基于電磁反演計(jì)算的超寬帶無源電磁成像技術(shù)研究

摘要：電磁成像是由物體產(chǎn)生的電磁波動(dòng)，在觀測處形成的反映空間和物體電磁特性的映像?；陔姶欧囱萦?jì)算的超寬帶無源電磁成像采用超寬帶被動(dòng)式天線陣面獲取空間中的電磁信息，利用信息處理算法完成電磁輻射源特征的提取，基于電磁反演計(jì)算方法完成對電磁場空間分布的計(jì)算，將電磁場和目標(biāo)三維態(tài)勢繪制顯示出來，能直觀、全面地呈現(xiàn)出空間中的電磁分布。

0、引言

視覺是人類必不可少的對外感知通道，日常生活中70%的信息通過視覺被接收到，人們通過可見光認(rèn)識(shí)世界，得到物體的位置、形狀、大小和顏色等的信息。類似于人的眼睛，光學(xué)成像系統(tǒng)可以把光照射下的物體外形信息保存下來。而光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展則使人類視覺得到了拓展，產(chǎn)生了質(zhì)的變化。隨著光與物質(zhì)的相互作用的研究深入，材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及以半

導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的信息科學(xué)的不斷進(jìn)步，光學(xué)成像最終的圖像信息真正能被人類探測記錄并儲(chǔ)存下來。人類對于光學(xué)的研究已經(jīng)經(jīng)歷了幾千年的時(shí)間，從愛因斯坦通過光電效應(yīng)建立光的量子理論開始，人類對光的研究和利用就進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。電磁成像就是在這基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，目前的電磁成像是指以電磁波作為信息載體的一種成像手段，具體來講就是用電磁波照射被測物體，然后通過對其周圍的電磁場分布的測量來重構(gòu)物體的內(nèi)部介質(zhì)特性。我們這里將電磁成像的概念進(jìn)行擴(kuò)展，電磁成像是由物體產(chǎn)生的電磁波動(dòng)，在觀測處形成的反映空間和物體電磁特性的映像。電磁成像技術(shù)主要指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理和人工智能等技術(shù)，將電磁計(jì)算過程中所產(chǎn)生的電磁數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的技術(shù)。

目前雖然在電磁態(tài)勢感知與可視化方面已取得了相當(dāng)?shù)难芯砍晒?，但在很多方面還存在如下不足：

1）為進(jìn)行寬頻段電磁環(huán)境感知，傳統(tǒng)方法需要采用雙錐天線、螺旋天線、對數(shù)周期天線、雙脊喇叭天線等多副天線覆蓋整個(gè)工作頻帶；

2）利用拋物面天線進(jìn)行焦平面電磁環(huán)境數(shù)據(jù)采集，由于本身硬件條件的限制導(dǎo)致其視場小精度低，只能應(yīng)用于局域近場的電磁檢測；

3）SAR成像借助強(qiáng)散射點(diǎn)回波信號的疊加，采用下變頻等信號處理方法，處理過程復(fù)雜，生成的圖像不能反映出整個(gè)戰(zhàn)場的電磁態(tài)勢；

4）電磁態(tài)勢結(jié)果顯示的可理解性差，很難指導(dǎo)指揮員迅速做出指控決策的建議。

基于電磁反演計(jì)算的電磁成像技術(shù)可以解決上述問題，利用超寬帶天線進(jìn)行電磁信號采集，通過反演計(jì)算、數(shù)據(jù)映射和成像后可以直接對空間電磁場進(jìn)行觀測，能直觀的看到物體產(chǎn)生的電磁波動(dòng)，并能反映空間和物體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電磁特性，從而展現(xiàn)出電磁場的能量與信息等特征，最終將計(jì)算中過程和結(jié)果用圖形和圖像直觀、形象、整體地表達(dá)出來，從而使電磁這種抽象的、難于理解的原理、規(guī)律和過程變得更容易理解，枯燥而繁雜的數(shù)據(jù)或過程變得生動(dòng)有趣，更人性化。

1、超寬帶無源電磁成像技術(shù)原理

超寬帶無源電磁成像技術(shù)是一種被動(dòng)式成像，接收機(jī)檢測的是目標(biāo)點(diǎn)自身輻射、反射和透射的電磁能量，采用分布式天線陣面獲取空間中的電磁信息，利用信息處理算法完成電磁輻射源特征的提取，基于電磁場計(jì)算方法完成對電磁場空間分布的反演，最后將電磁場和目標(biāo)態(tài)勢繪制顯示出來。

圖1超寬帶無源電磁成像原理圖

如圖1所示是超寬帶無源電磁成像系統(tǒng)的原理圖，這是一種無源成像方法，成像距離一般都滿足遠(yuǎn)場條件，我們可以通過天線的輻射功率大小來描述天線在單位立體角度內(nèi)的輻射能力。這種新的成像體制與雷達(dá)成像相比不需要借助雷達(dá)回波，通過布設(shè)足夠天線陣進(jìn)行無源接收就能恢復(fù)原始信號。

2、超寬帶無源電磁成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1超寬帶無源成像系統(tǒng)框架

電磁成像系統(tǒng)采用分布式天線陣面獲取空間中的電磁信息，利用信息處理算法完成電磁輻射源特征的提取，基于電磁場計(jì)算方法完成對電磁場空間分布的反演，最后將電磁場和目標(biāo)三維態(tài)勢繪制顯示出來。其原理框圖如圖2所示。

圖2超寬帶無源電磁成像系統(tǒng)框圖

超寬帶無源電磁成像系統(tǒng)由信號獲取、信號處理、數(shù)據(jù)處理和成像顯示等幾部分組成。信號獲取由分布式陣面完成，將陣面天線單元進(jìn)行波束合成并快速調(diào)整波束掃描角。電信號傳給圖像處理單元，圖像處理單元把電子信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信號并進(jìn)行處理，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖象處理技術(shù)進(jìn)行電磁成像。

2.2超寬帶無源成像工作流程

在系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了超寬帶無源電磁成像工作流程，如圖2所示。

圖3超寬帶無源電磁成像工作流程

圖2的工作流程中對于成像過程中需要的技術(shù)進(jìn)行了列舉，電磁感知數(shù)據(jù)可以采用分布式數(shù)字波束掃描方法獲取，通過單脈沖測角和交叉定位等方式完成電磁數(shù)據(jù)處理，通過電磁數(shù)值計(jì)算方法和傳播模型完成電磁計(jì)算反演，將生成的電磁態(tài)勢數(shù)據(jù)通過可視化映射、繪制和顯示最終完成電磁成像。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中可以采用更先進(jìn)的技術(shù)完成整個(gè)電磁成像過程。

2.3電磁信息感知

電磁信息感知利用分布式天線陣進(jìn)行電磁波的接收，構(gòu)建雙陣、多陣以及外輻射源等多種接收樣式，通過信號轉(zhuǎn)換和數(shù)模變換得到電磁信息，實(shí)現(xiàn)對空間電磁頻譜分布的感知。通過對陣列天線各陣元輸出進(jìn)行加權(quán)求和，使天線陣列波束指向特定的方向，從而獲得滿足需求的期望波束。

對于感知到的電磁信息需要進(jìn)行特征提取，脈內(nèi)特征是雷達(dá)輻射源信號最具特色的參數(shù)之一，且具有良好的穩(wěn)定性．根據(jù)調(diào)制方式的不同，脈內(nèi)特征參數(shù)提取可分為脈內(nèi)有意調(diào)制特征參數(shù)提取和脈內(nèi)無意調(diào)制特征參數(shù)提取：1)脈內(nèi)有意調(diào)制特征主要指為提高雷達(dá)性能或?qū)崿F(xiàn)特定的功能而在雷達(dá)信號波形中加入人為的調(diào)制方式，通過合理的特征提取算法對這些調(diào)制方式特有的脈內(nèi)調(diào)制規(guī)律或時(shí)不變特征提取所需的特征參數(shù)，提取方法主要集中在Winger-Ville分布(WVD)特征參數(shù)提取技術(shù)、短時(shí)傅里葉變化(STFT)、小波變化特征參數(shù)提取技術(shù)；2)脈內(nèi)無意調(diào)制特征是因雷達(dá)電路和器件的不同而附加在雷達(dá)信號上的某種特性(即指紋特征或個(gè)體特征)，是一部雷達(dá)特有的屬性，可用于輻射源個(gè)體識(shí)別。

2.4輻射源測向定位

測向定位的基本原理如下：在接收到陣列天線各陣元的輸出信號以后，先使用波束形成器形成多個(gè)交叉波束，然后對每個(gè)波束的輸出信號進(jìn)行功率估值，最后對輸出的各個(gè)功率值使用適應(yīng)于波束的比幅測向算法進(jìn)行方向估計(jì)，即可得到信號的來波方向。

對于同一個(gè)輸入信號，各波束的輸出信號中總有一對相鄰波束輸出最大信號和次大信號，對這兩個(gè)信號應(yīng)用比幅測向算法即可獲得信號的來波方向。對輻射源目標(biāo)可以采用雙站測向定位方式就可以實(shí)現(xiàn)。

2.5電磁場反演計(jì)算

電磁場反演計(jì)算是通過麥克斯韋公式計(jì)算媒質(zhì)交互的數(shù)學(xué)方程，首先根據(jù)電磁時(shí)域、頻域以及空域等數(shù)據(jù)結(jié)合戰(zhàn)場地形和臺(tái)站信息進(jìn)行反演，實(shí)現(xiàn)輻射源參數(shù)反演與輻射源識(shí)別；然后對連續(xù)結(jié)果采樣，得到空間若干離散點(diǎn)及位置信息和對應(yīng)的頻率、強(qiáng)度、方向等屬性。根據(jù)電磁場交互、散射模型，采用數(shù)值計(jì)算方法離散到空間分布點(diǎn)，計(jì)算出各點(diǎn)的場強(qiáng)值、方向角等標(biāo)量或矢量信息，計(jì)算出某場源在一連續(xù)時(shí)間段內(nèi)，在離散空間點(diǎn)的標(biāo)量和矢量數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的電磁場反演計(jì)算方法分為三類：（１）電磁傳播經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；（２）以拋物線方程、矩量法、FDTD為代表的數(shù)值計(jì)算方法；（３）以高級傳播模型APM為代表的混合傳播模型。目前也有學(xué)者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行計(jì)算。

圖4電磁場反演計(jì)算方法

若在空間某位置處存在多個(gè)輻射源，需要在某位置形成的場強(qiáng)需要進(jìn)行矢量疊加合成計(jì)算，形成綜合場強(qiáng)，根據(jù)輻射源個(gè)數(shù)、傳播衰減模型、空間分布位置、本身屬性參數(shù)，用數(shù)值求解的方法計(jì)算出離散單元處的合成場強(qiáng)值，將電磁空間離散化，得到電磁態(tài)勢體數(shù)據(jù)場。

2.6電磁場可視化

科學(xué)可視化方法主要分為兩類：面繪制方法與體繪制方法。面繪制方法需要根據(jù)三維數(shù)據(jù)場構(gòu)造出幾何圖元，然后再行渲染繪制。等值面提取技術(shù)是最常用的面繪制方法之一，它可以將原始數(shù)據(jù)場中某個(gè)屬性值抽取特定大小范圍的輪廓，進(jìn)而構(gòu)造三角形網(wǎng)格。體繪制方法則不用構(gòu)造中間的幾何圖元，而是直接由三維數(shù)據(jù)場，根據(jù)數(shù)據(jù)映射關(guān)系生成二維圖像。現(xiàn)采用MC（Marching Cubes）方法繪制等值面，對三維電磁環(huán)境進(jìn)行可視化展示。經(jīng)過解析與可視化映射生成空間電磁環(huán)境可視化結(jié)構(gòu)，并對可視化結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制與渲染，以電磁場強(qiáng)分布態(tài)勢、電磁等值線、電磁波傳播路徑等來表現(xiàn)環(huán)境中的電磁分布情況，還可根據(jù)已顯示的圖像與系統(tǒng)進(jìn)行交互，對渲染圖像可進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，從多角度觀察電磁場分布情況。

為了實(shí)現(xiàn)全頻譜的態(tài)勢展現(xiàn)，提出了基于HSL顏色空間的電磁態(tài)勢可視化方法。顏色：用來表征電磁場的頻段，0到360度的標(biāo)準(zhǔn)色輪與電磁場的不同頻段進(jìn)行對應(yīng)，采用不同的顏色進(jìn)行顯示；亮度：表征電磁場的能量，能量越大越亮，能量越小越暗。將人類可見光的頻段（380nm-780nm的波長范圍），壓縮顯示電磁波的頻段（如1cm-10km的波長范圍）。

圖5電磁場展示方法

顏色用來區(qū)分顏色特性，不同顏色對應(yīng)不同的電波波長，色調(diào)就描述了不同電磁波長的顏色；在0到360度的標(biāo)準(zhǔn)色輪上，按位置度量色調(diào)；通常情況下，色調(diào)用顏色的名稱標(biāo)識(shí)的，例如紅色、黃色、藍(lán)色等。

亮度是顏色的相對明暗程度，通常用從0（黑）到1（白）的百分比來度量；亮度與物體的反射率成正比，如果無彩色就只有亮度一維量的變化。對彩色來說，顏色中摻入白色越多就越明亮，摻入黑色越多亮度就越小。

3、電磁成像效果

對某區(qū)域中的電磁環(huán)境進(jìn)行電磁成像，形成效果如圖6所示。

圖6電磁成像效果圖

參數(shù)的選取如下：

頻段：100MHz到18GHz；

輻射源類型：雷達(dá)、通信、干擾等；

干擾方式：瞄準(zhǔn)干擾、阻塞干擾等；

頻率對應(yīng)：紅色-18GHz，橙色-8GHz，黃色-4GHz，綠色-1GHz，青色-500MHz，藍(lán)色-100MHz。

4、結(jié)束語

基于電磁反演計(jì)算的超寬帶無源電磁成像系統(tǒng)可以完成空間精確測向與定位，通過反演計(jì)算重構(gòu)電磁場，能實(shí)現(xiàn)大范圍超寬帶的電磁態(tài)勢展現(xiàn)。就像眼睛能觀測到空間中的可見光一樣，讓機(jī)器長出“電磁眼”，從而使機(jī)器對空間電磁信號進(jìn)行觀測和感知，并將感知的電磁環(huán)境形成圖形影像，展現(xiàn)出電磁場的場量分布和頻域信息等電磁本質(zhì)特征，可以讓用戶從全新視角觀察到環(huán)境中的電磁態(tài)勢變化，從更多維度了解到某個(gè)區(qū)域內(nèi)的態(tài)勢情況，在未來的陸軍、空軍、海軍編隊(duì)中，均需要借助計(jì)算電磁成像的支持才能真正打贏在信息系統(tǒng)下的信息化戰(zhàn)爭，并將在無線通信等民用領(lǐng)域中有更加廣闊的應(yīng)用前景。