基于GPS電離層測量的SAR成像補(bǔ)償技術(shù)

吳學(xué)森,張發(fā)祥,王登亮,甄衛(wèi)民

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

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基于GPS電離層測量的SAR成像補(bǔ)償技術(shù)

吳學(xué)森,張發(fā)祥,王登亮,甄衛(wèi)民

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

本文在總結(jié)電離層中信號(hào)傳播時(shí)延特性的基礎(chǔ)上,提出了一種使用基于GPS電離層測量總電子含量(TEC)改進(jìn)SAR成像的方法。由模擬的低頻SAR經(jīng)過電離層后的成像情況證明,電離層的影響十分嚴(yán)重。當(dāng)使用GPS測量的路徑TEC進(jìn)行校正后,可以重新得到比較理想的成像效果。

電離層； SAR; TEC

0 引 言

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)因其具有全天候、全天時(shí)工作能力,探測范圍廣,而極具民用和軍用潛力,已成為目前發(fā)達(dá)國家民用和軍用探測系統(tǒng)的重要組成之一。目前世界上已經(jīng)有多國研制出了工作在L、C、X等相對(duì)較高頻段的SAR系統(tǒng)。從20世紀(jì)90年代以來,由于高分辨寬帶SAR、極化SAR、干涉SAR和P波段SAR等新體制SAR的出現(xiàn),頻率降低、帶寬增大和用戶對(duì)圖像質(zhì)量的要求不斷提高,電離層影響問題尤其突出,對(duì)傳統(tǒng)SAR理論和技術(shù)產(chǎn)生了沖擊,成為當(dāng)前電離層電波傳播研究和雷達(dá)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。經(jīng)過多種機(jī)載實(shí)驗(yàn),低波段SAR(例如P波段)已經(jīng)被證實(shí)具有不同于高頻段SAR的特性[1]。低波段信號(hào)具有穿透地表植被,甚至穿透地表土壤的能力。由于電離層對(duì)低頻信號(hào)的嚴(yán)重影響,星載低頻SAR也將同樣受到電離層的影響。

1 電離層延遲模型

電離層是一種不均勻的色散介質(zhì)。電離層主要是由于太陽輻射將大氣中的分子電離而形成的一層特殊大氣層,他主要由帶電粒子構(gòu)成[2]。

電波在穿越電離層的過程中,傳播速度會(huì)發(fā)生變化,不同頻率的信號(hào)到達(dá)時(shí)間將發(fā)生不同情況的延遲[3]。在單程路徑中電離層引入的路徑延遲變化量為

(1)

式中:c為光速;fv為信號(hào)頻率;K為固定系數(shù)項(xiàng);TEC為傳播路徑上的總電子含量積分。TEC是目前描述電離層本身特性一個(gè)十分重要的參數(shù)。由電離層引起的信號(hào)時(shí)延量顯現(xiàn)出與路徑上的TEC的線性函數(shù)關(guān)系,同時(shí)又與頻率的平方成反比。以上延遲模型已經(jīng)在GPS閃爍監(jiān)測的觀測實(shí)驗(yàn)中得到了充分的驗(yàn)證。TEC的值可以從太陽活動(dòng)低日的夜間20 TECU變化到太陽活動(dòng)高日的晝間100 TECU.

圖1示出了式(1)中由入射角θinc、頻率f與總電子含量TEC得到的天頂方向路徑延遲量關(guān)系。高TEC情況下(70 TECU)用實(shí)線表示,低TEC情況下(20 TECU)用虛線表示。由圖可見天頂方向的路徑延遲量與TEC及信號(hào)頻率有著很直接的關(guān)系。由于電離層的狀態(tài)變化和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng),TEC的變化可能導(dǎo)致偏移量的較大幅度變化[4]。對(duì)于P波段,在該例中延遲量可從40 m變化至140 m.而高頻系統(tǒng)延遲量普遍小于1 m.可見對(duì)于低頻系統(tǒng),電離層所帶來的影響十分明顯[5]。

圖1 不同頻率信號(hào)受電離層時(shí)延的影響

2 SAR信號(hào)穿過電離層后的特性

SAR發(fā)射的信號(hào)為一組具有一定帶寬的線性調(diào)頻信號(hào),通過雷達(dá)的移動(dòng)形成合成孔徑。由于電離層的延遲,電波經(jīng)過電離層后,不同頻率將附加一個(gè)不同的時(shí)延,從而使得回波的線性調(diào)頻特性發(fā)生改變。

對(duì)于一個(gè)下變頻的SAR系統(tǒng)而言,信號(hào)發(fā)射后經(jīng)過從衛(wèi)星到地面再反射回去的雙程傳播路徑后,返回脈沖的形變情況如圖2所示。其中:

(2)

圖2 SAR回波波形比較

在圖2中,Tp為SAR發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度,Tp-iono為SAR信號(hào)經(jīng)過電離層后的脈寬。由于電離層時(shí)延與頻率的平方成反比,所以脈沖的展寬是不均勻的。由于這種不均勻性,展寬進(jìn)一步又導(dǎo)致了回波調(diào)頻率的變化Krshift.這一點(diǎn)也將直接反映在成像的質(zhì)量上。可見SAR信號(hào)經(jīng)過電離層后,回波波形發(fā)生了改變。而對(duì)于大于1GHz的高頻SAR系統(tǒng)而言,電離層對(duì)于波形的影響很小,一般可以忽略不計(jì)。這也是高頻SAR一直并不關(guān)注電離層影響的主要原因。而對(duì)于低頻SAR系統(tǒng)這種效應(yīng),此時(shí),如果對(duì)低頻SAR數(shù)據(jù)使用傳統(tǒng)的距離多普勒算法進(jìn)行成像,目標(biāo)點(diǎn)將在距離向會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的位移以及畸變,這種影響可以歸結(jié)為電離層延遲效應(yīng)導(dǎo)致畸變。

3 基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電離層測量系統(tǒng)

電離層延遲是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BD/GPS)中的一項(xiàng)重要誤差源。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位中,利用電離層的色散性質(zhì)通過發(fā)射兩個(gè)頻率的信號(hào)(GPS:1 575.42MHz與 1 227.60MHz),來達(dá)到消除電離層影響的目的。雷達(dá)系統(tǒng)修正中,利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雙頻信號(hào)有效提取導(dǎo)航接收機(jī)至衛(wèi)星路徑上的電離層,并用于電離層模型的驅(qū)動(dòng)更新,提高模型的精度。

基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的電離層測量子系統(tǒng)是由多個(gè)BD/GPS監(jiān)測站組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中,與雷達(dá)站點(diǎn)并址設(shè)置一套監(jiān)測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)基本的電離層監(jiān)測和模型更新功能;監(jiān)測站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的探測空間分析確定。

4 利用TEC信息改進(jìn)SAR的成像

在距離多普勒算法中,距離壓縮利用發(fā)射信號(hào)的線性調(diào)頻特性,在時(shí)域或頻域進(jìn)行匹配濾波,從而得到輸出類似于sinc函數(shù)的脈沖響應(yīng)函數(shù)[6]。這也是現(xiàn)有高頻段SAR的普遍處理方法。但是對(duì)于低頻段SAR而言,回波信號(hào)相位經(jīng)過電離層后已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化,所以如果對(duì)電離層所帶來的影響不加以補(bǔ)償進(jìn)行直接成像,成像質(zhì)量將受到嚴(yán)重的影響。電離層是一種隨機(jī)介質(zhì),其本身具有隨機(jī)特性,尤其是當(dāng)中低緯地區(qū)發(fā)生電離層閃爍的情況下,電離層的變化情況將變得不可預(yù)知。因此如果能準(zhǔn)確判斷出電離層TEC并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑?基于以上的經(jīng)過電離層后的SAR回波變化模型,將可以減少電離層對(duì)SAR成像所帶來的影響。

補(bǔ)償采用使信號(hào)重新匹配的思路,從已知的傳播路徑電離層TEC開始,推導(dǎo)經(jīng)過電離層后的回波波形,在進(jìn)行成像處理時(shí)考慮補(bǔ)償回波延遲量以及調(diào)頻率變化量,使成像重新匹配。由于星載SAR的合成孔徑長度十分長,在做仿真時(shí)勢必會(huì)使回波點(diǎn)的矩陣規(guī)模顯著增加,考慮現(xiàn)有計(jì)算機(jī)容量的實(shí)際情況,選擇在機(jī)載SAR回波數(shù)據(jù)中加入電離層的影響來進(jìn)行分析。同時(shí)不考慮其他影響圖像正常聚焦的情況,如飛行器的航跡偏移以及氣流影響下的飛行器高度變化。SAR的中心頻率為500 MHz,帶寬30 MHz.

圖3(a)示出了當(dāng)無電離層影響時(shí)的SAR 9點(diǎn)仿真成像。可見沒有電離層效應(yīng)影響時(shí),成像效果比較理想,各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)之間可以清晰的分辨,能滿足用戶對(duì)成像質(zhì)量的需求。圖3(b)示出了70 TECU情況下,如果不進(jìn)行補(bǔ)償,利用距離多普勒算法的成像結(jié)果。圖像除了發(fā)生嚴(yán)重的位置偏移,還出現(xiàn)了原主瓣消失,旁瓣增強(qiáng)以致混疊成一片的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響SAR的成像質(zhì)量。圖3(c) 示出了使用電離層TEC進(jìn)行補(bǔ)償后的成像效果。嚴(yán)重的旁瓣效應(yīng)被補(bǔ)償后,各個(gè)目標(biāo)已經(jīng)可以相互分辨,成像清晰度比較令人滿意。距離誤差也可以依據(jù)TEC的信息進(jìn)行補(bǔ)償。

由此可見,當(dāng)使用實(shí)際傳播路徑中的TEC進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),可以校正電離層所帶來的大部分影響。

圖3點(diǎn)目標(biāo)成像仿真(a)無電離層影響；(b)有電離層影響；(c)TEC補(bǔ)償

5 結(jié)束語

本文對(duì)電離層中SAR信號(hào)回波的影響進(jìn)行了分析,并給出了使用已知TEC校正SAR成像的結(jié)果。由于現(xiàn)有條件的局限性,無法對(duì)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。文中考慮模擬的時(shí)間不長,所以未對(duì)擾動(dòng)電離層情況進(jìn)行考慮。并且目前電離層探測技術(shù)有待進(jìn)一步的發(fā)展。

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(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The Compensation of SAR Imagining Based on GPS Measurement

WU Xuesen，ZHANG Faxiang,WANG Dengliang,ZHEN Weimin

Ionospheric delay is one of the most important resources in satellite navigation systems, and TEC map reconstruction is the major way to eliminate the delay effect of the satellite navigation systems. Basing on the ionospheric delay effect, there is a way to improve the quality of SAR imaging by using the TEC of the propagation grid. The simulation of the low frequency SAR imaging shows an intense effect of the ionospheric delay. The SAR imaging gets an improvement correcting by the TEC of the propagation area.

Ionosphere; SAR; Total Electron Content

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.008

2017-02-15

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0037-04

吳學(xué)森 (1985-),男,碩士生,主要從事電波環(huán)境監(jiān)測及其數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究。

張發(fā)祥 (1972-),男,高級(jí)工程師,主要從事電波環(huán)境及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。

王登亮 (1975-),男,高級(jí)工程師,主要從事電波環(huán)境監(jiān)測及其數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究。

甄衛(wèi)民 (1963-),男,研究員,主要從事電波環(huán)境及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。

聯(lián)系人: 吳學(xué)森E-mail:286214377@qq.com