基于GPS电离层测量的SAR成像补偿技术

吴学森,张发祥,王登亮,甄卫民

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)



基于GPS电离层测量的SAR成像补偿技术

吴学森,张发祥,王登亮,甄卫民

(中国电波传播研究所,山东 青岛 266107)

本文在总结电离层中信号传播时延特性的基础上,提出了一种使用基于GPS电离层测量总电子含量(TEC)改进SAR成像的方法。由模拟的低频SAR经过电离层后的成像情况证明,电离层的影响十分严重。当使用GPS测量的路径TEC进行校正后,可以重新得到比较理想的成像效果。

电离层； SAR; TEC

0 引 言

星载合成孔径雷达(SAR)因其具有全天候、全天时工作能力,探测范围广,而极具民用和军用潜力,已成为目前发达国家民用和军用探测系统的重要组成之一。目前世界上已经有多国研制出了工作在L、C、X等相对较高频段的SAR系统。从20世纪90年代以来,由于高分辨宽带SAR、极化SAR、干涉SAR和P波段SAR等新体制SAR的出现,频率降低、带宽增大和用户对图像质量的要求不断提高,电离层影响问题尤其突出,对传统SAR理论和技术产生了冲击,成为当前电离层电波传播研究和雷达界关注的热点问题之一。经过多种机载实验,低波段SAR(例如P波段)已经被证实具有不同于高频段SAR的特性[1]。低波段信号具有穿透地表植被,甚至穿透地表土壤的能力。由于电离层对低频信号的严重影响,星载低频SAR也将同样受到电离层的影响。

1 电离层延迟模型

电离层是一种不均匀的色散介质。电离层主要是由于太阳辐射将大气中的分子电离而形成的一层特殊大气层,他主要由带电粒子构成[2]。

电波在穿越电离层的过程中,传播速度会发生变化,不同频率的信号到达时间将发生不同情况的延迟[3]。在单程路径中电离层引入的路径延迟变化量为

(1)

式中:c为光速;fv为信号频率;K为固定系数项;TEC为传播路径上的总电子含量积分。TEC是目前描述电离层本身特性一个十分重要的参数。由电离层引起的信号时延量显现出与路径上的TEC的线性函数关系,同时又与频率的平方成反比。以上延迟模型已经在GPS闪烁监测的观测实验中得到了充分的验证。TEC的值可以从太阳活动低日的夜间20 TECU变化到太阳活动高日的昼间100 TECU.

图1示出了式(1)中由入射角θinc、频率f与总电子含量TEC得到的天顶方向路径延迟量关系。高TEC情况下(70 TECU)用实线表示,低TEC情况下(20 TECU)用虚线表示。由图可见天顶方向的路径延迟量与TEC及信号频率有着很直接的关系。由于电离层的状态变化和卫星的运动,TEC的变化可能导致偏移量的较大幅度变化[4]。对于P波段,在该例中延迟量可从40 m变化至140 m.而高频系统延迟量普遍小于1 m.可见对于低频系统,电离层所带来的影响十分明显[5]。

图1 不同频率信号受电离层时延的影响

2 SAR信号穿过电离层后的特性

SAR发射的信号为一组具有一定带宽的线性调频信号,通过雷达的移动形成合成孔径。由于电离层的延迟,电波经过电离层后,不同频率将附加一个不同的时延,从而使得回波的线性调频特性发生改变。

对于一个下变频的SAR系统而言,信号发射后经过从卫星到地面再反射回去的双程传播路径后,返回脉冲的形变情况如图2所示。其中:

(2)

图2 SAR回波波形比较

在图2中,Tp为SAR发射信号的脉冲宽度,Tp-iono为SAR信号经过电离层后的脉宽。由于电离层时延与频率的平方成反比,所以脉冲的展宽是不均匀的。由于这种不均匀性,展宽进一步又导致了回波调频率的变化Krshift.这一点也将直接反映在成像的质量上。可见SAR信号经过电离层后,回波波形发生了改变。而对于大于1GHz的高频SAR系统而言,电离层对于波形的影响很小,一般可以忽略不计。这也是高频SAR一直并不关注电离层影响的主要原因。而对于低频SAR系统这种效应,此时,如果对低频SAR数据使用传统的距离多普勒算法进行成像,目标点将在距离向会发生严重的位移以及畸变,这种影响可以归结为电离层延迟效应导致畸变。

3 基于卫星导航系统的电离层测量系统

电离层延迟是卫星导航系统(BD/GPS)中的一项重要误差源。卫星导航系统定位中,利用电离层的色散性质通过发射两个频率的信号(GPS:1 575.42MHz与 1 227.60MHz),来达到消除电离层影响的目的。雷达系统修正中,利用卫星导航系统的双频信号有效提取导航接收机至卫星路径上的电离层,并用于电离层模型的驱动更新,提高模型的精度。

基于卫星导航系统的电离层测量子系统是由多个BD/GPS监测站组成的网络系统。其中,与雷达站点并址设置一套监测设备,实现基本的电离层监测和模型更新功能;监测站点网络的设置根据雷达系统的探测空间分析确定。

4 利用TEC信息改进SAR的成像

在距离多普勒算法中,距离压缩利用发射信号的线性调频特性,在时域或频域进行匹配滤波,从而得到输出类似于sinc函数的脉冲响应函数[6]。这也是现有高频段SAR的普遍处理方法。但是对于低频段SAR而言,回波信号相位经过电离层后已经发生了显著的变化,所以如果对电离层所带来的影响不加以补偿进行直接成像,成像质量将受到严重的影响。电离层是一种随机介质,其本身具有随机特性,尤其是当中低纬地区发生电离层闪烁的情况下,电离层的变化情况将变得不可预知。因此如果能准确判断出电离层TEC并进行补偿的话,基于以上的经过电离层后的SAR回波变化模型,将可以减少电离层对SAR成像所带来的影响。

补偿采用使信号重新匹配的思路,从已知的传播路径电离层TEC开始,推导经过电离层后的回波波形,在进行成像处理时考虑补偿回波延迟量以及调频率变化量,使成像重新匹配。由于星载SAR的合成孔径长度十分长,在做仿真时势必会使回波点的矩阵规模显著增加,考虑现有计算机容量的实际情况,选择在机载SAR回波数据中加入电离层的影响来进行分析。同时不考虑其他影响图像正常聚焦的情况,如飞行器的航迹偏移以及气流影响下的飞行器高度变化。SAR的中心频率为500 MHz,带宽30 MHz.

图3(a)示出了当无电离层影响时的SAR 9点仿真成像。可见没有电离层效应影响时,成像效果比较理想,各个目标点之间可以清晰的分辨,能满足用户对成像质量的需求。图3(b)示出了70 TECU情况下,如果不进行补偿,利用距离多普勒算法的成像结果。图像除了发生严重的位置偏移,还出现了原主瓣消失,旁瓣增强以致混叠成一片的现象,严重影响SAR的成像质量。图3(c) 示出了使用电离层TEC进行补偿后的成像效果。严重的旁瓣效应被补偿后,各个目标已经可以相互分辨,成像清晰度比较令人满意。距离误差也可以依据TEC的信息进行补偿。

由此可见,当使用实际传播路径中的TEC进行补偿时,可以校正电离层所带来的大部分影响。

图3点目标成像仿真(a)无电离层影响；(b)有电离层影响；(c)TEC补偿

5 结束语

本文对电离层中SAR信号回波的影响进行了分析,并给出了使用已知TEC校正SAR成像的结果。由于现有条件的局限性,无法对实测数据进行分析。文中考虑模拟的时间不长,所以未对扰动电离层情况进行考虑。并且目前电离层探测技术有待进一步的发展。

[1] QUEGAN S, GREEN J,ZAN DONA-SCHNEIDER R. Quantifying and correcting ionospheric effects on P-Band SAR images[C]//Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2008.

[2] XU Z W, WU J, WU Z S. Potential effects of the ionosphere on space-based SAR imaging[J]. IEEE Transition. Antennas Propagate, 2008,56(7):1968-1975.

[3] QUEGAN S, LAMONT J. Ionospheric and troposphere effects on synthetic aperture radar performance[J]. International Journal of Remote Sensing. 1986:525-539.

[4] MEYER F J, BAMLER R, N. JAKOWSKI N,etal. The potential of low-frequency SAR systems for mapping ionospheric TEC distributions[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2006, 3(4):560-564.

[5] SNOEIJ P, VAN DER VALK N, BOOM E,etal.Effect of the ionosphere on P-band space-borne SAR images[C]//In Proceedings of IGARSS, Sydney, Australia, 2001.

[6] IAN G Cumming,Frank H Wong. Digital processing of synthetic aperture radar data[M]. Artech House Inc, 2004.

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

The Compensation of SAR Imagining Based on GPS Measurement

WU Xuesen，ZHANG Faxiang,WANG Dengliang,ZHEN Weimin

Ionospheric delay is one of the most important resources in satellite navigation systems, and TEC map reconstruction is the major way to eliminate the delay effect of the satellite navigation systems. Basing on the ionospheric delay effect, there is a way to improve the quality of SAR imaging by using the TEC of the propagation grid. The simulation of the low frequency SAR imaging shows an intense effect of the ionospheric delay. The SAR imaging gets an improvement correcting by the TEC of the propagation area.

Ionosphere; SAR; Total Electron Content

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.008

2017-02-15

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0037-04

吴学森 (1985-),男,硕士生,主要从事电波环境监测及其数据处理技术研究。

张发祥 (1972-),男,高级工程师,主要从事电波环境及卫星导航技术研究。

王登亮 (1975-),男,高级工程师,主要从事电波环境监测及其数据处理技术研究。

甄卫民 (1963-),男,研究员,主要从事电波环境及卫星导航技术研究。

联系人: 吴学森E-mail:286214377@qq.com