收稿日期:2004-08-06；修回日期:2005-02-17。
作者简介：张云华(1967-)，男，博士生导师，博士，主要研究方向为微波遥感理论与技术，计算电磁学。E mail:yhzhang@ 张云华，张祥坤，姜景山
(中国科学院空间科学与应用研究中心微波遥感技术实验室，北京100080)
摘 要：首先介绍了空间虚拟探测技术的特定含义，并论述了其与编队飞行的关系。以成像雷达为例，阐述了空间虚拟探测的理论基础，重点介绍了空间分辨率与空间频谱关系原理和稀疏阵成像原理，同时提出了空间虚拟探测技术发展的几项关键技术。最后对空间虚拟探测技术的发展和广泛应用作出展望。
关键词：空间虚拟探测技术；编队飞行；稀疏阵列成像；子孔径合成成像中图分类号:TP732.1 文献标识码:A
Space virtual detection techniques and its development
ZHANG Yun hua,ZHANG Xiang kun,JIANG Jing shan
(National Microwav e Remote Sensing Lab,CSSAR,CAS ,Beijing 100080,China)
Abstract:The specific definition of the Space Virtual Detection Technique (SVDT)is presented and the relation betw ee n SVDT and formation flying is discussed.The theoretic al basis of the technigue is described w ith the emphasis on sparse aperture array imaging and subaperture imaging.At t he same t ime,seve ral key technologies a re proposed.At last,a n outlook for t he future deve lopment a nd applic at ion of SVDT is given.
Key words:space virtual detection technique;format ion flying;sparse aperture array im aging;synthet ic sub ape rture imaging
1 引 言
从太空中对地球或其它星球进行探(观)测，一直是人类从事空间活动的主要内容和热点领域。人类开展大规模的空间活动近50年，空间探测活动取得了巨大的进步并带动了一大批高新技术的发展，其中卫星制造技术、空间通信测控技术、有效载荷技术、计算机及自动控制技术、精密定轨技术、新材料新能源技术更是突飞猛进。然而空间探测技术的每一个进步都是以巨大的人力物力消耗为代价的，因此我们不得不考虑这样一个问题：如何能够在极大提高探(观)测能力的同时又能够尽可能地降低成本?按照传统的思路，要提高探测能力，必然要求有效载荷的系统越来越复杂，体积重量和功耗只能越来
越大，从而导致的成本(包括发射)和风险急剧增加，显然难以达到目的。但是如果我们能够将复杂的系统通过一定的空间分解，将其功能分散到多个相对简单的系统中，然后将多个相对简单的系统按一定的规律 虚拟
[1~4]
孔板波纹规整填料出一个庞大复杂、功能强大的系统,
便有可能降低成本和风险，这就是空间虚拟探测技术的基本概念。必须指出，这里的 虚拟 概念与通常意义上的计算机虚拟现实技术中的 虚拟 概念有着本质的区别。那么如何分解?如何构建具有特定功能的虚拟平台及设备?如
何融合数据?这些问题是空间虚拟探测技术需要解决的理论问题。本文将围绕这三个问题来阐述空间虚拟探测技术的基本原理和实现方法。重点分析空间虚拟技术所面临的关键技术突破，包括为适应虚拟技术需要而进行的编队飞行技术、完成虚拟探测的数据处理技术。在阐述空间虚拟探测技术时，以子孔径信号处理方法来说明实现空间虚拟探测技术的可能性。与此同时，对空间虚拟探测技术的发展和广泛应用作出展望：不仅可以用于对地观测，也可以用于深空探测；不仅可以在有源和无源微波遥感器中实现，也可以在光学遥感器中实现，甚至可以在不同类型的遥感器中实现。虽然对于不同的遥感器，具体实现虚拟探测的方法有所不同，但其目标却是共同的，即都是为了获得功能更强、性能更p2p网络电视录像专家
高的探测能力。
2 空间虚拟探测技术与编队飞行的关系
编队飞行相比于以往的星座或组网来说，要求各个参与编队飞行的卫星平台之间的相互位置测量更为精确，并且编队构形更加稳定，同时各个平台之间发生信息交换，卫星平台之间的时钟严格统一，单个卫星平台的自主能力更强。空间虚拟探测技术正是以这种相互位置可精确测量并保持稳定的构形、各平台之间有统一的时钟，平台之间发生
2005年12月系统工程与电子技术
Dec.2005第27卷 第12期
Systems Engineering and Electronics Vol.27 No.12
文章编号:1001 506X(2005)12 2006 03
信息交换的编队飞行技术为基础提出和发展起来的。空间
虚拟探测技术根据其实现的需要，对编队飞行提出具体的技术要求，因此编队飞行主要是解决实现虚
拟探测技术所需要的平台问题，而空间虚拟探测技术主要解决如何提高探测能力的问题。空间虚拟探测技术不仅关注如何提高观测能力的问题，也关注如何实现多功能，这就要求编队飞行具有可重构性。空间虚拟探测的实现离不开特定的编队飞行的实现，而编队飞行则因为空间虚拟探测技术的需求而有了更加明确的发展方向，因此空间虚拟探测与编队飞行之间具有相互依存和促进并共同发展的关系。
3 空间虚拟探测技术的理论基础
我们知道，一个信号的时域宽度与其Fourier 变换后的频域宽度成反比，即一个信号的时间宽度越大，则其频域宽度(带宽)越小，时间宽度越小则带宽越大。同样，对于一个具有一定几何尺寸的空间物体，其尺寸越小则对应的空间频率范围越大。如图1所示。
对特定区域(目标)宽频谱观测的获得,
一方面可以通
图1 时域与频域、空域与谱域关系示意图
过增大发射信号的带宽来实现，也可以通过对该区域进行多方位观测来实现。图2~图4说明了在三种SAR 的工作
模式下，所能够获得的对观察区域的空间频率采样范围。显然，在Circular 模式下，所获得的空间频谱最宽，等效于获得的合成孔径最大,
因此所能获得的成像分辨率也最高。
在通常的单站SAR 中，合成孔径是在同一个平台实现的，而对于分布式的虚拟探测系统来说，合成孔径是在单个平台合成孔径的基础上，在多个平台之间通过跨平台的合成孔径来实现的。这种跨平台的综合，既可以实现方位向的分辨率提高，也能实现距离向的分辨率提高。而对于距离向的分辨率提高可以通过发射波形的综合来实现。上述是根据传统合成孔径的观点来解释空间虚拟探测
技术的理论基础。下面阐述根据子孔径和稀疏阵列[5~7]
的观点来解释空间虚拟探测的理论基础。
图5为孔径分解为子孔径并将子孔径进行空间稀疏的示意图。在该图中，孔径尺寸为L !M 并划分为4个子孔径，每个子孔径都有自己的发射和接收机。就单个子孔径而言，由于天线孔径的减少，必将产生方位向和距离向的模糊[5]
。但是如果将4个子孔径接收的信号进行相干处理，即将其视为由4个单元的天线阵的阵方向图作用进去后，可以使方位向和距离向的模糊度得到抑制。理论上说，应该可以等价于没有进行子孔径划分前的结果。当我们将4个子孔径按一定的方式进行空间分布后，便得到了稀疏的阵列，此时虽然等效的天线口径与原来相比增大了，但由于稀疏，必然出现更加严重的旁瓣，增加了距离向和方位向的
模糊度。解决这一问题的方法是，除通过数字波束形成技
术外，还应该采用特殊的空间 时间信号插值技术，以达到减小孔径稀疏程度的目的。
为了说明子孔径合成的原理，我们给出对两个子孔径信号进行合成后得到的成像结果。算法步骤如下:(1)照常规Spotlight 模式成像算法获得子孔径1和子孔径2的图像，即
image 1(x ,y)=F -1
(kx 1,ky 1),kx 1∀K X 1,ky 1∀K Y 1(1)
image 2(x ,y)=F -1(kx 2,ky 2),kx 2∀K X 2,ky 2∀K Y 2
介电常数测量(2)
防屏蔽(2)将F(kx 1,ky 1)和F(kx 2,ky 2)进行合成，即
水帘式喷漆房F (kx ,ky)=F (kx 1,ky 1)+F(kx 2,ky 2)
(3)
此时需要进行极坐标到直角坐标的转换和插值运算。完成子孔径1和子孔径2的合成后得到
第27卷 第12期空间虚拟探测技术及其发展趋势
#2007 #
image (x ,y)=F -1
(kx,ky ),
kx ∀K X 1+K X 2,ky ∀K Y 1+K Y 2
(4)
x ,y 为观测区域空间域的坐标,kx 和ky 为空间谱域的坐标,K X 和K Y 为所观测的空间谱域范围。
图6(a)为示意图，图中 表示对目标区域进行观测的角度范围, 表示子孔径1和子孔径2之间的观测角度间隔。图6(b)给出 =11.42∃时的成像结果。图6(c)给出 =11.42∃, =0.0∃时的成像结果。图6(d)给出 =11.42∃, =1.15∃时的成像结果。比较(b)和(c)可以看出分辨率的提高效果，比较(c)和(d)可以看出 不同所产生的影响。但事实上, 并非越大越好，当 大到一定程度时,KX 1,K Y 1和KX 2,K Y 2之间不能很好衔接，将使合成
后的图像产生严重的畸变。
图6
4 空间虚拟探测的关键技术
实现空间虚拟探测的关键技术分为信号处理方法与硬件实现技术两大部分，具体包括以下几个方面:
(1)新型信号处理理论与方法
分布式系统的信号处理理论与方法与传统的基于单一平台观测数据的处理方法有很大不同。在单一平台系统中，观测数据的相干性很容易得到保证，而对于编队飞行这样的分布式系统，各个平台观测数据的相干性保证要困难得多，因此信号处理的难度大大增加。我们需要针对分布式系统的特点来发展相应的信号处理理论与方法，其中稀疏孔径成像理论和数字波束形成算法将是解决新型信号处理问题的根本方法。
(2)高空间分辨率成像理论与系统实现方法
根据物理学，物理尺寸越小的物体，其对应的空间频率域的范围就越宽。这等效于对于一个时域波形，如果时域宽度越小，则该信号的频谱越宽。因此在设计编队飞行系统的时候，通过入射角和方位角的配合，如果能够实现对某一观测地区足够宽的空间频率信息获取，就一定能够获得该地区高分辨率的图像。理论分析表明，观测区域空间频率信息的带宽不仅依赖于发射信号的带宽，同时也极大地依赖于观测的入射角和方位角。从信号处理的角度看，如何将并不连续的空间频谱信息(稀疏阵列)通过特殊处理,
例如插值和外推后，获得连续的空间频谱，经过复杂的成像算法处理，最终获得超高分辨率的图像。
(3)新载荷设计
有效载荷的设计要满足编队飞行对有效载荷的要求。由于构成编队飞行的卫星之间的有效载荷信息需要进行融合或相干处理，因此各个有效载荷之间必须能协调工作，并保证频率源的相干性。从有效载荷的设计思路看，不再是大而全的设计，而是小而精的设计。
(4)轨道设计
轨道设计是保证编队飞行的几何构形和基本前提。而几何构形的设计又必须满足信息增加和能力增强的目的，即满足观测目标多入射角和多方位角的需求，以获得超稳定的干涉基线和超大合成孔径，同时满足轨道构形稳定性的要求。
(5)轨道控制
由于轨道的摄动问题，编队飞行卫星的几何构形会发生一定范围内的变化，因此需要对各个卫星的轨道进行一定范围的控制，这种控制既可以依靠地面完成，也可以依靠卫星自主运行来完成。
(6)卫星自主运行技术
卫星自主运行技术是保证编队飞行稳定性的重要技术手段。进行编队飞行的每颗卫星都必须具有强大的星上处理和控制计算机，以随时对可能发生的各种运行问题进行处理。例如对轨道摄动的处理，以及编队卫星中的某颗卫
星失效情况的处理，此时要求其余正常运行的卫星能够重新进行构形组合，以保证整体编队飞行卫星的性能不受影响。
(7)星间通讯与时间同步技术
星间通讯与时间同步技术是保证各个编队卫星之间协调工作的技术基础，也是实现编队卫星自主运行的技术基础。这也是解决各个卫星有效载荷之间相干性问题的重要技术保证。对雷达来说，这是实现双站或多站雷达的技术前提。其技术能力直接决定了各个平台有效载荷所获取信息的相干性质量。
(8)卫星姿态测量及控制技术
卫星姿态测量是实现整个编队构形几何关系精确测量的技术前提。要完成高精度的卫星姿态测量，需要将地面测量与卫星之间相互测量相互结合。通过卫星姿态测量可以准确地确定天线的相位中心，以及真实指向角度。当卫星姿态发生偏离的时候，要求能够通过自主控制来进行纠正。
(9)信号在电离层中路径传播问题
由于编队飞行的卫星分布在一个较大的空间范围，因此在各自卫星的观测路径上，电离层对信号的影响可能存在差别，这种差别必须在信息融合前加以矫正。
5 空间虚拟探测技术的发展趋势
空间虚拟探测技术因为编队飞行技术的出现而得以产生和发展，它不仅仅是为了满足功能提升的需求，同时也是为了完成功能扩展的需求。因此通过编队飞行实现的空间
#2008
#系统工程与电子技术2005年
虚拟探测不仅可以作为获得超高空间分辨率的技术途径,
还可以广泛地用于多基线干涉测量，完成立体地形测绘使命以及动目标检测使命。空间虚拟探测不仅可以在主动雷达技术中实现，也可以在无源的遥感器中实现，例如形成分布式的合成孔径辐射计。
展望空间虚拟探测未来的发展，我们相信，不仅在雷达遥感领域，而且在光学遥感领域也将得到广泛的发展。随着技术的发展，通过编队在空间形成超长基线的光学遥感系统，在天文观测中将发挥强大的作用，极大地提升人类深空探测的能力。此外，空间虚拟探测技术发展的另一个重要趋势就是实现
多种遥感器的数据融合，例如将微波遥感与光学、红外遥感数据(图像)进行融合处理，以得到单一遥感器所不能获得的信息。同样，这种数据融合只有在以编队飞行技术为前提的基础上才能实现。
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(上接第2001页)
4 误码率
为了验证该硬件系统的性能，我们通过计算机RS 232口注入基带数据，板上FPGA 作PSK 调制后经
过DA 芯片
发出70MHz 中频信号，该信号衰减后经板上AD 芯片采样送入FPGA 解扩解调。解调后数据送回计算机和原始数据比较得到误码率如图7。高斯白噪声由信道加入，假设高斯白噪声不变，有用信号经过衰减器，衰减幅度如图中坐标横轴所示。Wm m ary 表示采用8阶复合码的多进制扩频。Gold m ary 表示用经过优选的8个gold 码作伪码多进制扩频。DSSS 表示相同扩频增益的直接扩频。比较可见，复合码多进制扩频在误比特率为10
-3
时，优于相同扩频增益的
DS 直扩系统近2dB 。和Gold m ary 相比，误码率几乎一
样，但实现复杂度小得多,
且可用伪码也多。
图7 8阶复合码系统误比特率
5 结 论
本文提出将伪随机序列(如m 序列、gold 序列)均匀分段，再用Walsh 序列调制每一段得到一种新的复合序列。复合序列既有同步正交性，非同步时互相关特性也较理想。由于复合序列的内在一致性，可以用一个匹配滤波器实现输入信号和8个本地复合序列的相关运算，大大节约了资源消耗。本文采用100万门级的FPGA 实现中频多进制扩频的调制和解扩、解调，资源消耗不到50%。实验证明采用这种复合序列的多进制扩频方式，其实现复杂度和传统直接扩频相近，性能优良。
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第27卷 第12期空间虚拟探测技术及其发展趋势
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