CN108983230B - 一种基于sar方位向偏移的电离层层析构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法，该方法基于原始SAR数据，首先采用距离‑多普勒成像原理实现三维SAR成像，其次分别获取差分干涉相位以及方位向偏移观测量，然后联合这两类观测量估计电离层相位屏，最后将电离层相位屏转化为垂直总电子含量变化量VTEC，顾及不同电离层高度的SAR影像即可实现电离层层析的构建。本发明所提供的方法能够实现高分辨率、高精度精细化电离层层析的获取，对深入认识电离层结构及其变化具有重要的意义。

Description

一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法
技术领域
本发明涉及电离层层析构建方法，具体涉及一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法。
背景技术
电离层(Ionosphere)是地面60千米以上部分电离的大气区域。电离层层析(Computerized Ionosphere Tomography,CIT)是电离层三维空间结构信息的表达，其不仅包含水平结构信息，而且包含垂直结构信息，是表征电离层空间结构及其变化的精密参数。通过构建电离层层析，不仅可以反演整个空间大气层的结构及其变化，对深入认识整个日地空间环境具有重要的科学意义；而且可以用于改正电离层对无线电通讯、航天和导航等人类活动的影响，对服务人类空间活动具有重大的应用价值。
目前对电离层层析的观测主要采用电离层测高仪、大功率散射雷达以及卫星观测，但是现有的方法在对电离层层析时，空间分辨率不足导致无法精确的获得微观电离层的三维结构及其变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法，用以解决现有电离层层析观测数据空间分辨率不足等问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法，所述方法包括：
步骤1、将电离层按照高度分成多层子电离层；
步骤2、重复步骤21-步骤25对每一层子电离层分别进行处理，获得每一层子电离层的垂直向总电子含量变化量，包括：
步骤21、利用SAR雷达获取当前子电离层的主SAR数据以及副SAR数据；
步骤22、根据所述主SAR数据以及副SAR数据进行三维重建，获得主三维SAR影像以及副三维SAR影像；
步骤23、根据主三维SAR影像以及副三维SAR影像计算方位向偏移量Δx；
步骤24、利用式II获得当前子电离层相位屏
Figure GDA0002739754740000021
Figure GDA0002739754740000022
式中，α为比例因子，c为积分常数，n为SAR雷达的方位向频率分割参数，l为SAR雷达有效的天线长度，单位为m；
步骤25、利用式III获得当前子电离层的垂直向总电子含量变化量ΔVTEC：
Figure GDA0002739754740000023
式中，θ为SAR雷达入射角，单位为°，f0为SAR雷达中心频率，单位为Hz；
步骤3、将所有子电离层的垂直向总电子含量变化量根据子电离层的高度进行叠加处理，获得电离层层析结果。
进一步地，利用距离-多普勒成像算法进行三维重建，获得三维SAR影像，包括：
步骤221、对SAR数据进行距离向压缩以及距离向徙动改正；
步骤222、对所述经过距离向压缩以及距离向徙动改正过的SAR数据进行快速傅里叶变换，获得SAR数据对应的频率数据；
步骤223、对每一列频率数据乘以其对应的匹配函数，对于第i列频率数据，i≥1，其对应的匹配函数ρ(fa,i)由式I获得：
Figure GDA0002739754740000031
式中，λ为SAR雷达波长,单位为cm，hiono为当前电离层高度，单位为km，Δr为距离向像素间距，单位为m，fa为方位向多普勒频率，单位为Hz，v为SAR雷达的飞行速率，单位为m/s；
步骤224、对经过步骤223处理后的所有列的频率数据进行快速傅里叶逆变换，获得三维SAR影像。
进一步地，对步骤23中的主三维SAR影像以及副三维SAR影像采用多孔径干涉处理方法计算方位向偏移量Δx。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点:
1、本发明采用SAR遥感影像作为数据源来构建电离层层析，解决了现有电离层层析观测数据空间分辨率不足的问题，实现了微观电离层三维结构及其变化的精确获取；
2、本发明通过构建方位向匹配滤波函数，克服了现有技术只能进行二维成像的限制，实现了三维SAR成像；
3、本发明通过干涉SAR方位向偏移实现了高精度电离层层析的获取。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中提供的三维SAR成像过程示意图；
图2为本发明的一个实施例中提供的方位向偏移以及电离层相位屏示意图；
图3为本发明的一个实施例中提供的400km子电离层的垂直向总电子含量变化量示意图；
图4为本发明的一个实施例中提供的电离层层析示意图。
具体实施方式
作为一项极具潜力的空间对地观测技术，合成孔径雷达(SAR)成像时其信号会穿过电离层区域，进而引起SAR图像的扭曲(如相位前移、法拉第旋转、方位向偏移等)。基于电离层引起的图像扭曲，采用一定的模型即可反演SAR信号传播路径上的电离层信息，包括三维电离层层析。
遵从上述技术方案，本发明公开了一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法，所述方法包括：
步骤1、将电离层按照高度分成多层子电离层；
在本实施例中，对于一个1000×1000像素的观测区域，将电离层高度分别设为200km、300km、400km和500km四层子电离层。
步骤2、重复步骤21-步骤25对每一层子电离层分别进行处理，获得每一层电离层的垂直向总电子含量的变化量，包括：
步骤21、采用SAR雷达获取当前子电离层的主SAR数据以及副SAR数据；
在本实施例中，利用星载SAR雷达采集SAR数据，这些数据可以在软件或网站上查询，查询并订购研究区域SAR数据，下载主SAR数据以及副SAR数据。
步骤22、根据所述主SAR数据以及副SAR数据进行三维重建，获得主三维SAR影像以及副三维SAR影像；
根据所述主SAR数据以及副SAR数据进行三维重建的方法可以是利用基于摄影测量理论的等效共线模型或者是时差高程相关模型等。
可选地，在本发明中利用距离-多普勒成像算法进行三维重建，获得三维SAR影像，包括：
步骤221、对SAR数据进行距离向压缩以及距离向徙动改正；
步骤222、对所述经过距离向压缩以及距离向徙动改正过的SAR数据进行快速傅里叶变换，获得SAR数据对应的频率数据；
步骤223、对每一列频率数据乘以其对应的匹配函数，对于第i列频率数据，i≥1，其匹配函数ρ(fa,i)由式I获得：
Figure GDA0002739754740000051
式中，λ为SAR雷达波长,单位为cm，hiono为当前电离层高度，单位为km，Δr为距离向像素间距，单位为m，fa为方位向多普勒频率，单位为Hz，v为SAR雷达的飞行速率，单位为m/s；
步骤224、对经过步骤223处理后的所有列的频率数据进行快速傅里叶逆变换，获得三维SAR影像。
在本实施例中，如图1所示的模拟的三维SAR成像。左图为原始SAR数据，中间的图像为步骤221处理后的SAR数据，右图为步骤222～步骤224处理后得到的SAR三维影像。模拟数据距离向和方位向大小分别为1000×1000像素。由图1可以看出，原始SAR数据表现为离散的信号，步骤221处理后形成在距离向聚焦、方位向离散的信号，步骤222～步骤224处理后形成在距离向和方位向都聚焦的信号，因此可以看出明显的地形信息。
因此，本发明通过构建方位向匹配滤波函数，克服了现有技术只能进行二维成像的限制，实现了三维SAR成像。
步骤23、根据主三维SAR影像以及副三维SAR影像计算方位向偏移量Δx；
获得方位向偏移量Δx的方法有偏移量跟踪法、多孔径干涉法等。
进一步地，主三维SAR影像以及副三维SAR影像采用多孔径干涉处理方法计算方位向偏移量Δx。
相比较于其他处理方法，多孔径干涉处理方法能够获取更高的精度，因此在本实施例中采用此方法获取方位向偏移量Δx。
步骤24、利用式II计算当前子电离层相位屏
Figure GDA0002739754740000061
Figure GDA0002739754740000062
式中，α为比例因子，c为积分常数，n为SAR雷达方位向频率分割参数，l为SAR雷达有效的天线长度，单位为m。
α以及c的参数值根据差分干涉相位
Figure GDA0002739754740000063
与方位向偏移量Δx确定，其中对所述的主三维SAR影像以及所述副三维SAR影像进行配准、共轭相乘、去平地效应、滤波、去除地形效应、相位解缠后获得差分干涉相位
Figure GDA0002739754740000071
如图2所示，左图为模拟的方位向偏移Δx，右图为计算得到的电离层相位屏
Figure GDA0002739754740000072
其中比例因子α＝0.02，积分常数c＝0，SAR雷达的方位向频率分割参数n＝0.5，SAR雷达有效天线的长度l＝8.9m，电离层高度为400km。由图2可以看出，在给定的参数条件下，-3～3米的方位向偏移可引起-40～5弧度的电离层相位延迟。
步骤25、获得当前子电离层的垂直向总电子含量变化量ΔVTEC：
Figure GDA0002739754740000073
式中，θ为雷达入射角，f0为雷达中心频率；
如图3所示高度为400km的子电离层的垂直向总电子含量变化量ΔVTEC，f0＝1.27×109Hz，雷达入射角θ＝38.7°。由图2、3可以看，ΔVTEC与
Figure GDA0002739754740000074
空间变化基本一致，给定条件下-40～5弧度的电离层相位延迟可引起0～20TECU的电离层变化。
步骤3、将所有子电离层的垂直向总电子含量变化量根据子电离层的高度进行叠加处理，获得电离层层析结果。
如图4所示，模拟的电离层高度分别为200km、300km、400km和500km，然后利用步骤2得到的垂直向总电子含量的变化量进行叠加获取。从图4可以看出，每层电离层垂直向总电子含量变化量为0～20TECU，高度方向上，300～400km区间垂直向总电子含量变化量最大，200km和500km垂直向总电子含量变化量相对较缓小。

Claims (2)

1.一种基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、将电离层按照高度分成多层子电离层；
步骤2、重复步骤21-步骤25对每一层子电离层分别进行处理，获得每一层子电离层的垂直向总电子含量变化量，包括：
步骤21、利用SAR雷达获取当前子电离层的主SAR数据以及副SAR数据；
步骤22、根据所述主SAR数据以及副SAR数据进行三维重建，获得主三维SAR影像以及副三维SAR影像；
步骤23、根据主三维SAR影像以及副三维SAR影像计算方位向偏移量Δx；
步骤24、利用式II获得当前子电离层相位屏
Figure FDA0002757765950000011
Figure FDA0002757765950000012
式中，α为比例因子，c为积分常数，n为SAR雷达的方位向频率分割参数，l为SAR雷达有效的天线长度，单位为m；
步骤25、利用式III获得当前子电离层的垂直向总电子含量变化量ΔVTEC：
Figure FDA0002757765950000013
式中，θ为SAR雷达入射角，单位为°，f0为SAR雷达中心频率，单位为Hz；
步骤3、将所有子电离层的垂直向总电子含量变化量根据子电离层的高度进行叠加处理，获得电离层层析结果；
利用距离-多普勒成像算法进行三维重建，获得三维SAR影像，包括：
步骤221、对SAR数据进行距离向压缩以及距离向徙动改正；
步骤222、对所述经过距离向压缩以及距离向徙动改正过的SAR数据进行快速傅里叶变换，获得SAR数据对应的频率数据；
步骤223、对每一列频率数据乘以其对应的匹配函数，对于第i列频率数据，i≥1，其对应的匹配函数ρ(fa,i)由式I获得：
Figure FDA0002757765950000021
式中，λ为SAR雷达波长,单位为cm，hiono为当前电离层高度，单位为km，Δr为距离向像素间距，单位为m，fa为方位向多普勒频率，单位为Hz，v为SAR雷达的飞行速率，单位为m/s；
步骤224、对经过步骤223处理后的所有列的频率数据进行快速傅里叶逆变换，获得三维SAR影像。
2.如权利要求1所述的基于SAR方位向偏移的电离层层析构建方法，其特征在于，对步骤23中的主三维SAR影像以及副三维SAR影像采用多孔径干涉处理方法计算方位向偏移量Δx。
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