星載P波段合成孔徑雷達(dá)中的電離層效應(yīng)研究.pdf

1、星載合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR）可全天時、全天候獲取大范圍、高分辨圖像，在軍事偵察和經(jīng)濟建設(shè)中有著重要的應(yīng)用價值。相對于高頻段SAR而言，P波段SAR一方面具有更強的穿透性，可穿透地表和植被成像，是發(fā)現(xiàn)和探測被淺地表、植被、冰雪等覆蓋的隱蔽目標(biāo)的有效手段；另一方面， P波段 SAR對生物量更為敏感，可對森林生物總量進行高精度測量。因此，星載P波段SAR兼具P波段SAR穿透能力強、對生物量敏感

2、的特點和星載SAR大范圍觀測的優(yōu)勢，在隱蔽軍事目標(biāo)偵察、生物量統(tǒng)計、冰層結(jié)構(gòu)探測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，星載P波段SAR受到電離層色散、閃爍、法拉第旋轉(zhuǎn)（Faraday Rotation, FR）等傳播效應(yīng)的嚴(yán)重影響，成為系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸之一。本文緊緊圍繞“星載P波段SAR電離層效應(yīng)”這一關(guān)鍵問題，針對“電離層傳播效應(yīng)建模仿真”、“電離層效應(yīng)影響分析”以及“電離層效應(yīng)校正”等三個方面展開了系統(tǒng)性研究。本文主要工作包括：
　　

3、第二章介紹了電離層電波傳播效應(yīng)。首先，從電離層折射指數(shù)及其電子密度分布兩個方面闡述了電離層色散、隨機、各向異性的介質(zhì)特性。其次，以麥克斯韋方程組為出發(fā)點，推導(dǎo)了背景電離層對電磁波的色散和FR效應(yīng)的影響機理，以相位屏理論為例介紹了電離層的閃爍理論。
　　第三章研究了基于電離層多相位屏理論的星載SAR信號建模與仿真。針對當(dāng)前普遍采用的單相位屏理論只適用于弱閃爍情況的局限性，將多相位屏理論應(yīng)用于星載SAR電離層效應(yīng)模擬中，解決了星載SA

4、R電離層強閃爍效應(yīng)模擬問題。針對星載SAR信號的斜入射傳播幾何，通過求解拋物方程，得到了電磁波斜入射情況下的衍射結(jié)果，并將其擴展到了球面波情形。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了星載P波段SAR電離層效應(yīng)仿真軟件。
　　第四章基于沖激響應(yīng)矩陣模型分析了電離層對星載P波段SAR的影響。首先，統(tǒng)一建立了電離層效應(yīng)對星載 SAR的影響模型，將色散、閃爍及 FR效應(yīng)包含在星載極化SAR系統(tǒng)沖激響應(yīng)矩陣中。然后，基于新模型研究了電離層的色散、閃爍和F

5、R效應(yīng)對星載P波段SAR的影響：提出了利用電離層非線性相位誤差大小判斷色散效應(yīng)對SAR距離壓縮性能影響的方法，該方法降低了對數(shù)值仿真的依賴性，簡化了分析過程；分析了閃爍效應(yīng)影響下的SAR方位壓縮性能與電離層不規(guī)則體之間的關(guān)系，數(shù)值仿真驗證了分析結(jié)果的正確性；分析了電離層FR效應(yīng)的色散特性及其對星載極化SAR系統(tǒng)成像性能的影響。
　　第五章研究了星載SAR電離層效應(yīng)校正方法。提出了基于譜分割的電離層路徑電子總量（Total Elec

6、tron Contents, TEC）估計方法以校正色散效應(yīng)，該方法不需要電離層TEC外部測量數(shù)據(jù)的輔助，可以實現(xiàn)SAR數(shù)據(jù)電離層色散效應(yīng)的自校正；指出了相位梯度自聚焦方法的信號模型與電離層閃爍效應(yīng)信號模型的聯(lián)系，分析了并驗證了該方法校正閃爍效應(yīng)的適用性；提出了一種基于極化協(xié)方差矩陣的法拉第旋轉(zhuǎn)角估計新方法，與現(xiàn)有方法相比，新方法在系統(tǒng)相位不平衡影響具有更小的均方根誤差，且誤差大小幾乎與法拉第旋轉(zhuǎn)角真值無關(guān)。仿真實驗及PALSAR實測數(shù)