CN106019277B - 星载sar方位成像中的电离层传播效应影响判决方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种星载SAR方位成像中的电离层传播效应影响判决方法。技术方案为：以星载SAR系统参数为输入，第一步：针对观测场景中任意目标点P，计算得到合成孔径中心时刻t0的电离层穿刺点坐标第二步：针对穿刺点坐标利用在线IRI模型获取t0时刻的第三步：判断与门限值的大小，得到判决结果。本发明针对星载SAR方位成像处理，提出了电离层传播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

星载SAR方位成像中的电离层传播效应影响判决方法
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，特别涉及一种星载SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)方位成像中的电离层传播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的频段范围和分辨能力进一步扩展，功能进一步增强，其中工作在低频段的高分辨星载SAR是主要的发展方向之一。低频段高分辨的星载SAR具有良好的穿透性能，既能够发现隐蔽的军事目标，还广泛应用于森林生物量反演。然而，随着工作频率的降低和分辨率的提高，电离层传播效应对其成像性能的影响愈加严重。
在现有的星载SAR电离层效应研究中，关注的重点在于电离层色散效应对距离向成像的影响。然而，随着系统分辨率的不断提高，电离层对星载SAR方位向成像也会产生一定的影响。在星载SAR方位成像的过程中，电磁波在电离层内的传播路径不断变化，导致电离层STEC(Slant Total Electron Content，斜距向电子总量)不断变化，进而引入沿方位向变化的相位误差，可能造成方位向成像质量的下降。
电离层传播效应对星载SAR方位成像的影响集中反映在STEC(Slant TotalElectron Content，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：提出一种电离层传播效应对星载SAR方位成像的影响判决方法，可以应用于星载SAR电离层影响分析与校正处理。
本发明的技术方案是：
已知星载SAR的系统参数包括：载频fc，合成孔径时间Ts，方位向分辨率ρa，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，星载SAR在方位向慢时间tn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|tn-t0|≤Ts/2。电离层的高度为zi。
第一步，针对观测场景中任意目标点P，利用空间直线方程，计算得到其合成孔径中心时刻t0的星载SAR波束在电离层上的穿刺点(Ionospheric Penetration Point,IPP)坐标
第二步，针对穿刺点坐标利用在线IRI(International ReferenceIonosphere，国际参考电离层)模型获取合成孔径中心时刻t0的电离层垂直向TEC(TotalElectron Content，电子总量)值再利用下式得到电离层STEC值：
其中，几何变换因子γ(t0)为：
第三步，如果下述不等式成立，
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传播效应的影响，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：
本发明针对星载SAR方位成像处理，提出了电离层传播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。
附图说明
图1是本发明提供的星载SAR方位成像中的电离层传播效应影响判决流程图；
图2是星载SAR方位成像与电离层传播效应的几何示意图；
图3是电离层传播效应超过判决门限时的星载SAR方位成像结果；
图4是电离层传播效应未超过判决门限时的星载SAR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为本发明提供的星载SAR方位成像中的电离层传播效应影响判决流程图，总共分为三步。以星载SAR系统参数为输入，第一步：针对观测场景中任意目标点P，计算得到合成孔径中心时刻t0的电离层穿刺点坐标第二步：针对穿刺点坐标利用在线IRI模型获取t0时刻的第三步：判断与门限值的大小，得到判决结果。
图2为星载SAR方位成像与电离层传播效应的几何关系示意图。其中，O为东北天坐标系原点，P为观测场景中的任意目标点，星载SAR的运行轨迹近似为直线(图中细实线所示)，粗虚线代表抽象为薄屏的电离层，实心圆点IPP代表t0时刻的星载SAR到目标点P的雷达波束在电离层上的穿刺点，Zi为电离层高度，取值范围通常为350～400km。穿刺点到目标点P的距离代表了电磁波在电离层内的传播路径，也表征了STEC的大小。可以看出，随着星载SAR的运动，电磁波在电离层内的传播路径不断变化，即STEC不断变化。整个合成孔径内信号传播路径变化引入的方位向QPE(Quadratic Phase Error，二次相位误差)为：
其中，合成角ψsyn由方位向分辨率决定：
通常方位向QPE≤π/4时可以忽略传播路径变化的影响，进而可以得到的判决门限为：
图3为电离层传播效应超过判决门限时的星载SAR方位成像仿真结果。仿真参数设置为：fc＝470MHz，ρa＝4.45m，因此判决门限为43.3TECU，利用本发明进行判决的结果是需要考虑传播效应的影响。为了便于对比，图3同时给出了未包含电离层传播效应(理想情况，虚线表示)和包含电离层传播效应(实际情况，实线表示)两种情况下的方位向成像结果。由图3可以发现，由于超过了判决门限，相比于理想情况，星载SAR方位向成像质量明显下降，主要表现在主瓣稍显展宽，副瓣明显抬高。
图4是电离层传播效应未超过判决门限时的星载SAR方位成像结果。仿真参数设置为：fc＝470MHz，ρa＝4.45m，因此判决门限为43.3TECU，利用本发明进行判决的结果是不需要考虑传播效应的影响。类似地，图4同时给出了未包含电离层传播效应(理想情况，虚线表示)和包含电离层传播效应(实际情况，实线表示)两种情况下的方位向成像结果。由图4可以发现，由于低于判决门限，星载SAR方位向成像质量相比于理想情况几乎没有下降。

Claims (1)

1.一种星载SAR方位成像中的电离层传播效应影响判决方法,SAR是指合成孔径雷达，已知星载SAR的系统参数包括：载频fc，合成孔径时间Ts，方位向分辨率ρa；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；星载SAR在方位向慢时间tn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|tn-t0|≤Ts/2；电离层的高度为zi，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，计算得到其合成孔径中心时刻t0的星载SAR波束在电离层上的穿刺点坐标
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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合成孔径中心时刻t0的电离层垂直向电子总量的值再利用下式得到电离层值：
<mrow> <mi>STEC</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <msub> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mn>0</mn> </msub> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>TEC</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <msub> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mn>0</mn> </msub> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，几何变换因子γ(t0)为：
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第三步，如果下述不等式成立，
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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传播效应的影响，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。
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