CN111693956A - 基于sar和isr的电子密度预测方法、系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于SAR和ISR的电子密度预测方法、系统及设备，通过获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据，根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度。本实施例所提供的方法及设备，将合成孔径雷达数据的高空间分辨率与非相干散射雷达的高精度实测电子密度剖线结合起来，利用收集的SAR数据估计法拉第旋转角，进而反演总电子含量，并结合实测的ISR电子密度剖线实现高分辨率的三维电子密度估计，实现了低成本、快捷的获取到高精度的三维电子密度。

Description

基于SAR和ISR的电子密度预测方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及大气物理无线电波技术领域，尤其涉及的是一种基于极化SAR和ISR的三维电子密度预测方法、系统及设备。
背景技术
电离层是指大气层60千米以上的部分，是日地空间系统的重要组成部分，其中存在着大量的自由电子和离子。电离层会对穿过它的无线电波产生传播速度改变、折射、散射、极化面旋转等影响，对基于无线电波的对地观测技术引入误差，如全球定位系统(GPS)的电离层延迟，合成孔径雷达(SAR)的相位超前、群延迟以及法拉第旋转(FR)等。因此，研究电离层可以帮助我们进一步了解整个日地空间系统，同时也可以为对地观测系统的观测值提供电离层改正。
三维电子密度可以很好地描述电离层的水平和垂直空间分布，是研究电离层的关键参数。极化SAR具有全天时、全天候、高空间分辨率的优点，目前已经成为研究电离层的重要手段，但是利用极化SAR只能获取二维的总电子含量分布，无法获取三维的电子密度分布。
目前对电离层三维电子密度的研究方法主要有：GPS通过发射不同频率的信号获取某一处的垂直总电子含量(VTEC)；COSMIC通过掩星事件得到电子密度剖线；非相干散射雷达(ISR)获取连续时间段内的电子密度剖线。尽管这些方法可以获取三维电子密度，但是其都存在空间分辨率不足的问题，因此目前还无法获取到精确的三维电子密度数据，进而无法实现电离层数据精确性的进一步提高。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种基于极化SAR和ISR的三维电子密度预测方法及电子设备，克服现有技术中三维电子密度数据精确度不能满足需求的缺陷。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
第一方面，本实施例提供了一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法，其中，包括步骤：
获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据；
根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；
根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度。
可选的，所述根据所述SAR数据计算出总电子含量分布的步骤包括：
利用法拉第旋转法根据所述SAR数据计算出总电子含量分布。
可选的，所述利用法拉第旋转法根据所述SAR数据计算出总电子含量分布的步骤包括：
利用真实散射矩阵和观测散射矩阵，计算出法拉第旋转角；
根据计算出的所述法拉第旋转角计算出总电子含量分布。
可选的，所述根据计算出的所述法拉第旋转角计算出总电子含量分布的步骤包括：
利用法拉第旋转角与总电子含量分布的关系式，计算出总电子含量分布；所述法拉第旋转角与总电子含量分布的关系式为：
Figure BDA0002511845130000021
其中，Ω为法拉第旋转角，f为频率，B0为磁场强度，θ为SAR信号与磁场方向夹角，
Figure BDA0002511845130000022
为SAR信号入射角。
可选的，所述根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度的步骤包括：
选取所述ISR数据中任意一点的电子密度剖线；
以所述电子密度剖线为所述预设区域的基础电子密度剖线；
根据所述总电子含量分布、基础电子密度剖线预测出所述目标区域内的三维电子密度。
可选的，所述根据所述总电子含量分布、基础电子密度剖线预测出所述目标区域内的三维电子密度的步骤包括：
用所述总电子含量分布除以所述基础电子密度剖线所对应的总电子含量分布得到比例系数，再将所述预设区域的ISR数据的电子密度乘所述比例系数得到预测三维电子密度。
第二方面，本实施例公开了一种基于SAR和ISR的电子密度预测系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取指定区域内电离层的SAR数据和ISR数据，
总电子量计算模块，用于根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；
密度预测模块，用于根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度。
第三方面，本实施例还公开一种电子设备，其中，包括处理器、与处理器通信连接的存储介质，所述存储介质适于存储多条指令；所述处理器适于调用所述存储介质中的指令，以执行实现所述的三维电子密度预测方法。
第四方面，本实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述的电子密度预测方法的步骤。
有益效果，本发明提供了一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法、系统及电子设备，通过获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据，根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；根据计算出的所述总电子含量分布和ISR的电子密度剖线预测出三维电子密度。本实施例所提供的方法及设备，将合成孔径雷达数据的高空间分辨率与非相干散射雷达的高精度实测电子密度剖线结合起来，利用收集的SAR数据估计法拉第旋转角，进而反演总电子含量，并结合实测的ISR电子密度剖线实现高分辨率的三维电子密度，弥补常规方法空间分辨率不足的问题，并且本发明所提供的方法充分利用已知数据，不需要另设测站监测三维电子密度，因此实现方便，且成本低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法具体实施例的原理示意图；
图3是本发明实施例中所述系统的原理框图；
图4是本发明实施例中所提供电子设备的结构原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
本实施例提供了一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法，如图1所示，包括步骤：
步骤S1、获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据。
所述SAR是利用合成孔径原理，实现高分辨的微波成像。ISR为非相干散射雷达，其实基于电磁波散射原理获取散射回波的数据。
本步骤中需要首先获取到目标区域内电离层对应的SAR数据(合成孔径雷达)和ISR数据(非相干散射雷达)，所述SAR数据和ISR数据的获取方法可以为从网络上下载，从云端服务器或者从本地内存中查找，或者从外部存储介质中获取。由于SAR数据和ISR数据均为现有技术中可以直接获取的数据，因此易于查找到。
本步骤除了获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据之外，还需要收集对应的磁场信息数据。以根据获取到的SAR数据、ISR数据和磁场信息数据进行相应的总电子含量分布的计算。
步骤S2、根据所述SAR数据计算出总电子含量分布。
根据所述SAR数据计算出总电子含量分布的算法可以有法拉第旋转法和分频法等方法，本实施例中以利用法拉第旋转法根据所述SAR数据计算出总电子含量分布。由于法拉第旋转角、总电子含量、磁场信息数据之间存在一定的函数关系，因此利用前面计算的法拉第旋转角以及收集的磁场信息数据可以计算出总电子含量。
具体的，所述利用法拉第旋转法根据所述SAR数据计算出总电子含量分布的步骤包括：
步骤S21、利用真实散射矩阵和观测散射矩阵，计算出法拉第旋转角。
利用全极化的SAR数据计算法拉第旋转角：由全极化SAR数据计算总电子含量的法拉第旋转角估计器很多，其中Bickel and Bates估计器性能较为稳定，其公式为：
Figure BDA0002511845130000061
Figure BDA0002511845130000062
其中，arg代表对复数取幅角，*代表取其共轭数，M为观测的散射矩阵。
由于法拉第旋转效应，观测到的散射矩阵不存在互易性，即Mhv≠Mvh，所以利用上式就可以解算出法拉第旋转角Ω。
步骤S22、根据计算出的所述法拉第旋转角计算出总电子含量分布。
本步骤中利用法拉第旋转角与总电子含量分布的关系式，计算出总电子含量分布；所述法拉第旋转角与总电子含量分布的关系式为：
Figure BDA0002511845130000063
其中，ω＝2πf，Ω为法拉第旋转角，f为频率，B0为磁场强度，θ为SAR信号与磁场方向夹角，
Figure BDA0002511845130000064
为SAR信号入射角。
具体的，根据SAR信号的性质，其穿过电离层时产生的法拉第旋转角与传播路径上的电子数量相关，其公式为：
Figure BDA0002511845130000065
考虑到积分路径(信号传播路径)上，B近似成线性变化，且cosθ几乎不变，所以取路径上的平均磁场强度B0作为B，公式(2)可变为：
Figure BDA0002511845130000071
又因为：
TEC＝∫neds (4)
Figure BDA0002511845130000072
其中，
Figure BDA0002511845130000073
为SAR入射角。所以公式(3)进一步变为：
Figure BDA0002511845130000074
或：
Figure BDA0002511845130000075
即，在已知磁场信息数据的情况下，我们可以由全极化SAR数据通过计算FR角计算总电子含量分布。
步骤S3、根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度。
所述ISR数据中含有实测电子密度剖线数据，基于所述电子密度剖线数据和上述步骤S2中计算出的总电子含量分布，可以预测出三维电子密度。将合成孔径雷达数据的高空间分辨率与非相干散射雷达的高精度实测电子密度剖线结合起来，充分利用已有数据实现三维电子密度的估计。
具体的，结合图2所示，所述根据计算出的所述总电子含量分布和ISR的电子密度剖线预测出三维电子密度的步骤包括：
选取所述ISR数据中任意一点的电子密度剖线；
以所述电子密度剖线为所述预设区域的基础电子密度剖线；
根据所述总电子含量分布、基础电子密度剖线预测出所述目标区域内的三维电子密度。
用所述总电子含量分布除以所述基础电子密度剖线所对应的总电子含量分布得到比例系数，再将所述预设区域的ISR的电子密度乘所述比例系数得到预测三维电子密度。
本实施例所提供的方法及设备，将合成孔径雷达数据的高空间分辨率与非相干散射雷达的高精度实测电子密度剖线结合起来，利用收集的SAR数据估计法拉第旋转角，进而反演总电子含量，并结合实测的ISR电子密度剖线实现高分辨率的三维电子密度，弥补常规方法空间分辨率不足的问题，并且本发明所提供的方法充分利用已知数据，不需要另设测站实现三维电子密度的检测，因此实现方便，节约成本。
在上述电子密度预测方法的基础上，本实施例还公开了一种基于SAR和ISR的电子密度预测系统，结合图3所示，所述系统包括：
数据获取模块301，用于获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据；其功能如步骤S1所述。
总电子量计算模块302，用于根据SAR数据计算出总电子含量分布；其功能如步骤S2所述。
密度预测模块303，用于根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度，其功能如步骤S3所述。
本发明提出了联合法拉第旋转和非相干散射雷达的方法。该方法利用收集的合成孔径雷达数据估计法拉第旋转角，进而反演垂直总电子含量，并结合实测的非相干散射雷达电子密度剖线实现高分辨率的三维电子密度估计。该方法可以弥补常规方法空间分辨率不足的问题，获取到高分辨率的三维电子密度，应用于无线电波电离层影响的改正。
本实施例还公开一种电子设备，其中，包括处理器、与处理器通信连接的存储介质，所述存储介质适于存储多条指令；所述处理器适于调用所述存储介质中的指令，以执行实现所述的三维电子密度预测方法。
具体的，如图4所示，所述电子设备包括至少一个处理器20以及存储器22，还可以包括显示屏21、通信接口23和总线24。其中，处理器20、显示屏21、存储器22和通信接口23可以通过总线24完成相互间的通信。显示屏21设置为显示初始设置模式中预设的用户引导界面。通信接口23可以传输信息。处理器20可以调用存储器22中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。
此外，上述的存储器22中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器22作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令或模块。处理器30通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
存储器22可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器22还可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。例如，U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
此外，本实施例还公开了一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现所述电子密度预测方法的步骤。
上述存储介质以及终端中的多条指令处理器加载并执行的具体过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。
本发明提供了一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法、系统及设备，通过获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据，根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；根据计算出的所述总电子含量分布和ISR的电子密度剖线预测出三维电子密度。本实施例所提供的方法、系统及设备，将合成孔径雷达数据的高空间分辨率与非相干散射雷达的高精度实测电子密度剖线结合起来，利用收集的SAR数据估计法拉第旋转角，进而反演总电子含量，并结合实测的ISR电子密度剖线实现高分辨率的三维电子密度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于SAR和ISR的电子密度预测方法，其特征在于，包括步骤：
获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据；
根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；
根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度。
2.根据权利要求1所述的基于SAR和ISR的电子密度预测方法，其特征在于，所述根据所述SAR数据计算出总电子含量分布的步骤包括：
利用法拉第旋转法根据所述SAR数据计算出总电子含量分布。
3.根据权利要求2所述的基于SAR和ISR数据的电子密度预测方法，其特征在于，所述利用法拉第旋转法根据所述SAR数据计算出总电子含量分布的步骤包括：
利用真实散射矩阵和观测散射矩阵，计算出法拉第旋转角；
根据计算出的所述法拉第旋转角计算出总电子含量分布。
4.根据权利要求3所述的基于SAR和ISR的电子密度预测方法，其特征在于，所述根据计算出的所述法拉第旋转角计算出总电子含量分布的步骤包括：
利用法拉第旋转角与总电子含量分布的关系式，计算出总电子含量分布；所述法拉第旋转角与总电子含量分布的关系式为：
Figure FDA0002511845120000011
其中，Ω为法拉第旋转角，f为频率，B0为磁场强度，θ是SAR信号与磁场方向夹角，
Figure FDA0002511845120000012
是SAR信号入射角。
5.根据权利要求1所述的基于SAR和ISR的电子密度预测方法，其特征在于，所述根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据中的电子密度剖线预测出三维电子密度的步骤包括：
选取所述ISR数据中任意一点的电子密度剖线；
以所述电子密度剖线为所述预设区域的基础电子密度剖线；
根据所述总电子含量分布、基础电子密度剖线预测出所述目标区域内的三维电子密度。
6.根据权利要求5所述的基于SAR和ISR的电子密度预测方法，其特征在于，所述根据所述总电子含量分布、基础电子密度剖线预测出所述目标区域内的三维电子密度的步骤包括：
用所述总电子含量分布除以所述基础电子密度剖线所对应的总电子含量分布得到比例系数，再将所述预设区域的ISR的电子密度乘所述比例系数得到预测三维电子密度。
7.一种基于SAR和ISR的电子密度预测系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取目标区域内电离层的SAR数据和ISR数据，
总电子量计算模块，用于根据所述SAR数据计算出总电子含量分布；
密度预测模块，用于根据计算出的所述总电子含量分布和ISR数据的电子密度剖线预测出三维电子密度。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、与处理器通信连接的存储介质，所述存储介质适于存储多条指令；所述处理器适于调用所述存储介质中的指令，以执行实现上述权利要求1-6任一项所述的电子密度预测方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1～6任一项所述的电子密度预测方法的步骤。
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