CN114578310B - 一种星载sar电离层色散效应的判决与处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法，以实现星载SAR数据产品的高精度和信号处理的高效率。结合所提的判决方法，建立的处理流程包括：利用IRI模型获得TEC参数，并结合星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数，即AIO、QPE和CPE；判断AIO、QPE和CPE是否超过各自的门限值，并获得相应的判决标志位；根据判决标志位决定是否进行电离层色散效应的各项校正步骤。通过本发明，能够建立起高效的星载SAR电离层色散效应校正的处理流程。
Description
技术领域
本发明涉及星载合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）领域，尤其是一种星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法。
背景技术
合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）是一种主动式微波成像雷达，具有全天时、全天候的工作特点，在环境保护、灾害监测、海洋观测、资源勘查和军事侦察等方面的应用上具有独特的优势。
对于许多的军事应用或民事应用，例如生物量反演、灾害预警、环境监测等等，通常会使用具有更好穿透性能的低频雷达信号（通常小于2 GHz）。但是，由于电离层的存在，包括色散效应等问题会对信号造成影响，使得成像结果出现散焦和几何偏移等问题。针对电离层色散效应的问题，传统的校正思路是在干涉处理前进行校正。但是当频段较低（例如L波段和P波段）和太阳活动强烈时，将导致成像结果出现较严重的散焦现象。因此，有必要在成像处理前加入电离层色散效应的校正步骤以获得精聚焦的成像结果。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法，从而建立电离层色散效应校正的处理流程。
本发明利用国际参考电离层（International Reference Ionosphere, IRI）模型获得总电子含量（Total Electron Content, TEC）参数，并结合星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数，即方位向偏移量（Azimuth Image Offset, AIO）、二次相位误差（Quadratic Phase Error, QPE）和三次相位误差（Cubical Phase Error, CPE）。判断AIO、QPE和CPE是否超过各自的门限值，并获得相应的判决标志位。根据判决标志位决定是否进行电离层色散效应的各项校正步骤。此外，结合上述判决方法，本发明将建立星载SAR电离层色散效应校正的处理流程。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法，包括如下步骤：
1、利用IRI模型获得TEC参数，并结合星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数，即AIO、QPE和CPE；
2、判断AIO、QPE和CPE是否超过各自的门限值，并获得各自的判决标志位；
3、根据判决标志位决定是否进行电离层色散效应的各项校正步骤。
有益效果：
本发明将对星载SAR电离层色散效应中的空变性、成像影响和干涉影响进行判决，根据判决结果决定是否执行相应的电离层色散效应校正步骤。当特征参数小于门限值时，将不执行相应的校正步骤以提高星载SAR的信号处理效率；而当特征参数大于门限值时，将执行相应的校正步骤，以抑制电离层色散效应。本发明提出的判决方法和标准化电离层色散效应校正的处理流程，兼顾了信号处理效率与高精度星载SAR产品的需求，对于未来低频段星载SAR地面处理系统的研制具有重要的参考意义。
附图说明
图1为结合所提的判决方法建立的电离层色散效应校正的处理流程；
图2表示某星载L波段SAR的系统参数下，方位向图像偏移随方位向TEC梯度值的变化情况；
图3表示某星载L波段SAR的系统参数下，带宽为150 M时QPE随TEC的变化情况；
图4表示某星载L波段SAR的系统参数下，带宽为150 M时CPE随TEC的变化情况；
图5表示某星载L波段SAR的系统参数下，在∆TEC a 取值分别为0 TECU、0.005 TECU和0.5 TECU时的星载SAR方位向成像结果。
图6表示某星载L波段SAR的系统参数下，在TEC取值分别为10 TECU、40 TECU和80TECU时的星载SAR距离向成像结果。
具体实施方式
本发明提出了星载SAR电离层色散效应的判决方法与处理流程，完整流程如图1所示。
本发明考虑到不是每一景星载SAR回波数据都会面临严重的电离层色散效应（电离层色散效应的程度与数据获取的时间有很大的关系，一般来说，在中午时分的太阳活动强烈，电离层色散效应较严重），同时还需要兼顾星载SAR的信号处理效率，有必要对电离层色散效应引起的主要影响进行判决从而决定是否需要进行相应的校正步骤。方位向偏移量（Azimuth Image Offset, AIO）、二次相位误差（Quadratic Phase Error, QPE）和三次相位误差（Cubical Phase Error, CPE）是三个典型的电离层色散效应影响的特征参数，利用这三个特征参数对电离层色散效应的成像影响、干涉影响和空变性进行衡量，从而建立一个标准化的电离层色散效应校正的处理方法。
该发明的星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法包括如下步骤：
步骤101：利用IRI模型获得TEC参数，并结合星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数，即AIO、QPE和CPE：
AIO的计算方式如下：
其中，f 0表示载频；K表示标准电子参数，取值通常为40.28m3/s2；R 0表示卫星到场景中心点的最近斜距；∆TEC a 表示沿方位向的TEC梯度值，用以表征电离层色散效应的空变性。
QPE的计算方式如下：
其中，B r 表示带宽；c表示光速；TEC表示信号传播路径上的总电子含量。
CPE的计算方式如下所示：
式(2)和式(3)中的TEC可以从IRI模型中直接获得，而式(1)中∆TEC a 的则可以利用IRI模型和空间几何关系，通过计算获得。设星载SAR卫星在方位η时刻的地球固定坐标系下的坐标为[x s (η),y s (η),z s (η)]，电离层高度是z i ，场景中某一点的坐标为(x 0,y 0,z 0)，利用空间直线方程，雷达波束与电离层在方位η时刻的交点P坐标的
可以由下式计算：
进一步地，方位向尺寸变换因子D a 可以计算得到：
利用IRI模型获得交点P位置处的TEC值为TEC(P;η)，进而获得沿方位向的TEC分量TEC a (P;η)：
TEC a (P;η)=TEC(P;η)·D a (6)
沿方位向的TEC梯度值∆TEC a 可以计算得到：
步骤102：判断AIO、QPE和CPE是否超过各自的门限值，并获得各自的判决标志位：
对于特征参数AIO，取判决门限值为ρ a /2，其中ρ a 为方位向分辨率。如果计算出的AIO大于ρ a /2，则令AIO的判决标志位F1为TRUE；否则F1为FALSE。对于特征参数QPE，取判决门限值为π/4。如果计算出的QPE大于π/4，则令QPE的判决标志位F2为TRUE；否则F2为FALSE。对于特征参数CPE，取判决门限值为π/8。如果计算出的CPE大于π/8，则令CPE的判决标志位F3为TRUE；否则F3为FALSE。
步骤103：根据判决标志位决定是否进行电离层色散效应的各项校正步骤：
首先，对AIO进行判决。当AIO小于判决门限时，令AIO的判决标志位F1为FALSE，此时不需要进行电离层空变性校正；当AIO大于判决门限时，令AIO的判决标志位F1为TRUE，此时需要进行电离层空变性校正。其次，以QPE的判决结果为依据分成两种方式。方式一：当QPE小于判决门限时，令QPE的判决标志位F2为FALSE，此时不需要执行电离层色散效应校正操作，直接进行成像处理和干涉处理即可。方式二：当QPE大于判决门限时，令QPE的判决标志位F2为TRUE。此时需要先在成像处理前执行电离层色散效应校正，再对CPE的标志位进行判决。当CPE小于判决门限时，令CPE的判决标志位F3为FALSE，此时不需要在干涉处理前进行电离层色散效应校正；当CPE大于判决门限时，令CPE的判决标志位F3为TRUE，此时需要在干涉处理前进行电离层色散效应校正。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
本处采用实际L波段星载SAR的系统参数进行仿真，展示判决门限的设置对于电离层色散效应的影响是否合理。图2给出了某星载L波段SAR的系统参数下，方位向图像偏移随方位向TEC梯度值的变化情况。假设距离向分辨率为3 m，可见当方位向TEC梯度大于0.0095TECU/km时，方位向偏移将超过距离向分辨率的一半，此时偏移是不可忽略的，需要进行电离层空变性校正。图3给出了某星载L波段SAR的系统参数下，带宽为150 M时QPE随TEC的变化情况。可见，当TEC大于16 TECU时，QPE将大于门限值π/4，此时色散效应将对距离向成像造成不可忽略的影响，需要在成像处理前进行电离层色散效应校正。图4给出了星载L波段SAR的系统参数下，带宽为150M时CPE随TEC的变化情况。可见，当TEC大于70 TECU时，QPE将大于门限值π/8，此时色散效应对于成像性能的恶化将尤为严重，因此不仅需要在成像处理前进行电离层色散效应校正，还需要在干涉处理前进行电离层色散效应校正。图5给出了某星载L波段SAR的系统参数下，在∆TEC a 取值分别为0 TECU/km、0.005 TECU/km和0.5 TECU/km时的星载SAR方位向成像结果。可见，其中∆TEC a 的取值是参考图2的结果，0.005 TECU/km使得AIO小于门限值；0.05 TECU/km使得AIO大于门限值。可见，当∆TEC a 取值为0.005TECU/km时，方位向几乎不存在偏移；而当∆TEC a 取值为0.05 TECU/km时，方位向存在不可忽略的偏移。图6给出了某星载L波段SAR的系统参数下，在TEC取值分别为10 TECU、40 TECU和80 TECU时的星载SAR距离向成像结果。其中TEC的取值是参考图2和图3的结果，10 TECU使得QPE和CPE均小于门限值；40 TECU使得QPE大于门限值，CPE小于门限值；80 TECU使得QPE和CPE均大于门限值。可见，当TEC取值为10 TECU时，距离向聚焦情况几乎不受影响；当TEC取值为40 TECU时，旁瓣提升严重，峰值旁瓣比恶化，距离向出现了很明显的散焦现象；当TEC取值为80 TECU时，距离向完全散焦，分辨率严重恶化。上述仿真结果说明本发明所提的判决方法是合理的。
以上所述，仅为本发明的一个实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、利用IRI模型获得TEC参数，并结合星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数，即AIO、QPE和CPE；利用IRI模型获得TEC参数，并结合星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数，即方位向偏移量AIO、二次相位误差QPE和三次相位误差CPE，具体包括：
首先，利用IRI模型获取随空间位置变化的电离层TEC参数；
其次，利用TEC参数和星载SAR系统参数计算电离层色散效应的特征参数；电离层色散效应的影响包括距离向成像质量恶化和图像偏移；用QPE表征是否需要在成像前进行电离层色散效应校正，用 CPE表征是否需要在干涉前进行电离层色散效应校正，用AIO表征是否需要进行电离层色散效应的空变性校正；
步骤S102、判断AIO、QPE和CPE是否超过各自的门限值，并获得各自的判决标志位：
步骤103：根据判决标志位决定是否进行电离层色散效应的各项校正，基于决定的结果执行校正处理流程。
2.根据权利要求1所述的星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法，其特征在于，判断AIO、QPE和CPE是否超过各自的门限值，并获得各自的判决标志位：
将计算出来的AIO、QPE和CPE与各自的门限值对比，判断是否需要考虑相应的影响，并更新判决标志位；如果AIO超过门限值，表示电离层色散效应存在空变性；如果QPE超过门限值，表示需要在成像处理前进行电离层色散效应校正；如果CPE超过门限值，表示不仅需要在成像处理前进行电离层色散效应校正，还需要在干涉处理前进行电离层色散效应校正；AIO、QPE和CPE对应的标志位分别为F1、F2和F3，对应的门限值分别为方位向分辨率的一半、π/4和π/8。
3.根据权利要求1所述的星载SAR电离层色散效应的判决与处理方法，其特征在于，根据判决标志位决定是否进行电离层色散效应的各项校正步骤具体包括：
首先，对AIO进行判决；当AIO小于判决门限时，令AIO的判决标志位F1为FALSE，此时不需要进行电离层空变性校正；当AIO大于判决门限时，令AIO的判决标志位F1为TRUE，此时需要进行电离层空变性校正；
其次，以QPE的判决结果为依据分成两种处理方式，方式一：当QPE小于判决门限时，令QPE的判决标志位F2为FALSE，此时不需要执行电离层色散效应校正操作，直接进行成像处理和干涉处理即可；方式二：当QPE大于判决门限时，令QPE的判决标志位F2为TRUE，此时需要先在成像处理前执行电离层色散效应校正，再对CPE的标志位进行判决，当CPE小于判决门限时，令CPE的判决标志位F3为FALSE，此时不需要在干涉处理前进行电离层色散效应校正；当CPE大于判决门限时，令CPE的判决标志位F3为TRUE，此时需要在干涉处理前进行电离层色散效应校正。
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