电离层对星载SAR成像质量影响和校正方法研究

摘要

由于背景电离层的色散特性和电离层不规则体的随机起伏特性，低频星载合成孔径雷达(SAR)信号在穿过电离层时会受到不可忽视的影响。当雷达工作频率减小、带宽增大、电离层活动剧烈时，星载SAR的成像性能就越容易受到电离层的影响，严重时会完全散焦。因此，电离层的存在会严重干扰和限制星载SAR的工作性能和应用范围。针对这一问题，本文重点讨论了电离层对星载SAR成像的影响机理及对应的校正研究，包括背景电离层和电离层闪烁（即不规则体）的影响及补偿措施。在我国对低频星载SAR系统日益强烈需求的大背景下，本文的研究工作具有重要的理论意义和应用价值。论文的主要工作和创新性成果如下:
　　1.针对背景电离层，结合实际电离层信息和点目标仿真，分析了其对星载SAR成像的影响，包括距离向和方位向的图像平移和散焦问题。对于距离向，除了现有文献已分析的图像偏移和脉冲展宽外，对脉压后的不对称畸变也做了相应讨论和评估。分析结果表明，随着载频的降低、总的电子含量和带宽的增大，背景电离层对距离向成像的影响较大，会大大降低图像的分辨率和精度要求。对于方位向，基于实际TEC的水平梯度分析了方位向的图像平移和散焦问题，发现背景电离层对方位向的影响较小，一般情况下可以忽略。
　　2.针对电离层不规则体，理论方面，基于时间矩理论分别分析了不规则体多重散射效应对星载SAR信号的时延影响以及不规则体的随机性对相干距离的影响。结果表明，在强电离层起伏情况下，不规则体多重散射效应对信号的时延影响不可忽略，甚至起到主要因素，因此会降低距离向图像质量。另外，即使在弱起伏时，不规则体也会对相干距离造成影响，从而影响到方位向分辨率。数值仿真方面，对传统的多相位屏模型进行了斜入射、各向异性的修正，利用多相位屏模型仿真了星载SAR成像质量的电离层不规则体效应。分析结果表明，即使是较弱的起伏，电离层不规则体也会对目标成像质量造成明显的下降，这与理论分析一致。
　　3.针对距离向图像散焦的原理，提出了三频法反演电离层信息，进而补偿图像距离向的思想。由于在强起伏条件下，传统双频法反演的电离层信息误差较大，因此不能很好的进行成像校正，而三频法由于同时考虑了不规则体多重散射效应和背景电离层的影响，因此能够较精确地补偿SAR图像，仿真结果表明了此方法的有效性。另外，利用三频法反演得到的TEC值，进行了基于星载SAR回波数据的电离层层析成像研究，通过对比传统双频法结果，显示出了三频法的精确性。并且仿真分析了不同初始条件和仰角数据对层析成像结果的影响。
　　4.针对方位向图像散焦的原理，参考机载SAR对大气湍流和姿态改变引起的随机性补偿研究，进行了基于相位梯度自聚焦算法的方位向图像补偿研究。并对PGA算法进行了相应的修正，以此适用于条带SAR受到电离层不规则体影响时的补偿分析，并同时考虑了方位向单点和多点情况。

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摘要

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 发展状况

1．2．1 星载SAR卫星的发展状况

1．2．2 电离层对星载SAR成像影响研究现状

1．2．3 电离层测量及校正方法研究现状

1．3 本文结构及主要研究成果

1．3．1 论文结构安排及框架

1．3．2 论文的主要贡献及创新点

第二章 电离层特性及电离层电波传播基础

2．1 引言

2．2 电离层的特性简介

2．2．1 电离层分类

2．2．2 电离层的一些重要参数

2．2．3 国际参考电离层模型

2．3 背景电离层对信号传播的影响

2．3．1 群延迟

2．3．2 相位超前

2．3．3 法拉第旋转

2．3．4 多普勒效应

2．4 电离层不规则体对信号传播的影响

2．4．1 电离层不规则性及表征方法

2．4．2 电离层不规则体功率谱密度

2．4．3 斜入射、各向异性功率谱密度

2．5 本章小结

第三章 背景电离层对星载SAR成像的影响

3．1 引言

3．2 合成孔径雷达成像处理算法

3．3 对距离向成像影响分析

3．3．1 图像平移

3．3．2 分辨率下降

3．4 对方位向成像影响分析

3．4．1 图像平移

3．4．2 分辨率下降

3．5 本章小结

第四章 各向异性电离层不规则体对星载SAR成像的影响

4．1 引言

4．2 对距离向成像的影响

4．2．1 图像平移

4．2．2 分辨率下降

4．3 对方位向成像的影响

4．3．1 理论分析

4．3．2 多相屏模型

4．4 本章小结

第五章 距离向电离层影响校正方法研究

5．1 引言

5．2 双频自适应法测量TEC

5．2．1 分析模型

5．2．2 距离同影响补偿

5．3 三频时延自适应法测量电离层信息

5．3．1 分析模型

5．3．2 距离向影响补偿

5．4 三频相位自适应法测量电离层信息

5．4．1 分析模型

5．4．2 距离向影响补偿

5．5 本章小结

第六章 基于星载SAR回波的电离层层析成像技术研究

6．1 引言

6．2 电离层层析分析模型

6．3 电离层层析成像仿真模拟

6．4 本章小结

第七章 方位向电离层影响校正方法研究

7．1 引言

7．2 单点目标相位梯度自聚焦补偿

7．2．1 分析模型

7．2．2 仿真结果

7．3 多点目标相位梯度自聚焦补偿

7．3．1 分析模型

7．3．2 仿真结果

7．4 本章小节

第八章 结论和展望

8．1 研究结论

8．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介