CN105785336A

CN105785336A - Geosar方位成像中的电离层时变效应影响判决方法

Info

Publication number: CN105785336A
Application number: CN201610301841.5A
Authority: CN
Inventors: 张启雷; 计飞; 计一飞; 张永胜; 董臻; 余安喜; 何志华; 黄海风; 何峰; 孙造宇; 金光虎
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-05-09
Filing date: 2016-05-09
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2036-05-09
Also published as: CN105785336B

Abstract

本发明提供一种GEOSAR方位成像中的电离层时变效应影响判决方法。技术方案是：以GEOSAR系统参数为输入，第一步：针对观测场景中任意目标点P，计算得到其合成孔径中心时刻t₀的电离层穿刺点坐标第二步：利用在线IRI模型获取方位向慢时间t_n时刻穿刺点坐标处的电离层第三步：对得到的进行多项式拟合，得到一阶分量系数k₁的值和二阶分量系数k₂的值；第四步：判断k₁和k₂与门限值的大小，得到判决结果。本发明针对星载SAR方位成像处理，提出了电离层时变效应的影响判决方法，给出了判决门限和判决方法，在星载SAR电离层影响分析与校正处理中有广泛应用。

Description

GEOSAR方位成像中的电离层时变效应影响判决方法

技术领域

本发明属于航天与微波遥感结合的交叉技术领域，特别涉及一种GEOSAR(GeosynchronousSyntheticApertureRadar，地球同步轨道合成孔径雷达)方位成像中的电离层时变效应的影响判决方法。

背景技术

随着航天技术及微波探测技术的日益发展，星载SAR系统作为空间探测的重要手段，发挥着越来越重要的作用。当前，星载SAR系统的轨道高度、频段范围进一步扩展，功能进一步增强。GEOSAR系统即是将轨道扩展至地球同步轨道时得到的新体制星载SAR系统。相比于传统的低轨星载SAR系统，GEOSAR系统具有观测场景宽、覆盖范围广、时间分辨率高的技术优势，但同时也面临诸多新的技术挑战，譬如电离层效应对其成像性能的影响。

对于传统的低轨星载SAR系统而言，合成孔径时间较短，通常认为期间的电离层近似不变。然而事实上，电离层的形态、结构和介质特性会随时间不断变化，即具有时变效应。GEOSAR的合成孔径时间长达10²～10³秒，因此电离层的时变效应会降低GEOSAR回波信号的相干性，进而可能导致其方位成像质量的下降。

电离层时变效应对GEOSAR方位成像的影响集中反映在STEC(SlantTotalElectronContent，斜距向电子总量)在合成孔径时间内的变化上，目前尚未查到相应的影响判决方法。

发明内容

本发明的目的是：提出一种GEOSAR方位成像中的电离层时变效应的影响判决方法，可以应用于GEOSAR电离层影响分析与校正处理。

本发明的技术方案是：

已知GEOSAR的系统参数包括：载频f_c，合成孔径时间T_s，观测场景中任意目标点P在东北天坐标系下的坐标为(x₀,y₀,z₀)，该点对应的合成孔径中心时刻为t₀，GEOSAR在方位向慢时间t_n时刻的东北天坐标系轨道坐标数据为n的取值为任意整数并且|t_n-t₀|≤T_s/2。电离层的高度为z_i。

第一步，针对观测场景中任意目标点P，利用空间直线方程，计算得到合成孔径中心时刻t₀的GEOSAR波束在电离层上的穿刺点(IonosphericPenetrationPoint,IPP)坐标

x_{i, t_{0}} = \frac{z_{i} - z_{0}}{z_{t_{0}} - z_{0}} \cdot (x_{t_{0}} - x_{0}) + x_{0}

y_{i, t_{0}} = \frac{z_{i} - z_{0}}{z_{t_{0}} - z_{0}} \cdot (y_{t_{0}} - y_{0}) + y_{0}

第二步，针对穿刺点坐标利用在线IRI(InternationalReferenceIonosphere，国际参考电离层)模型获取方位向慢时间t_n时刻的电离层垂直向TEC(TotalElectronContent，电子总量)值再利用下式得到时变的STEC值：

S T E C (x_{i, t_{0}}, y_{i, t_{0}}, z_{i}, t_{n}) = T E C (x_{i, t_{0}}, y_{i, t_{0}}, z_{i}, t_{n}) \cdot γ (t_{0})

其中，几何变换因子γ(t₀)为：

γ (t_{0}) = \frac{\sqrt{{(x_{i, t_{0}} - x_{0})}^{2} + {(y_{i, t_{0}} - y_{0})}^{2} + {(z_{i} - z_{0})}^{2}}}{z_{i} - z_{0}}

第三步，对得到的|t_n-t₀|≤T_s/2进行多项式拟合，得到一阶分量系数k₁的值和二阶分量系数k₂的值。

第四步，如果下述不等式同时成立，

| k_{1} | \leq \frac{0.886 \times {cf}_{c}}{4 K} \cdot \frac{1}{T_{s}}

| k_{2} | \leq \frac{{cf}_{c}}{4 K} \cdot \frac{1}{T_{s}^{2}}

则对观测场景中任意目标点P的方位向成像时忽略电离层时变效应的影响，其中，c＝3×10⁸m/s为真空中光速，K＝40.28m³/s²；否则，必须考虑其影响。

采用本发明可取得以下技术效果：

本发明针对GEOSAR方位成像处理，提出了电离层时变效应的影响判决方法，给出了判决门限和判决方法，在GEOSAR电离层影响分析与校正处理中有广泛应用。

附图说明

图1是本发明提供的GEOSAR方位成像中的电离层时变效应影响判决流程图；

图2是GEOSAR与电离层的几何关系示意图；

图3是随时间变化的电离层垂直向TEC数据；

图4是电离层时变效应超过判决门限时的GEOSAR方位成像结果；

图5是电离层时变效应未超过判决门限时的GEOSAR方位成像结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明提供的方法进行详细说明。

图1为本发明提供的GEOSAR方位成像中的电离层时变效应影响判决流程图，总共分为四步。以GEOSAR系统参数为输入，第一步：针对观测场景中任意目标点P，计算得到其合成孔径中心时刻t₀的电离层穿刺点坐标第二步：利用在线IRI模型获取方位向慢时间t_n时刻穿刺点坐标处的电离层第三步：对得到的进行多项式拟合，得到一阶分量系数k₁的值和二阶分量系数k₂的值；第四步：判断k₁和k₂与门限值的大小，得到判决结果。

图2为GEOSAR与电离层的几何关系示意图。其中，O为地心，P为观测场景中的任意目标点，粗虚线代表抽象为薄屏的电离层。图2的上方实曲线给出了GEOSAR的运行轨迹，实心圆点IPP代表t₀时刻的GEOSAR到目标点P的波束在电离层上的穿刺点，Z_i为电离层高度，取值范围通常为350～400km。利用在线IRI模型和几何变化因子，可以获取该穿刺点位置处的时变STEC值。对得到的时变STEC进行多项式拟合：

S T E C (x_{i, t_{0}}, y_{i, t_{0}}, z_{i}, t_{n}) \approx k_{0} + k_{1} \cdot t_{n} + k_{2} \cdot t_{n}^{2}

得到电离层时变效应的一阶分量系数k₁和二阶分量系数k₂。

电离层时变效应中的一阶分量会引入方位向线性相位误差，进而导致成像点的方位向平移：

{ΔL}_{T} = \frac{2 {KT}_{s} k_{1}}{0.886 {cf}_{c}} \cdot ρ_{a}

通常认为偏移小于ρ_a/2时可以忽略，由此可以得到一阶分量系数k₁的判决门限：

| k_{1} | \leq \frac{0.886 \times {cf}_{c}}{4 K} \cdot \frac{1}{T_{s}}

电离层时变效应中的二阶分量将会引入方位向QPE(QuadraticPhaseError，二次相位误差)为：

Q P E = \frac{π K \cdot T_{s y n}^{2}}{{cf}_{c}} \cdot | k_{2} |

通常认为QPE小于π/4时对成像的影响可以忽略，进而可以得到二阶分量系数k₂的判决门限：

| k_{2} | \leq \frac{{cf}_{c}}{4 K} \cdot \frac{1}{T_{s}^{2}}

图3为利用在线IRI模型获得的某地区(北纬：22.78度，东经：110.98度，电离层高度z_i：400km)一天内的电离层垂直向TEC值。可以看出，在一天内，电离层垂直向TEC值(纵坐标表示)随时间不断变化，变化幅度高达数10TECU。在下面的仿真试验中，以图3给出的时变电离层TEC作为输入。

图4为电离层时变效应超过判决门限时的GEOSAR方位成像仿真结果。其中，横坐标表示方位向位置，纵坐标表示成像结果的幅度值。仿真参数设置为：f_c＝1.25GHz,T_s＝300s，因此|k₁|和|k₂|的判决门限分别为6.87×10^-4TECU/s和2.59×10^-6TECU/s²。截取图3所示的时变电离层TEC值中300s(00:00:01～00:05:00)数据作为仿真输入，对该段数据进行多项式拟合，得到：k₁＝-1.8×10^-3TECU/s，k₂＝2.75×10^-6TECU/s²，利用本发明进行判决的结果是本时段需要考虑时变效应。为了便于对比，图4同时给出了未包含电离层时变效应(理想情况，虚线表示)和包含电离层时变效应(实际情况，实线表示)两种情况下的仿真成像结果。由图4可以发现，由于该段数据的时变效应比较严重，|k₁|和|k₂|均超过了判决门限，相比于理想情况，GEOSAR方位向成像质量明显下降，主要表现为主瓣展宽，副瓣抬高，并有明显的像点偏移。

图5为电离层时变效应未超过判决门限时的GEOSAR方位成像结果。仿真参数设置与图4相同，因此|k₁|和|k₂|的判决门限保持不变。另外截取图3所示的时变电离层TEC值中300s(04:45:01～04:50:00)数据作为仿真输入，对该段数据进行多项式拟合，得到：k₁＝-2.6×10^-4TECU/s，k₂＝2.99×10^-7TECU/s²，利用本发明进行判决的结果是本时段不需要考虑时变效应。类似地，图5同时给出了未包含电离层时变效应(理想情况，虚线)和包含电离层时变效应(实际情况，实线)两种情况下的仿真成像结果。由图5可以发现，由于该段数据的时变效应不太明显，|k₁|和|k₂|均低于判决门限，相比于理想情况，GEOSAR方位向成像质量没有明显下降，仅有轻微的像点偏移。

Claims

1.一种GEOSAR方位成像中的电离层时变效应的影响判决方法，GEOSAR是指地球同步轨道合成孔径雷达，已知GEOSAR的系统参数包括：载频f_c，合成孔径时间T_s；观测场景中任意目标点P在东北天坐标系下的坐标为(x₀,y₀,z₀)，该点对应的合成孔径中心时刻为t₀；GEOSAR在方位向慢时间t_n时刻的东北天坐标系轨道坐标数据为n的取值为任意整数并且|t_n-t₀|≤T_s/2；电离层的高度为z_i；其特征在于，包括下述步骤：

第一步，针对观测场景中任意目标点P，利用空间直线方程，计算得到合成孔径中心时刻t₀的GEOSAR波束在电离层上的穿刺点坐标

x_{i, t_{0}} = \frac{z_{i} - z_{0}}{z_{t_{0}} - z_{0}} \cdot (x_{t_{0}} - x_{0}) + x_{0}

y_{i, t_{0}} = \frac{z_{i} - z_{0}}{z_{t_{0}} - z_{0}} \cdot (y_{t_{0}} - y_{0}) + y_{0}

第二步，针对穿刺点坐标利用在线国际参考电离层模型获取方位向慢时间t_n时刻的电离层垂直向电子总量的值再利用下式得到时变的值：

S T E C (x_{i, t_{0}}, y_{i, t_{0}}, z_{i}, t_{n}) = T E C (x_{i, t_{0}}, y_{i, t_{0}}, z_{i}, t_{n}) \cdot γ (t_{0})

其中，几何变换因子γ(t₀)为：

γ (t_{0}) = \frac{\sqrt{{(x_{i, t_{0}} - x_{0})}^{2} + {(y_{i, t_{0}} - y_{0})}^{2} + {(z_{i} - z_{0})}^{2}}}{z_{i} - z_{0}}

第三步，对得到的进行多项式拟合，得到一阶分量系数k₁的值和二阶分量系数k₂的值；

第四步，如果下述不等式同时成立，

| k_{1} | \leq \frac{0.886 \times {cf}_{c}}{4 K} \cdot \frac{1}{T_{s}}

| k_{2} | \leq \frac{{cf}_{c}}{4 K} \cdot \frac{1}{T_{s}^{2}}