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1、1 星载 SAR 系统的电离层修正和探测方法研究 王成 （钱学森空间技术实验室空间技术与应用基础研究部，北京100094） 1 研究背景 电离层广泛分布在地球上空60-1000km 范围内，自上个世纪初人类首次证 实电离层的存在后， 其一直是空间环境的重要组成部分。电离层对信息系统的影 响主要体现在电波传播效应上，包括信号强度、相位、时延和极化等方面。它们 会导致信息质量恶化、 导航定位精度下降、通信误码和天基雷达成像性能降低等。 因此，其对星载无线电系统的影响决定着空间天气对信息系统影响与对策研究， 开展电离层的修正和探测研究愈显得重要和迫切。 星载合成孔径雷达 (SAR)是一种全天时、全天
2、候、多极化、多波段的高分辨 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、资源探测等方面的工作取得了一系列重大进展。然而，由于系统 运行轨道高度一般在电离层之上或者其中，其发射的低频信号不可避免会受到上 述所提到的影响，电离层补偿成为低频SAR 系统设计时必须考虑的问题。另一 方面，由于回波中携带有丰富的电离层信息，若能了解其影响机理并进行精确建 模，就可为基于星载 SAR 的电离层探测提供可能。 结合 SAR 系统的高空间分辨 率特性，这种新体制电离层探测技术可获得公里级分辨率的电离层结构，比目前 手段提高 1 到 2 个数量级。 基于上述背景，钱学森
3、空间技术实验室数据科学组针对星载SAR 系统电离 层精确补偿、星载SAR 系统探测电离层等方面，与实验室内部和中国电波传播 研究所相关人员开展了合作， 得到了钱学森空间技术实验室自主创新课题和国家 自然科学基金支持 (416014157)。 2017年以来， 最新的研究成果已相继发表在IEEE TGRS (中科院 2 区)、IEEE JSTARS(中科院 2 区)、Radio Science( 中科院 3 区)等 期刊上。前期的工作也已发表在IEEE TGRS(中科院 2 区)、IEEE TAP(中科院 2 区)、JGR (中科院 2区)、Chinese Journal of Geophysi
4、cs( 中科院 4 区)等期刊上。 本 文针对目前的工作成果，介绍相关工作情况。 2 研究内容与成果 2.1 电离层对星载 SAR图像影响精确建模研究 星载 SAR系统发射的线性调频信号在电离层中二次传播后，由于电离层的色 散特性，回波带宽内每个频点的附加时延不同，因此最终会导致回波相位畸变， 影响成像质量。并且载频越低、带宽越大，TEC值越大，影响越严重。为了能够 补偿电离层影响， 其前提是需要建立一套精确的电离层影响评估模型，通过模型 反演，迭代补偿相位误差即可恢复成像质量。然而，随着星载 SAR系统朝着更大 2 的相对带宽和更低的载频发展， 基于泰勒级数建立的电离层影响模型由于非正交 性
5、，即高阶相位误差含有低阶相位误差，会导致较大的评估误差。 此时在进行相 关的补偿， 图像质量不能满足要求。 基于此，我们提出了基于勒让德正交级数建 立电离层模型想法，其零次到三次相位误差最终表达式为： 00201 02 0 00 00 0000 101 233 2 00 0 2 ln 2 22 22 1222121212 lnln 22 2 Le Le A TECfBA TECfATEC f BBBfB BB ff ff ffBfBf fA TEC fATEC f B fBfBBBB Bff 2 2 0 00 222 000000 201 3232 000 3 2 22 30266230122
6、5156 lnlnln 222222 Le A TEC f B BB ff ffBfffBfffB fA TECATEC BfBBfBBBfBBBBB 22 0 00 3 0 0 2 0 2 322 0 00 3 00 30 42 12 2 22 65 2 30256 ln- 22 22 14021324 ln 3 Le fB BB Bff f f B B ffB A TEC BfBBB BB ff ffffB fA TEC BBB 3 0 02 2332 000000 1 234232 000 00 3 2 42 20 3 2020214021602403 lnln 222 22 14021
7、 f f B fffBffffBf ATEC BB fBfBBfBBBBBBB ff ff A TEC BB 4 22 0 02 00 232 0 00 403 -15+ 4 60220 -ln+ 2 22 f fB B ffB fBBB BB ff 以此模型为核心，我们分析了图像距离向平移、散焦，方位向随机散焦、平 移等影响， 并得到了与传统观点不同的地方，例如，先前研究认为电离层导致的 图像平移与 SAR 工作带宽无关，而通过新模型计算和相应的验证，其与带宽是 有关的，只是对于带宽不大情况可以忽略。由于此模型比传统模型更加精确，适 用范围更广，因此不仅可为未来低频宽带/超宽带 SAR、SA
8、R-GMTI 等电离层影 响和补偿分析提供支撑， 也适用于目前的星载SAR、 地基 ISAR 以及 MARSIS(火 星电离层 探测器 )电 离层分析。论文评 审 专家也对此模型做了 “useful and interesting”评价。更加详细的分析可参见我们的论文Cheng Wang*, et al. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., doi: 10.1109/TGRS.2017.2693396, 2017。 2.2 基于全极化 SAR的 TEC反演研究 全极化工作模式通过测量地物目标的极化散射特性，获得散射矩阵信息， 从 而可以完整地解译目标的多种物理特
9、性。由于电离层的极化色散特性， 其回波散 射矩阵包含有法拉第旋转角(FR)误差。因此通过建立相应反演算法，可从星载全 极化 SAR 散射矩阵中提取路径上法拉第旋转角信息，进而通过一定近似可得到 TEC 分布信息。此研究即可对极化SAR 的电离层误差进行补偿，也有助于电离 层探测研究。由于结合了星载SAR 的高分辨率特性，所反演的TEC 分辨率可达 公里级，远高于现有手段，可为电离层探测提供了一种新手段。对于FR 的提取 方法，目前已有多种经典方法， 我们最近也基于圆极化基协方差矩阵提出了一种 新算法。然而，这些算法均有一定的适用范围，即在特定的系统误差情况下会显 示出较好的结果， 我们提出的算
10、法在相位不平衡误差较大时，能够得到较好的反 3 演精度，可选为最佳方案。 另外，上述算法对于噪声的处理均是通过均值滤波方法进行的，即把相邻像 素的值进行简单的取平均， 虽然像素数越多， 精度越好， 但是同时也降低了空间 分辨率。基于此，我们提出了一种基于全变差模型去噪方法，结果表明，其能够 进一步降低噪声影响。如图1 所示为利用一组长白山地区PALSAR 全极化数据 进行的 TEC 反演仿真，传统反演结果的标准差为0.1580TECU，而利用全变差得 到的结果标准差可降为0.0893TECU，效果明显。相关成果最近发表在美国地球 物理协会旗下Radio Science 期刊上。 Cheng W
11、ang*, et al., Radio Sci., doi: 10.1002/2016RS006116, 2017 (a)长白山全极化图(b) 均值滤波去噪结果(c) 全变差去噪结果 图 1 长白山地区上空TEC 反演结果 2.3 基于全极化 SAR电离层层析成像研究 上述研究虽然能够得到FR 或者 TEC 的空间分布信息，但是两者均是路径 电子密度和地磁场积分量， 反映的依然是电离层水平结构特征。对于地磁暴异常 监测、电离层闪烁预报以及导航系统电离层修正等应用，更加关注的是空间电子 密度分布情况。因此，我们基于上述的结果进行了更进一步工作：通过反演的 TEC 值去重建路径上的电子密度，此时就
12、需要利用层析成像技术。我们同样利 用图 1 中的长白山地区全极化数据进行了重建工作，图 2 所示的为最终结果， 可 以看出重建结果能够真实反应空间电子密度分布特点，可重建数公里尺寸的电子 密度异常结构，这是传统基于GPS 层析技术所达不到的能力。因此，所得到的 高分辨率电离层信息可成为现有数据的一个有益补充，进一步提高电离层观测水 平。关于此类研究，目前国际未见报道，具有一定的创新性。更加详细的误差讨 论可参见我们最近的论文Cheng Wang*, et al. IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sens., doi: 10.1109
13、/JSTARS.2017.2703098, 2017。 Range/pixels A z im u th /p ix e ls 100200300400500600700800 500 1000 1500 2000 2500 3000 49.7 49.8 49.9 50 50.1 50.2 Range/pixels A z im u th /p ix e ls 100200300400500600700800 500 1000 1500 2000 2500 3000 49.7 49.8 49.9 50 50.1 50.2 4 (a)真实电子密度分布 (b) 层析成像重建结果 图 2 长白山地区
14、电离层电子密度重建结果 3 结束语 电离层一直是航天微波遥感尤其是低频星载SAR 系统所关心的问题。本课 题的研究不仅能够补偿星载SAR 系统电离层引起的性能下降问题，也有助于对 电离层本身特性的研究。所得到的电离层信息在修正SAR 系统的电离层误差同 时，也能够进行高分辨率电离层探测，充分利用既有资源，扩展星载SAR 系统 的使用模式，提升使用效能。 作者简介 王成：男， 1988 年生，钱学森空间技术实验室助理研究员，西安电子科技大学无线电 物理专业博士。目前主要从事电离层探测、电离层电波传播研究。 通信地址：北京市海淀区友谊路104 号5142 信箱222 分箱， 100094，电话： 010-68113403,18618154639。Email: Azimuth Direcction/km A lt it u d e /k m 020406080 250 300 350 400 2 4 6 8 10 12 14 x 10 10 Azimuth Direcction/km A lt it u d e /k m 020406080 250 300 350 400 2 4 6 8 10 12 14 x 10 10