摘要：電磁成像是由物體產生的電磁波動，在觀測處形成的反映空間和物體電磁特性的映像。基于電磁反演計算的超寬帶無源電磁成像采用超寬帶被動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，基于電磁反演計算方法完成對電磁場空間分布的計算，將電磁場和目標三維態勢繪制顯示出來，能直觀、全面地呈現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，人們通過可見光認識世界，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，光學成像系統可以把光照射下的物體外形信息保存下來。而光學系統的發展則使人類視覺得到了拓展，產生了質的變化。隨著光與物質的相互作用的研究深入，材料科學技術的不斷發展，以及以半

導體技術為基礎發展起來的信息科學的不斷進步，光學成像最終的圖像信息真正能被人類探測記錄并儲存下來。人類對于光學的研究已經經歷了幾千年的時間，從愛因斯坦通過光電效應建立光的量子理論開始，人類對光的研究和利用就進入了一個嶄新的階段。電磁成像就是在這基礎上發展起來的，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物體的內部介質特性。我們這里將電磁成像的概念進行擴展，電磁成像是由物體產生的電磁波動，在觀測處形成的反映空間和物體電磁特性的映像。電磁成像技術主要指運用計算機圖形學、圖像處理和人工智能等技術，將電磁計算過程中所產生的電磁數據以及計算結果轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的技術。

目前雖然在電磁態勢感知與可視化方面已取得了相當的研究成果，但在很多方面還存在如下不足：

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

2）利用拋物面天線進行焦平面電磁環境數據采集，由于本身硬件條件的限制導致其視場小精度低，只能應用于局域近場的電磁檢測；

3）SAR成像借助強散射點回波信號的疊加，采用下變頻等信號處理方法，處理過程復雜，生成的圖像不能反映出整個戰場的電磁態勢；

4）電磁態勢結果顯示的可理解性差，很難指導指揮員迅速做出指控決策的建議。

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

1、超寬帶無源電磁成像技術原理

超寬帶無源電磁成像技術是一種被動式成像，接收機檢測的是目標點自身輻射、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態勢繪制顯示出來。

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的原理圖，這是一種無源成像方法，成像距離一般都滿足遠場條件，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的輻射能力。這種新的成像體制與雷達成像相比不需要借助雷達回波，通過布設足夠天線陣進行無源接收就能恢復原始信號。

2、超寬帶無源電磁成像系統的設計

2.1超寬帶無源成像系統框架

電磁成像系統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三維態勢繪制顯示出來。其原理框圖如圖2所示。

圖2超寬帶無源電磁成像系統框圖

超寬帶無源電磁成像系統由信號獲取、信號處理、數據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，將陣面天線單元進行波束合成并快速調整波束掃描角。電信號傳給圖像處理單元，圖像處理單元把電子信號轉變為數字圖像信號并進行處理，使用神經網絡、計算機圖形學和圖象處理技術進行電磁成像。

2.2超寬帶無源成像工作流程

在系統基礎上設計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進行了列舉，電磁感知數據可以采用分布式數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據處理，通過電磁數值計算方法和傳播模型完成電磁計算反演，將生成的電磁態勢數據通過可視化映射、繪制和顯示最終完成電磁成像。隨著技術的飛速發展，在實際實現中可以采用更先進的技術完成整個電磁成像過程。

2.3電磁信息感知

電磁信息感知利用分布式天線陣進行電磁波的接收，構建雙陣、多陣以及外輻射源等多種接收樣式，通過信號轉換和數模變換得到電磁信息，實現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行加權求和，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行特征提取，脈內特征是雷達輻射源信號最具特色的參數之一，且具有良好的穩定性．根據調制方式的不同，脈內特征參數提取可分為脈內有意調制特征參數提取和脈內無意調制特征參數提取：1)脈內有意調制特征主要指為提高雷達性能或實現特定的功能而在雷達信號波形中加入人為的調制方式，通過合理的特征提取算法對這些調制方式特有的脈內調制規律或時不變特征提取所需的特征參數，提取方法主要集中在Winger-Ville分布(WVD)特征參數提取技術、短時傅里葉變化(STFT)、小波變化特征參數提取技術；2)脈內無意調制特征是因雷達電路和器件的不同而附加在雷達信號上的某種特性(即指紋特征或個體特征)，是一部雷達特有的屬性，可用于輻射源個體識別。

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交叉波束，然后對每個波束的輸出信號進行功率估值，最后對輸出的各個功率值使用適應于波束的比幅測向算法進行方向估計，即可得到信號的來波方向。

對于同一個輸入信號，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，對這兩個信號應用比幅測向算法即可獲得信號的來波方向。對輻射源目標可以采用雙站測向定位方式就可以實現。

2.5電磁場反演計算

電磁場反演計算是通過麥克斯韋公式計算媒質交互的數學方程，首先根據電磁時域、頻域以及空域等數據結合戰場地形和臺站信息進行反演，實現輻射源參數反演與輻射源識別；然后對連續結果采樣，得到空間若干離散點及位置信息和對應的頻率、強度、方向等屬性。根據電磁場交互、散射模型，采用數值計算方法離散到空間分布點，計算出各點的場強值、方向角等標量或矢量信息，計算出某場源在一連續時間段內，在離散空間點的標量和矢量數據。

傳統的電磁場反演計算方法分為三類：（１）電磁傳播經驗模型；（２）以拋物線方程、矩量法、FDTD為代表的數值計算方法；（３）以高級傳播模型APM為代表的混合傳播模型。目前也有學者采用神經網絡等方法進行計算。

圖4電磁場反演計算方法

若在空間某位置處存在多個輻射源，需要在某位置形成的場強需要進行矢量疊加合成計算，形成綜合場強，根據輻射源個數、傳播衰減模型、空間分布位置、本身屬性參數，用數值求解的方法計算出離散單元處的合成場強值，將電磁空間離散化，得到電磁態勢體數據場。

2.6電磁場可視化

科學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三維數據場構造出幾何圖元，然后再行渲染繪制。等值面提取技術是最常用的面繪制方法之一，它可以將原始數據場中某個屬性值抽取特定大小范圍的輪廓，進而構造三角形網格。體繪制方法則不用構造中間的幾何圖元，而是直接由三維數據場，根據數據映射關系生成二維圖像。現采用MC（Marching Cubes）方法繪制等值面，對三維電磁環境進行可視化展示。經過解析與可視化映射生成空間電磁環境可視化結構，并對可視化結構進行繪制與渲染，以電磁場強分布態勢、電磁等值線、電磁波傳播路徑等來表現環境中的電磁分布情況，還可根據已顯示的圖像與系統進行交互，對渲染圖像可進行縮放、旋轉、平移等操作，從多角度觀察電磁場分布情況。

為了實現全頻譜的態勢展現，提出了基于HSL顏色空間的電磁態勢可視化方法。顏色：用來表征電磁場的頻段，0到360度的標準色輪與電磁場的不同頻段進行對應，采用不同的顏色進行顯示；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

顏色用來區分顏色特性，不同顏色對應不同的電波波長，色調就描述了不同電磁波長的顏色；在0到360度的標準色輪上，按位置度量色調；通常情況下，色調用顏色的名稱標識的，例如紅色、黃色、藍色等。

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

對某區域中的電磁環境進行電磁成像，形成效果如圖6所示。

圖6電磁成像效果圖

參數的選取如下：

頻段：100MHz到18GHz；

輻射源類型：雷達、通信、干擾等；

干擾方式：瞄準干擾、阻塞干擾等；

頻率對應：紅色-18GHz，橙色-8GHz，黃色-4GHz，綠色-1GHz，青色-500MHz，藍色-100MHz。

4、結束語

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