趙 寧 周 芳 王 震 邢孟道 葛家龍 魯加國(guó)

①(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230031)

②(西安電子科技大學(xué) 西安 410073)

P波段雷達(dá)成像電離層效應(yīng)的地面觀測(cè)與校正

趙 寧*①周 芳②王 震①邢孟道②葛家龍①魯加國(guó)①

①(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230031)

②(西安電子科技大學(xué) 西安 410073)

對(duì)于高分辨率星載P波段SAR系統(tǒng)，電離層效應(yīng)對(duì)P波段SAR會(huì)帶來(lái)一系列較為嚴(yán)重的誤差，這些誤差與電波頻率和電離層積分電子總量(TEC)值關(guān)系密切，并使得圖像質(zhì)量下降。為了獲得高質(zhì)量的圖像，必須對(duì)電離層誤差進(jìn)行校正。該文基于電離層導(dǎo)致的匹配濾波失配的數(shù)學(xué)模型，指出獲得準(zhǔn)確的電離層TEC是校正的關(guān)鍵，提出了一種高精度的基于SAR回波相位反演電離層TEC的測(cè)量方法，并利用地基P波段雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行穿透電離層步進(jìn)頻ISAR觀測(cè)驗(yàn)證，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，該方法有效提高了電離層TEC測(cè)量精度，改善了ISAR成像質(zhì)量，可適于低頻段星載SAR系統(tǒng)的電離層效應(yīng)測(cè)量與校正應(yīng)用。

星載SAR；P波段；電離層效應(yīng)；積分電子總量(TEC)；地基雷達(dá)；ISAR

1 引言

P波段SAR因?yàn)槠淞己玫闹脖?、地表穿透能力而具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，民用上在生物量調(diào)查、大面積災(zāi)害監(jiān)測(cè)、冰層結(jié)構(gòu)以及干旱地區(qū)含水量普查等方面可發(fā)揮重要作用，軍事上可用于反偽裝、葉簇穿透探測(cè)隱蔽目標(biāo)等[1,2]。

應(yīng)用于星載平臺(tái)的P波段SAR需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題一是電離層效應(yīng)的校正，二是分布廣泛的窄帶射頻干擾的抑制[3]。電離層是位于50 km至1000 km高度范圍內(nèi)的因太陽(yáng)輻射而發(fā)生電離的大氣層。電離層對(duì)星載P波段SAR系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在星-地鏈路電磁波的傳播效應(yīng)上，包括電離層時(shí)延、色散、相位提前、法拉第旋轉(zhuǎn)、吸收以及電離層閃爍等，這些效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致星載P波段SAR的成像分辨率、定位精度和圖像質(zhì)量下降。若不對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行校正和補(bǔ)償，高分辨的P波段星載SAR成像就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

隨著星載 SAR技術(shù)的發(fā)展和用戶對(duì)成像質(zhì)量不斷提升的要求，電離層對(duì)星載 SAR的影響研究不斷升溫。文獻(xiàn)[4]利用相位屏理論模擬了電離層對(duì)SAR的影響。針對(duì)VHF, UHF, L波段星載SAR，文獻(xiàn)[5]研究了電離層不規(guī)則體效應(yīng)并指出對(duì)方位向分辨率影響嚴(yán)重。文獻(xiàn)[6]分析了背景電離層對(duì)星載 SAR圖像偏移和幾何畸變的影響。文獻(xiàn)[7]研究了低波段星載 SAR的電離層效應(yīng)。針對(duì)電離層校正問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]討論了天基SAR測(cè)量中的Faraday旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及其補(bǔ)償技術(shù)，提出利用裂譜處理和GPS測(cè)得的全球TEC分布圖進(jìn)行距離和方位壓縮中的相位修正。文獻(xiàn)[9]提出了采用HF-SAR對(duì)電離層分層成像的研究方法。文獻(xiàn)[10]采用 PGA方法對(duì)OTHR雷達(dá)的電離層相位污染進(jìn)行校正。文獻(xiàn)[11]提出了基于雙頻測(cè)量的星載P波段SAR電離層效應(yīng)校正方法。文獻(xiàn)[12]研究了利用星載 L波段全極化 SAR數(shù)據(jù)法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)測(cè)量電離層的方法。在地基雷達(dá)方面，文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]分別研究了電離層對(duì)VHF波段和L波段的地基雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)ISAR成像時(shí)的電離層影響。文獻(xiàn)[15]利用多相位屏仿真的方法研究了電離層不規(guī)則體對(duì)星載 SAR的影響。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，針對(duì)P波段雷達(dá)電磁波信號(hào)受電離層的影響提出具體的分析修正方法并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的資料極少。

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)和SAR的成像原理類似，都是通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)高的距離分辨率，及依靠雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成合成陣列提高橫向分辨率，這使得電離層對(duì)ISAR信號(hào)及SAR 信號(hào)的影響極為相似。從電波傳輸路徑的角度來(lái)看，電離層對(duì)星載SAR和地基ISAR的影響是等同的。因此，考慮到試驗(yàn)的便利性和經(jīng)濟(jì)性，我們可利用P波段ISAR 雷達(dá)對(duì)電離層外高速合作目標(biāo)進(jìn)行成像來(lái)反演電離層對(duì)寬帶雷達(dá)信號(hào)的影響，并由此為P 波段星載SAR的電離層校正問(wèn)題提供研究參考。

對(duì)于電離層的測(cè)量與校正，文獻(xiàn)[2,11]所提雙頻方法對(duì)電離層積分電子總量(TEC)的測(cè)量精度取決于雙頻時(shí)延的測(cè)量精度，而對(duì)天基和地基雷達(dá)而言，時(shí)延的高精度測(cè)量往往很難達(dá)到，使得電離層TEC的測(cè)量精度不高，從而無(wú)法精確補(bǔ)償電離層造成的相位污染。由于電離層對(duì)不同頻率電磁波相位的影響不同，本文提出了基于回波相位擬合的方法來(lái)提高電離層 TEC的測(cè)量精度。采用建模與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，研究了電離層對(duì)P波段電磁波包絡(luò)和相位的影響，提出了基于寬帶雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的一種背景電離層特性估計(jì)方法，能夠有效反演出電離層參數(shù)，完成對(duì)回波數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)償。在地面利用地基 P波段雷達(dá)對(duì)國(guó)際空間站(ISS 25544)進(jìn)行ISAR成像處理，發(fā)現(xiàn)由于電離層的存在，使得不同頻率觀測(cè)國(guó)際空間站時(shí)所得到的目標(biāo)加速度呈線性變化，而觀測(cè)飛機(jī)目標(biāo)時(shí)則沒(méi)有該類變化，據(jù)此可反演出電離層TEC值，用于對(duì)目標(biāo)ISAR成像補(bǔ)償。利用地基P波段雷達(dá)對(duì)空間合作目標(biāo)進(jìn)行ISAR成像觀測(cè)，可以作為分析電離層特性的一種重要手段。本文的研究工作可為星載P波段SAR 成像電離層效應(yīng)抑制方法提供依據(jù)，有助于促進(jìn)星載P波段SAR 技術(shù)的發(fā)展。

2 基于回波相位的電離層效應(yīng)測(cè)量校正原理

2.1 受電離層影響的回波模型

通過(guò)應(yīng)用電離層中電磁波傳播的 Klein-Gordon方程及匹配濾波理論，文獻(xiàn)[2]建立了SAR在電離層影響下的回波模型，給出了當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層傳播后，由于電離層效應(yīng)的影響，廣義模糊函數(shù)的變化后形式：

從式(1)可以看出，由于電離層效應(yīng)的影響，接收到的信號(hào)與匹配濾波器處于失配狀態(tài)，從而對(duì)圖像分辨率產(chǎn)生影響。因此，為了消除電離層效應(yīng)的影響，需要對(duì)匹配濾波器進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，匹配濾波器中的信號(hào)真空傳播時(shí)間分別由群延時(shí)和相延時(shí)替換，文獻(xiàn)[2]給出的計(jì)算公式為：

同時(shí)，由于電離層效應(yīng)的影響，回波信號(hào)的脈沖寬度變化量和調(diào)頻率變化量也要做相應(yīng)變化，文獻(xiàn)[2]給出的計(jì)算公式為：

由以上分析可以得知，要得到精確的匹配濾波函數(shù)，需要通過(guò)測(cè)量得到 TEC，計(jì)算出信號(hào)的群延時(shí)時(shí)間和相延時(shí)時(shí)間，從而對(duì)匹配濾波函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 基于回波相位的TEC提取方法

針對(duì)上述星載 SAR電離層效應(yīng)，可在地面利用P波段雷達(dá)穿透電離層觀測(cè)空間目標(biāo)來(lái)測(cè)量電離層的影響。由于電離層效應(yīng)與頻率有關(guān)，而地基P波段雷達(dá)多為窄帶工作，因此可采用步進(jìn)頻方式進(jìn)行觀測(cè)。

由于成像雷達(dá)發(fā)射的是調(diào)頻波，雷達(dá)成像是基于調(diào)頻回波的相位，因此需要研究電離層對(duì)回波相位帶來(lái)的影響。由于折射系數(shù)不為 0，電離層中載波的傳播相速度為：

群速度表征了測(cè)距信息，為：

由于電離層色散效應(yīng)使電離層中電磁波傳播的群速度vg小于自由空間傳播的光速，導(dǎo)致了一個(gè)附加的距離偏移，使得脈沖壓縮后的信號(hào)出現(xiàn)圖像偏移，即圖像定位精度下降，需要在成像處理中對(duì)群時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償。

電波在穿過(guò)電離層時(shí)的單程相路徑延遲量為：

可見(jiàn)，相對(duì)于自由空間，電離層的存在縮短了相路徑長(zhǎng)度，從而導(dǎo)致了相位超前。電離層引起的相位超前為：

相位關(guān)于頻率的變化率是由電離層引起的相位色散，即

相位色散會(huì)導(dǎo)致匹配濾波失配，使得圖像分辨率下降。

設(shè)地基 ISAR雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻步進(jìn)脈沖信號(hào)，每個(gè)脈組內(nèi)含有N個(gè)子脈沖，

其中wr(?)表示發(fā)射脈沖的包絡(luò)，wa(?)代表方位向天線方向圖，為快時(shí)間，且有發(fā)射脈沖寬度(脈沖發(fā)射持續(xù)時(shí)間)，fc(k)=fc+ (k- 1/2 -N/2) Δf, ( 1 ≤k≤N)為第k個(gè)脈沖的載頻，fc為發(fā)射信號(hào)的中心頻率，Δf為步進(jìn)頻率，γ為信號(hào)的調(diào)頻率。

在高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的ISAR模型下，瞬時(shí)斜距為：

其中tk為快時(shí)間，tn和tm分別為步進(jìn)脈組內(nèi)和脈組間的慢時(shí)間。真空中載頻為fck的某一個(gè)步進(jìn)頻率信號(hào)的回波為：

其中τ= 2Rp(tk,tn,tm)/c為回波時(shí)延。fck=fc+ (k- 1/2 -N/2) Δf, ( 1 ≤k≤N)為步進(jìn)脈組中的一個(gè)載頻，fc為發(fā)射步進(jìn)信號(hào)脈組的中心頻率，Δf為步進(jìn)頻率，γ為信號(hào)的調(diào)頻率。

觀測(cè)目標(biāo)處于電離層中，雷達(dá)調(diào)頻信號(hào)傳播過(guò)程需要穿透部分電離層，電磁波信號(hào)往返時(shí)要受電離層影響，電離層會(huì)對(duì)調(diào)頻信號(hào)附加一個(gè)超前相位Δ?，所以存在電離層影響時(shí)雷達(dá)接收到的線性調(diào)頻回波信號(hào)為：

其中 Δ?p(fk)為電離層引起的雙程相位超前量。由于電磁波脈沖傳播時(shí)間很短，可認(rèn)為此脈沖傳播時(shí)間內(nèi)電離層結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，此時(shí)，Δ?p(fk)僅與電磁波頻率fk相關(guān)，且對(duì)第k個(gè)子脈沖電離層電子積分總量取則 Δ?p(fk)可表示為：

分析式(15)可知，電離層引入的相位誤差中，fr的0次項(xiàng)為常數(shù)相位，對(duì)單次距離向成像質(zhì)量沒(méi)有影響；fr的1次項(xiàng)會(huì)使輸出信號(hào)在中心頻率上出現(xiàn)一個(gè)延遲

使距離脈沖壓縮后回波包絡(luò)發(fā)生偏移，但不影響距離分辨率；fr的2次項(xiàng)，污染了回波的調(diào)頻率，使距離脈沖壓縮匹配函數(shù)失配，導(dǎo)致距離向上的散焦，對(duì)距離分辨率的影響最大；fr的3次項(xiàng)也會(huì)影響距離向的分辨率，影響能力為 2次項(xiàng)的倍；fr的3次以上的高次項(xiàng)的影響較小。當(dāng)信號(hào)帶寬較窄時(shí)，若滿足則可忽略3次及以上項(xiàng)的影響。fr的2次項(xiàng)在頻帶邊緣的相位偏移幅度決定了電離層相位誤差對(duì)距離分辨率影響的大小，若允許的最大相位偏移為π/4，則當(dāng)相位誤差小于π/4時(shí)可忽略相位偏移對(duì)距離分辨率的影響。

由雷達(dá)信號(hào)處理知識(shí)可知，目標(biāo)的瞬時(shí)多普勒頻率正比于回波相位對(duì)時(shí)間的1次導(dǎo)數(shù)，而回波相位與斜距相關(guān)，即

目標(biāo)的瞬時(shí)調(diào)頻率正比于回波相位對(duì)時(shí)間的 2次導(dǎo)數(shù)，即其中aiono是存在電離層影響時(shí)的目標(biāo)回波加速度。將式(6)和式(10)、式(11)代入式(18)中得到：

同樣，將每個(gè)子脈沖的中心頻率在fck處進(jìn)行泰勒展開(kāi)，式(19)即為：

可見(jiàn)由于電離層的影響，目標(biāo)回波的加速度與頻率相關(guān)，回波調(diào)頻率和多普勒中心也均與頻率有關(guān)。

緩變電離層情況下，在一段時(shí)間內(nèi)可近似認(rèn)為NTEC不變，這符合絕大多數(shù)時(shí)間和空間分布里電離層的變化規(guī)律。那么可以通過(guò)對(duì)回波進(jìn)行加速度估計(jì)，獲得電離層影響下的回波相位，建立電離層影響和頻率之間的聯(lián)系，從而反演出電離層的參數(shù)。

對(duì)應(yīng)的相位可表示為：

其中δ為系數(shù)，即相位是加速度的高1階函數(shù)。則根據(jù)式(20)和式(21)可得，電離層參數(shù)NTEC為：

注意此處得到的TEC是雙程的，需要除以2才可得到電波傳輸路徑上的電離層TEC數(shù)值。在獲得精確的 TEC值之后，即可用于構(gòu)造成像匹配濾波器的修正項(xiàng)，對(duì)電離層引入的相位誤差進(jìn)行校正。

3 地面步進(jìn)頻ISAR數(shù)據(jù)的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述模型推導(dǎo)，我們采用地基P波段空間目標(biāo)觀測(cè)雷達(dá)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，由于地基雷達(dá)多工作在窄帶模式下，而星載 SAR工作在寬帶模式，為了盡可能逼真的模擬電離層對(duì)寬帶SAR信號(hào)的影響，我們對(duì)地基 P波段雷達(dá)進(jìn)行了步進(jìn)頻模式的改進(jìn)，通過(guò)一系列窄帶脈沖合成寬帶信號(hào)對(duì)過(guò)頂?shù)膰?guó)際空間站(ISS 25544)目標(biāo)進(jìn)行了電離層效應(yīng)觀測(cè)和ISAR成像處理。作為對(duì)比，也錄取了電離層以下海拔高度在 1萬(wàn)米的民航飛機(jī)的步進(jìn)頻回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。雷達(dá)步進(jìn)頻率范圍為 545～595 MHz，發(fā)射子脈沖帶寬5 MHz，脈寬50 μs，共計(jì)10個(gè)子脈沖，合成時(shí)交疊 1 MHz，合成帶寬 40 MHz，脈沖重復(fù)周期為 1 ms。方位向波束寬度為4o，通過(guò)波束掃描切換采集了3個(gè)波束寬度內(nèi)切向飛行的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

處理中通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)，及相關(guān)運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法(MD、包絡(luò)擬合等)可以得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)vr,ar。根據(jù)前文分析，由于電離層帶來(lái)的相位污染了調(diào)頻率，使得不同頻點(diǎn)的回波數(shù)據(jù)估計(jì)得到的加速度不同。此外，在較窄的帶寬內(nèi)，電離層影響的附加相位隨頻率近似為線性關(guān)系，則加速度對(duì)頻率變化也應(yīng)當(dāng)是線性關(guān)系。通過(guò)對(duì) 2013年 4月 19日下午15:05自中國(guó)蘭州由西向東飛越北京上空的國(guó)際空間站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，從10個(gè)步進(jìn)頻點(diǎn)分別估計(jì)出加速度，得到的加速度確實(shí)滿足以上關(guān)系，如圖1(a)所示，圖中橫坐標(biāo)表示頻點(diǎn)編號(hào)，1號(hào)頻點(diǎn)為 545 MHz，此后每個(gè)頻點(diǎn)間隔5 MHz。圖中藍(lán)色點(diǎn)為每個(gè)頻點(diǎn)的估計(jì)加速度信息，紅色直線為線性擬合結(jié)果。可見(jiàn)10個(gè)頻點(diǎn)測(cè)量的加速度差在72至81之間呈線性分布。而同期錄取的民航飛機(jī)由于飛行高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電離層高度，應(yīng)當(dāng)無(wú)上述現(xiàn)象發(fā)生，圖1(b)為民航飛機(jī)的觀測(cè)結(jié)果，10個(gè)頻點(diǎn)測(cè)得的加速度在0.21附近，其隨頻率變化的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)際空間站目標(biāo)，可認(rèn)為基本與頻率無(wú)關(guān)。

由于電離層是緩變的，可以近似認(rèn)為在一段時(shí)間內(nèi)其NTEC參數(shù)相同。此段時(shí)間選擇過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)，選擇得過(guò)長(zhǎng)又平滑了電離層的變化信息。處理中選擇4.5 s共300個(gè)脈組進(jìn)行分析，分析得到的電離層帶來(lái)的相位如圖2所示。圖中縱坐標(biāo)表示相對(duì)工作中心頻率(0頻率處表示的實(shí)際工作頻率為 570 MHz)的載頻頻率范圍，橫坐標(biāo)表示相對(duì)于中心脈組(0時(shí)間處表示第150個(gè)脈組)的相對(duì)時(shí)間。圖中從藍(lán)色到紅色代表0到2π的相位分布。

圖1 電離層內(nèi)外不同目標(biāo)加速度隨頻率的變化Fig. 1 The acceleration vary with frequency of different targets inside and outside ionosphere

圖2 電離層導(dǎo)致的回波相位變化Fig. 2 The echo’s phase variation caused by ionosphere

圖3 相位誤差隨頻率變化擬合分析Fig. 3 Fit analysis to phase error variation with frequency

從圖2中可以看出，電離層帶來(lái)的相位隨著頻率的不同而緩慢變化。對(duì)其進(jìn)行線性擬合后，擬合誤差最大達(dá)到 1 rad，且擬合誤差對(duì)稱分布，說(shuō)明還殘留高次偶數(shù)項(xiàng)，如圖3(a)所示。進(jìn)行2次擬合后，擬合誤差降到 10-11rad ，已經(jīng)可以達(dá)到擬合的精度，如圖3(b)所示。圖中橫坐標(biāo)表示相對(duì)工作中心頻率(0頻率處)的載頻頻率范圍。

則根據(jù)式(23)可得電離層雙程N(yùn)TEC參數(shù)值。從數(shù)據(jù)中選取的4.5 s內(nèi)的300組步進(jìn)脈組中估計(jì)得到的電離層積分電離總量為30.214 TECU。2013年4月19日該時(shí)刻北京地區(qū)IGS公布的電離層TEC如圖4(a)所示為29 TECU，采用電離層監(jiān)測(cè)儀獲得的電離層分布如圖4(b)所示為29.4 TECU?？梢?jiàn)本文基于回波相位實(shí)測(cè)估計(jì)得到的TEC與其差距在1 TECU以內(nèi)，具有較高的可信度。需要指出的是，IGS與電離層監(jiān)測(cè)儀獲得的是垂測(cè)數(shù)據(jù)，且探測(cè)的高度大于國(guó)際空間站的軌道高度(約400 km)。而雷達(dá)探測(cè)的電波傳播路徑具有一定的傾角，所以其測(cè)量值與 IGS和電離層監(jiān)測(cè)儀有一定差異，但由于白天情況下，電離層的峰值一般在300 km以下的F層和E層，因此小于1 TECU的測(cè)量差應(yīng)該是合理的。

利用獲得的路徑 TEC值，進(jìn)行步進(jìn)頻 ISAR成像補(bǔ)償處理。國(guó)際空間站如圖5(a)所示，如果不補(bǔ)償電離層相位，對(duì) 10個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行合成處理(此時(shí)距離合成帶寬為40 MHz，分辨率為3.75 m)，直接成像結(jié)果如圖5(b)所示。從圖中可見(jiàn)由于信號(hào)相干性被電離層污染，嚴(yán)重的處理失配使得回波能量完全擴(kuò)散，無(wú)法聚集成像。補(bǔ)償完電離層帶來(lái)的相位后成像結(jié)果如圖5(c)所示，此時(shí)不同頻率的信號(hào)之間的相干性得到恢復(fù)，頻帶拼接后得到了較好的結(jié)果。圖5(d)為結(jié)合PGA方法獲得的成像結(jié)果，可見(jiàn)進(jìn)一步提高了ISAR圖像質(zhì)量。

由于實(shí)驗(yàn)中信號(hào)帶寬較窄，分辨率較低，速度、加速度的估計(jì)精度都不高，使得最終頻帶合成后的成像結(jié)果中，距離像仍存在柵瓣，但結(jié)合PGA的處理方法可以提高合成效果。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)未知的情況下，通過(guò)對(duì)穿透電離層的不同頻帶回波信號(hào)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)，可以有效地提取出電離層的TEC，并且補(bǔ)償?shù)綦婋x層污染相位后可以得到目標(biāo)的合成孔徑雷達(dá)圖像。

4 結(jié)論

圖4 北京地區(qū)電離層TEC觀測(cè)數(shù)據(jù)(2013. 04. 19)Fig. 4 The observation result of ionosphere TEC in Beijing area (19-04-2013)

本文提出了基于回波相位的高精度電離層TEC提取方法，并利用地基P波段雷達(dá)在地面采用ISAR方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)國(guó)際空間站目標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析與處理驗(yàn)證了方法的有效性，測(cè)量的數(shù)據(jù)與IGS和電離層測(cè)量設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)對(duì)比表明該方法可得到電離層TEC值，將獲得的TEC代入校正模型中，可有效改善ISAR成像圖像質(zhì)量。所提方法為開(kāi)展星載P波段SAR電離層效應(yīng)抑制提供了依據(jù)，同時(shí)也能夠用于對(duì)背景電離層狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

致謝中國(guó)電波傳播研究所為本文的研究工作提供了電離層對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，在此特表示感謝。

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)ISAR成像處理結(jié)果Fig. 5 Experiment data ISAR imaging result

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趙 寧(1973-)，男，陜西人，獲北京航空航天大學(xué)博士學(xué)位，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾禽d、機(jī)載SAR雷達(dá)系統(tǒng)、SAR/MTI信號(hào)處理。

E-mail: cetc38zhaon@163.com

周 芳(1987-)，女，安徽人，西安電子科技大學(xué)2010級(jí)在讀博士生。主要研究方向?yàn)榫凼胶铣煽讖嚼走_(dá)(SAR)信號(hào)處理和逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)信號(hào)處理。

王 震(1987-)，男，安徽人，獲西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師，主要研究方向合成孔徑雷達(dá)總體。

邢孟道(1975-)，男，浙江人，獲西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位，西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授。主要研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)(SAR)信號(hào)處理，逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)信號(hào)處理和稀疏信號(hào)處理。

葛家龍(1962-)，男，安徽人，獲上?？萍即髮W(xué)碩士學(xué)位，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所副總工程師、研究員，主要研究方向?yàn)樾禽dSAR系統(tǒng)。

魯加國(guó)(1964-)，男，安徽人，獲中國(guó)科技大學(xué)碩士學(xué)位，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所副所長(zhǎng)、研究員，博士生導(dǎo)師，享有國(guó)家特殊津貼專家， IEEE高級(jí)會(huì)員，中國(guó)電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)電子學(xué)會(huì)雷達(dá)分會(huì)和微波分會(huì)委員，長(zhǎng)期從事新技術(shù)研究管理工作。

Ground Observation and Correction of P-band Radar Imaging Ionospheric Effects

Zhao Ning①Zhou Fang②Wang Zhen①Xing Meng-dao②Ge Jia-long①Lu Jia-guo①

①(China Electronic Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230031,China)
②(Institute of Astronautics and Aeronautics, Xidian University, Xi’an 710071, China)

For high resolution space-borne P-band SAR system, ionospheric effects could cause serious phase errors. These errors are causally related to the radar frequency and the TEC of ionosphere and make the image quality degraded. To guarantee the image quality, the ionosphere errors must be emended. Based on the mismatched filter model caused by ionosphere, it is pointed out that accurate ionosphere TEC is the key for phase error correction, a high precision ionosphere TEC measurement method is further put forward by using the phase errors of SAR echoes, which is validated by processing the data of a ground based P-band radar with well focused radar image of the international space station obtained. The results indicate that the method can effectively increase the accuracy of ionosphere TEC estimation, and thus improve the radar imaging quality, it is applicable to low frequency space-borne SAR systems for reducing the ionosphere effects.

Space-borne SAR; P-band; Ionospheric effects; Total Electron Content (TEC); Ground based radar; ISAR

中國(guó)分類號(hào)：TN957; TN958

A

2095-283X(2014)01-0045-08

10.3724/SP.J.1300.2014.13144

2013-12-24收到，2014-03-24改回；2014-03-28網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”青年創(chuàng)新基金(GFZX04060103)資助課題

*通信作者： 趙寧 cetc38zhaon@163.com