的两个输入端口的输入光信号，通过光强检测装置检测待测PIC芯片的四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；此时,N₁＞0,N₂＞0,根据记录的待测PIC芯片输出端口的输出光强

以及步骤三和步骤四获得的

和

获得

步骤八、根据步骤三、步骤四、步骤五和步骤七获得的

的数据，建立误差补偿矩阵，用下式表示为：

式中，为目标特性参数；

为PIC集成芯片器件特性参数；

调整标定光源的光强作为待测目标，使待测PIC芯片的两个输入端口的输入光信号，通过光强检测装置检测待测PIC芯片的四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；根据记录的待测PIC芯片输出端口的输出光强

以及

数据，得光源输入光强N₁、N₂、目标复可见度模值目标复可见度相位

实现对输入光强和目标复可见度的精确测量。

本发明的有益效果：本发明采用干涉成像系统，有利于提高系统分辨力，也省略了传统望远镜复杂的制造调试过程。通过将干涉仪集成在二氧化硅基底上，减小了系统的体积，提高了系统的可靠性和稳定性。采用微细加工技术，容易实现各路干涉臂等光程。集成器件的空间滤波功能可以消除大气传输引入的干扰信息，提高成像质量。

本发明中，对于PIC集成芯片内部误差，通过建立误差标定补偿模型，可以对内部误差进行有效的校正，使得系统能达到较好的成像效果。避免了因为误差导致的PIC光子集成芯片的再次加工，省去了复杂的误差补偿装置，简化了系统操作。

附图说明

图1为现有干涉成像系统的原理图；

图2为本发明所述的光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统的框图；

图3为本发明所述的光子干涉成像系统内部误差标定补偿方法的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本实施方式，光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统，包括标定光源(thorlab 1550nm红外激光)、相位调节装置(genenral photonics电子延迟线)、待测PIC芯片、光强检测装置(短波红外相机)、1*2光纤耦合器、光纤跳线等。此待测PIC芯片共两个输入端口和四个输出端口。内部仅包括一组干涉仪，即由一对波导和一个光束合成器组成，波导主要是传输光线和调节光程，光束合成器内进行干涉并完成对条纹进行间隔四分之一周期的采样。

所述光纤耦合器一端与标定光源连接，使标定光源分为两路输出，光纤耦合器两个输出端口各与一个相位调节装置输入口连接，两个相位调节装置的输出口分别与PIC输入端口1,2连接；采用相同的相位调节装置减小两个干涉通道的相位差，光强检测装置置于待测PIC芯片后端，用于检测PIC芯片四个输出端口的输出光强。

本实施方式中所述的标定光源采用1550nm红外激光，可采用其他波段替代。相位调节装置采用电子延迟线，可用其他相位调节装置或光程调节装置替代，只要精度在需要范围内即可。所述的光强检测装置采用红外相机(光电探测器)，可用其他检测装置替代，只要能检测输出光斑的光强即可。

具体实施方式二、结合图3说明本实施方式，本实施为具体实施方式一所述的光子干涉成像系统内部误差标定补偿系统的标定补偿方法，建立一个PIC光子集成芯片的数学模型，对系统内部误差进行标定，然后在图像重构过程中利用标定数据对误差进行补偿。通过采用锁相双光源标定补偿方法，通过控制标定光源的光强和相位差，来实现对待测PIC芯片的高精度误差标定补偿。该方法采用锁相双光源标定补偿，由以下步骤实现：

一、建立待测PIC芯片输入输出的数学模型，所述待测PIC芯片主要包括两个输入端口和四个输出端口。

式中，N₁和N₂为标定光源的输入光强，

和

为PIC集成芯片内部各个传输通道的传输效率，

为输入端口1对应的传输通道的传输效率，

为输入端口2对应的传输通道的传输效率。

和

为目标复可见度的幅度和相位，

和

为PIC集成芯片的复可见度的幅度和相位，

为标定光源的整体相位差，为待测PIC芯片输出端口的输出光强；设定并保持整体相位差

对标定光源进行锁相，就可以实现干涉测量的误差标定补偿。

二、打开标定光源，进行标定操作。调整上述的相位调节装置电子延迟线使得两个干涉通道的相位差为0，此时

获得输入输出的数学模型的矩阵形式，此时

为待测PIC芯片器件特性参数。

三、切断待测PIC芯片输入端口2的光信号输入，通过上述光强检测装置红外相机检测PIC芯片四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；此时，N₁＞0，N₂＝0，通过测得的可得

切断待测PIC芯片输入端口1的光信号输入，通过光强检测设备检测PIC芯片四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；此时，N₁＝0，N₂＞0，通过测得的

可得

四、保持待测PIC芯片两个输入端口的光信号输入，通过光强检测设备检测待测PIC芯片四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；此时，N₁＞0，N₂＞0，通过测得的

以及计算获得的

和

可得

五、调整其中一个相位调节装置的相位，使其相位变化π/2，此时,

可得输入输出的数学模型为下述矩阵形式：

六、保持待测PIC芯片两个输入端口的光信号输入，通过光强检测设备检测待测PIC芯片四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强。此时,N₁＞0,N₂＞0,通过测得的

以及计算获得的

和

可得

上述

为待测PIC芯片的器件特性参数。由上述标定过程获得标定数据后，建立误差补偿矩阵为，

为目标特性参数；X、Y为器件特性参数，与器件的相干程度有关。

调整标定光源的光强作为待测目标，使待测PIC芯片的两个输入端口的输入光信号，通过光强检测装置检测待测PIC芯片的四个输出端口的输出信号，并记录四个输出端口的输出光强；根据记录的待测PIC芯片输出端口的输出光强以及数据，得光源输入光强N₁、N₂、目标复可见度模值目标复可见度相位

实现对输入光强和目标复可见度的精确测量。

本实施方式中，通过建立待测PIC芯片输入输出关系数学模型，将器件干涉通道中的一些特性用参数量化，经实验得到误差标定数学模型，直观的表现出了系统中误差因素。根据标定模型中得到的参数可获得误差补偿模型，实现对目标的测量。采用锁相双光源标定补偿方法，通过调整标定光源和干涉通道相位差，控制待测PIC芯片的输入光强，测量输出光强，获得系统中的误差参数，在图像重建过程中最终实现误差补偿。