星载分布式综合孔径电磁频谱宏微协同成像方法及系统

本发明涉及星载分布式综合孔径被动成像，具体涉及一种星载分布式综合孔径电磁频谱宏微协同成像方法及系统。

背景技术：

1、在天基大范围复杂电磁频谱态势的背景下，各类天基感知和成像技术具有不同的适用性。在光学成像技术的应用中，由于其主要关注地物的细节特征，因此视场范围有限，更多地作为后期辅助手段使用。合成孔径雷达成像技术属于主动成像方式，靠主动发射信号以获取目标信息，而且需要通过空间移动合成虚拟大孔径实现高空间分辨率，在一定程度上限制了实时性。针对天基感知的需求，采用被动感知技术尤为重要。因此，在面对日益复杂的电磁环境，发展具备宽视场、高分辨率、实时的被动感知技术，相较于传统光学成像和主动sar成像，具有更为突出的价值和应用前景。

2、传统天基电子感知方式主要关注个体辐射源的电磁特性，从电磁辐射源信号的参数、位置、信息和载体属性，层层递进到辐射源集群，随后再到电磁频谱态势，对电磁辐射源集群的态势信息的获取和表征存在欠缺。比如，时/频差测向定位技术本质上是一种定位方法，而非成像技术。该技术需要长时间在不同位置进行信号采集，最终通过间接方式形成辐射源电磁态势分布图。此外，现有的利用星载传感器采集星下点高低频能量的方式类似于传统的电磁频谱地图构建方法，需要对每个位置进行逐点采样，并通过长时间的积累和后期处理才能实现全覆盖。这种方法的局限性在于，它无法有效应对动态目标的变化，因为在目标快速移动或状态变化的情况下，长时间的采样和积累可能导致信息滞后，从而影响对目标的实时感知和响应能力，难以满足实时态势感知需求。

3、综合孔径被动干涉成像作为一种被动感知成像技术，近年来在地理海洋遥感探测中比较火热。该方法在全球电磁频谱态势成像中代表了一种前瞻性的解决方案，其核心价值在于能够对地球上的辐射源进行高分辨率、高灵敏度、实时且宽视场范围的成像，而非仅仅是方向或强度测量。这种技术之所以备受关注并被寄予厚望，源于其独特的优势组合，能够有效弥补现有方法的不足。主要优势如下：

4、（1）高精度成像能力。针对广域多辐射源分布，实现了蕴含更丰富空间信息的高分辨率高灵敏度电磁频谱态势直接成像。该技术利用多个天线阵列的被动探测，通过干涉测量实现高空间分辨率的电磁频谱成像，颠覆了传统的单点采样和分布式测向方法。同时，综合孔径通过对接收数据进行两两互相关处理，能够有效抑制噪声并增强目标信号，因此其灵敏度相对较高。

5、（2）视场范围大。该技术通过长短基线组合一定程度上巧妙地解决了分辨率与视场范围的矛盾，展现出卓越的兼顾性。

6、（3）实时性好。与目前常见的电磁频谱地图构建方法相比，综合孔径被动干涉成像技术可在短暂的积分时间内快速直接成像，具有实时性的优势。

7、（4）被动探测，功率成本低，隐蔽性好。作为一种被动技术，它不向外发射任何信号，这意味着在进行感知和成像时，无需较大功率，且具有好的隐蔽性。

8、综上所述，综合孔径被动干涉成像技术凭借其高灵敏度、对高分辨率与宽视场的兼顾、实时的态势感知优势以及被动特性，在广域辐射源电磁频谱感知与态势成像领域展现出良好的应用前景。但是，尽管综合孔径一定程度上可以解决分辨率和视场范围的矛盾，但是毕竟是单个卫星上的载荷，基线长度有限。即便是最长基线，其对应的分辨率也有限。为了突破传统综合孔径成像中单一载荷系统在物理层面存在的角分辨率限制，特别是针对多个辐射源落入同一分辨率单元时难以有效区分的问题，亟需一种基于分布式微小卫星编队的电磁频谱宏微协同成像方案。

技术实现思路

1、本发明针对现有天基电磁频谱感知与态势成像方法存在辐射源集群整体态势信息获取和表征效率低、空间结构信息缺失、视场范围与高分辨率难以同时兼顾以及动态实时感知能力不足等问题，将传统应用于地理海洋遥感探测的综合孔径被动干涉成像方法，创新性地应用到星载综合孔径对地面大功率辐射源电磁频谱感知领域，提出一种星载分布式综合孔径电磁频谱宏微协同成像方法及系统，具体提出一种基于分布式微小卫星编队的长基线交错式y型综合孔径阵列构型，由六颗微小卫星组成，在空间中以交错式y型构型分布，形成长基线干涉阵列，实现对地面辐射源电磁频谱分布的高分辨率直接成像。在位于编队几何中心的卫星上，额外集成一套由36个密集单元构成的交错式y型综合孔径子阵列，适用于宽视场广域直接成像。通过上述联合构型，系统能够同步生成两幅具有不同空间尺度与分辨率的电磁频谱图像，从而实现广域宏微特征协同的一体化感知能力。

2、本发明提供了一种星载分布式综合孔径电磁频谱宏微协同成像方法,包括：

3、步骤s1，确定地面辐射源；所述地面辐射源为实际辐射源或者虚拟辐射源；

4、步骤s2，将所述地面辐射源视为质点目标，计算所述地面辐射源发射的信号在单位球面度和实时方向上经过自由空间衰减后的接收功率；

5、步骤s3，根据所述接收功率、在中心卫星上搭载的36单元交错式y型的密集子阵列和由6颗卫星构成长基线交错式y型的分布式阵列确定用于生成广域宏观态势图的第一可见度函数和用于生成针对重点区域的高分辨率精细成像图的第二可见度函数；

6、步骤s4，分别通过第一可见度函数和所述第二可见度函数进行可见度反演，得到广域宏观态势图和针对重点区域的高分辨率精细成像图。

7、在一种可能的实现方式中，所述虚拟辐射源的天线参数包括：增益、波束宽度、方位角和俯仰角；

8、其中，所述增益在10-50db范围内随机设定，所述波束宽度在10°-180°间随机取值，所述方位角在0°-360°间随机分布，所述俯仰角在0°-90°间随机生成。

9、在一种可能的实现方式中，所述步骤s2包括：

10、计算所述信号经过发射天线方向图增益加权、自由空间路径损耗、大气衰减损耗以及高斯白噪声影响后接收机接收到的第一信号；

11、基于所述第一信号，考虑接收机接收天线方向图增益加权并进行解调，得到第二信号；

12、对所述第二信号进行积分处理，得到接收功率。

13、在一种可能的实现方式中，根据以下公式表示第一信号：

14、

15、式中，为自由空间路径损耗，为地面辐射源发射的信号，为高斯白噪声，为雨天天气条件下的衰减，为雪天天气条件下的衰减，为云雾天气条件下的衰减，表示是否存在雨天，表示是否存在雪天，表示是否存在云雾；

16、根据以下公式表示第二信号：

17、

18、式中，表示整流，表示低通滤波，表示接收天线方向图增益加权，表示去除直流分量，为接收天线的方向图，分别表示接收天线某一方向上的俯仰角和方位角。

19、在一种可能的实现方式中，根据以下公式表示地面辐射源发射的信号：

20、

21、式中，为载波频率，为调制信号频率，为发射信号振幅，为调制因子，表示发射天线方向图增益加权，表示发射天线的方向图，分别表示发射天线某一方向上的俯仰角和方位角。

22、在一种可能的实现方式中，根据以下公式表示接收功率：

23、

24、式中，为积分时间、为时间、为第二信号。

25、在一种可能的实现方式中，所述步骤s3包括：

26、根据以下公式表示第一可见度函数：

27、

28、式中，和为方向余弦，为傅里叶核，为第一修正亮温、和为空间频率归一化基线长度，表示单星成图，表示虚数单位的符号；

29、根据以下公式表示第一修正亮温：

30、

31、式中，和为密集子阵列中任意一对天线单元的归一化方向图、为场景亮温、和为一对天线单元的主波束立体角，和为密集子阵列中任意一对天线单元的序列标志，表示接收天线。

32、在一种可能的实现方式中，所述步骤s3包括：

33、根据以下公式表示第二可见度函数：

34、

35、式中，和为方向余弦，为傅里叶核，为第二修正亮温，和为空间频率归一化基线长度，表示分布式成图，表示虚数单位的符号；

36、根据以下公式表示第二修正亮温：

37、

38、式中，和为分布式阵列中任意一对天线单元的归一化方向图、为场景亮温、和为一对天线单元的主波束立体角，和为分布式阵列中任意一对天线单元的序列标志，表示接收天线。

39、在一种可能的实现方式中，所述步骤s4包括：

40、根据以下公式进行可见度反演，得到广域宏观态势图和针对重点区域的高分辨率精细成像图：

41、

42、式中，为反演的广域宏观态势图和针对重点区域或者高分辨率精细成像图对应的亮温，为分布式阵列可见度采样数，为密集子阵列可见度采样数，表示密集子阵列的视场范围，表示分布式阵列的视场范围，、、和为空间频率归一化基线长度，和为傅里叶核，和为方向余弦，表示虚数单位的符号，和分别表示分布式阵列和密集子阵列可见度反演的加权值，为密集子阵列中第n个可见度采样点，为分布式阵列中第m个可见度采样点，为第一可见度函数，为第二可见度函数。

43、本发明还提供了一种星载分布式综合孔径电磁频谱宏微协同成像系统, 用于执行任一上述的方法，包括：

44、确定模块，用于确定地面辐射源；所述地面辐射源为实际辐射源或者虚拟辐射源；

45、计算模块，用于将所述地面辐射源视为质点目标，计算所述地面辐射源发射的信号在单位球面度和实时方向上经过自由空间衰减后的接收功率；

46、函数模块，用于根据所述接收功率、在中心卫星上搭载的36单元交错式y型的密集子阵列和由6颗卫星构成长基线交错式y型的分布式阵列确定用于生成广域宏观态势图的第一可见度函数和用于生成针对重点区域的高分辨率精细成像图的第二可见度函数；

47、反演模块，用于分别通过第一可见度函数和所述第二可见度函数进行可见度反演，得到广域宏观态势图和针对重点区域的高分辨率精细成像图。

48、本发明提供的星载分布式综合孔径电磁频谱宏微协同成像方法及系统，通过构建长基线交错式y型综合孔径阵列，将六颗微小卫星组成的长基线主阵列与其中一颗主星上集成的36单元密集交错式y型子阵列相结合，旨在同步解决高分辨率与宽视场之间的固有矛盾。长基线主阵列通过干涉测量极大提升了系统的角分辨率，使其能够分辨出主星上综合孔径无法区分的密集辐射源；而紧凑布局的子阵列则凭借其宽视场优势，确保了对广域电磁态势的快速捕获。通过联合构型，两者在统一时基下协同工作，能够在同一积分时间内同步生成两幅具有不同空间尺度与分辨率的电磁频谱图像，从而实现广域成像与高精度探测相结合的一体化、多尺度感知，改变了传统单系统在分辨率与覆盖范围之间必须取舍的困境。