CN108169726B - 一种基于星载sar回波的电离层总电子含量反演非迭代方法 - Google Patents

Abstract

一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，基于Radon变换原理，通过选取部分参考角度，分别对受到电离层影响的初始回波信号进行Radon变换，进而计算信号调频率变化量并根据变化量对电离层总电子含量TEC值进行反推。本发明提供的方法克服了现有迭代计算方法搜索步长较大，估计精度差的问题，能够在通过保证实时性、计算精度的情况下，准确计算出电离层总电子含量TEC值。

Description

一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法

技术领域

本发明涉及一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，属于雷达探测领域。

背景技术

星载合成孔径雷达(SAR)是一种全天时、全天候高分辨率主动成像雷达，经过几十年的发展，利用其进行地形测绘、战场侦察、抢险救灾、环境监测、资源探测等军用和民用方面的工作取得了一系列重大进展。然而，由于星载SAR系统的运行轨道高度在电离层之上或者其中，其发射的极化信号不可避免会受到电离层影响，即回波回波相位会受到电离层的影响。并且当工作频率越低(主要是L波段或以下频段)、电离层活动越剧烈时，所受到的电离层影响越严重，从而制约了星载SAR系统的工作性能。

但从另一方面看，由于回波中携带有丰富的电离层信息，可为基于星载SAR的电离层探测提供了可能性。当前利用星载SAR回波进行电离层反演的算法，均是基于迭代搜索的思想：雷达发射具有一定带宽B，持续时间T_a的线性调频信号，由于电离层色散特性，其带宽内频点的回波时延不同，导致回波的持续时间压缩或展宽。由于信号的带宽不变，因此回波的调频斜率发生改变。当变化了的调频斜率与参考函数(调频斜率与发射信号相同)进行匹配滤波时，脉压后的图像质量发生畸变，即发生失配。此时，不断地改变参考函数的持续时间(调频斜率会相应改变)，使这些参考函数与回波进行匹配得到一系列脉压后的信号。从中选取振幅最大的信号，则此时所对应的参考函数的调频斜率与回波的相同，从而可以得出受电离层影响的回波调频斜率。根据电离层总电子含量(TEC)与调频斜率变化量的关系，最后可计算出路径的TEC值。

然而，基于迭代思想的估计方法主要的问题是实时性和估计精度需要折衷考虑，即搜索步长越小，估计精度越高，但实时性越差，而搜索步长越大，实时性越好，但估计精度越差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于星载SAR回波的电离层反演非迭代方法，克服迭代方法实时性差的问题，搜索步长大导致的计算精度低的问题，在保证精度情况下有效提高反演速度。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，方法步骤如下：

(1)获取电离层影响下的星载SAR初始回波信号，选取α₁，α₂，…α_N等N个参考角度，对所述初始回波信号进行Radon变换，得到Radon变换后的回波信号轨迹长度；

(2)根据步骤(1)所得Radon变换后的回波信号轨迹长度计算回波信号时频角；

(3)根据步骤(2)所得回波信号时频角计算电离层影响下的回波调频斜率；

(4)根据步骤(2)、步骤(3)所得数据计算电离层路径总电子含量TEC值。

所述步骤(1)中，初始回波信号轨迹长度与Radon变换后的回波信号轨迹长度关系如下：

L_θ|sin(θ-α)|＝L_α

式中，θ为回波信号时频角，L_θ为初始回波信号轨迹长度，L_α为Radon变换后的回波信号轨迹长度，α为所选参考角度，其中α为α₁，α₂，…α_N中任意值。

所述步骤(2)中，所述回波信号时频角的计算方法的步骤如下：

(a)将所述步骤(1)中对初始回波信号轨迹长度进行Radon变换的计算式展开为矩阵形式，可得：

式中，

为根据所选参考角度计算得到的Radon变换后的回波信号轨迹长度；

(b)对步骤(a)所得矩阵展开式进行最小二乘法处理，计算回波信号时频角，计算方法如下：

tanθ＝L_θsinθ/L_θcosθ＝sinθ/cosθ。

所述步骤(3)中，所述回波调频斜率的计算方法如下：

γ_ion＝-tanθ/μ²

式中，γ_ion为回波调频斜率，μ为尺度因子，其中，所述尺度因子的确定方法如下：

式中，T_a为发射信号的持续时间，f_s为采样频率。

所述步骤(4)中，电离层路径总电子含量TEC值的计算方法如下：

式中，c为光速，B为信号带宽，f₀为信号载频。

所述星载SAR初始回波信号形式为线性调频模式。

所述步骤(1)中，参考角度α范围是[-π,π]。

所述步骤(2)中，sinθ、cosθ、tanθ均为估计值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供了一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，利用有限个时频参考角度信息，基于Radon变换对雷达回波进行分解，从而反推出电离层TEC值。本方法基于计算而非迭代搜索的参数估计方法，提高反演的实时性，计算精度高。

(2)本发明的计算方法与传统方法相比，计算量(或计算时间)相同情况时，算法精度较传统迭代提高约一个数量级，搜索步长较为合适，在不影响计算精度的情况下，提高了实时性，不会发生失配，稳定性更好。

附图说明

图1为本发明提供的方法流程图；

图2为本发明提供的不同迭代间隔情况下反演TEC值结果示意图；

图3为本发明提供的基于Radon变换反演TEC结果示意图；

具体实施方式

一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，如图1所示，方法步骤如下：

(1)获取电离层影响下线性调频模式的星载SAR初始回波信号，选取α₁，α₂，…α_N等N个参考角度，对所述初始回波信号进行Radon变换，得到Radon变换后的回波信号轨迹长度；

(2)根据步骤(1)所得Radon变换后的回波信号轨迹长度计算回波信号时频角；

(3)根据步骤(2)所得回波信号时频角计算电离层影响下的回波调频斜率；

(4)根据步骤(2)、步骤(3)所得数据计算电离层路径总电子含量TEC值。

所述步骤(1)中，初始回波信号轨迹长度与Radon变换后的回波信号轨迹长度关系如下：

L_θ|sin(θ-α)|＝L_α

式中，θ为回波信号时频角，L_θ为初始回波信号轨迹长度，L_α为Radon变换后的回波信号轨迹长度，α为所选参考角度，其中α为α₁，α₂，…α_N中任意值。

所述步骤(2)中，所述回波信号时频角的计算方法的步骤如下：

(a)将所述步骤(1)中对初始回波信号轨迹长度进行Radon变换的计算式展开为矩阵形式，可得：

式中，

为根据所选参考角度计算得到的Radon变换后的回波信号轨迹长度；

(b)对步骤(a)所得矩阵展开式进行最小二乘法处理，计算回波信号时频角，计算方法如下：

tanθ＝L_θsinθ/L_θcosθ＝sinθ/cosθ。

所述步骤(3)中，所述回波调频斜率的计算方法如下：

γ_ion＝-tanθ/μ²

式中，γ_ion为回波调频斜率，μ为尺度因子，其中，所述尺度因子的确定方法如下：

式中，T_a为发射信号的持续时间，f_s为采样频率。

所述步骤(4)中，电离层路径总电子含量TEC值的计算方法如下：

式中，c为光速，B为信号带宽，f₀为信号载频。

所述步骤(1)中，参考角度α范围是[-π,π]。

下面结合附图并举实例，对根据本发明的基于星载SAR回波电离层反演非迭代方法进行详细描述，所用到的主要雷达和电离层参数如表1所示。

表1电离层与雷达参数

(1)由于电离层的色散特性，其对回波时延是与频率有关的，即

可以看出，时延t与电离层路径总电子含量TEC成正比，与频率的平方成反比。因此在信号频带内，每个频点时延均不同，最终导致了回波持续时间的变化，即：

其中c为光速，B为信号带宽，f₀为信号载频，T_a为发射信号的持续时间。上式可看出，除了受电离层影响的回波调频斜率γ_ion和TEC未知外，其他参数均已知。因此，只要我们计算出

就可反推出TEC值。

(2)当获得电离层影响下的星载SAR初始回波信号后，针对该星载SAR初始回波信号，可建立回波调频斜率γ_ion与时频角θ的关系：

其中，

为尺度因子，f_s为采样频率。整理可得

γ_ion＝-tanθ/μ²。

(3)在选取N个参考角度：α₁，α₂，…α_N的条件下，对回波进行Radon变换，根据Radon变换可知，初始回波信号轨迹长度L_θ与Radon变换后轨迹长度L_α的关系，即：

L_θ|sin(θ-α)|＝L_α

在以上的计算中，所述sinθ、cosθ、tanθ均为估计值，根据公式可得初始回波信号的持续时间：

代入下式中，可得电离层路径总电子含量TEC值的计算方法如下：

为了更好地描述本发明提出的评估方法优越性，我们进行了点目标仿真验证，如图2和图3所示，所用仿真参数如表1所示,仿真结果与真实值之间的偏差与计算时间如表2所示。图2所示的为传统迭代方法在迭代间隔分别为0.1ns和0.01ns时反演的TEC结果，TEC的单位为TECU。从表1和图2可以看出，迭代步长越精细，所反演的值就越精确，但是所需的计算量和计算时间相应会增加，不能很好地满足实时性需求。而从图3和表1的结果看出，利用Radon变换所反演的TEC值，其误差与传统方法间隔为0.01ns时相似，但计算时间大大减小，这说明基于基于Radon变换的电离层反演，在保持精度的同时，会明显提高计算时间，可满足于实时性需求。

表2 TEC反演仿真评估结果

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于步骤如下：

(1)获取电离层影响下的星载SAR初始回波信号，对所述初始回波信号进行Radon变换，得到Radon变换后的回波信号轨迹长度；

(2)根据步骤(1)所得Radon变换后的回波信号轨迹长度计算回波信号时频角；

(3)根据步骤(2)所得回波信号时频角计算电离层影响下的回波调频斜率；

(4)根据步骤(2)、步骤(3)所得数据计算电离层路径总电子含量TEC值。

2.根据权利要求1所述的一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于：所述步骤(1)中，初始回波信号轨迹长度与Radon变换后的回波信号轨迹长度关系如下：

L_θ|sin(θ-α)|＝L_α

式中，θ为回波信号时频角，L_θ为初始回波信号轨迹长度，L_α为Radon变换后的回波信号轨迹长度，α为所选参考角度，其中α为α₁，α₂，…α_N为N个参考角度中的任意值。

3.根据权利要求2所述的一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于：所述步骤(2)中，回波信号时频角的计算方法如下：

(a)将所述步骤(1)中对初始回波信号轨迹长度进行Radon变换的计算式展开为矩阵形式，可得：

式中，

为根据所选参考角度计算得到的Radon变换后的回波信号轨迹长度；

(b)对步骤(a)所得矩阵展开式进行最小二乘法处理，计算回波信号时频角，计算方法如下：

tanθ＝L_θsinθ/L_θcosθ＝sinθ/cosθ。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述回波调频斜率的计算方法如下：

γ_ion＝-tanθ/μ²

式中，γ_ion为回波调频斜率，μ为尺度因子；

T_a为接收信号的持续时间，f_s为采样频率。

5.根据权利要求4所述的一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于：所述步骤(4)中，电离层路径总电子含量TEC值的计算方法如下：

式中，c为光速，B为信号带宽，f₀为信号载频。

6.根据权利要求2所述的一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于：所述步骤(1)中，参考角度α范围是[-π,π]。

7.根据权利要求1所述的一种基于星载SAR回波的电离层总电子含量反演非迭代方法，其特征在于：所述星载SAR初始回波信号形式为线性调频模式。

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