电离层对星载P波段合成孔径雷达成像的影响

文章分析了信号载频、带宽、电离层总电子量(Total Electronics Content,TEC)以及闪烁强度等因素对于P波段合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像分辨率的影响,并进行了点目标成像仿真研究。仿真结果表明,在电离层中传播时SAR距离向分辨率与信号载频、带宽以及电离层总电子量大小密切相关,同时会导致SAR距离向图像偏移;方位向分辨率受电离层闪烁效应的影响,随着闪烁强度的增强,方位向分辨率逐渐降低,当处于强闪烁条件下时,方位向无法成像。     

时-空变化的背景电离层对星载合成孔径雷达方位向成像的影响分析

对于星载合成孔径雷达(SAR)成像,方位向信号的相关性可能会因时-空变化的背景电离层而遭到破坏,特别是对于低波段系统。该文将孔径内方位时变的斜距电子总量(STEC)归结于3个因素:垂向电子总量(VTEC)的时间变化、空间变化以及电磁波传播路径的变化,分别分析了每个因素造成的时变STEC各阶系数。该文建立了统一的分析模型,即时变STEC影响下的SAR方位向信号3阶泰勒展开模型,推导了方位向偏移和相位误差解析表达式,并基于此得到了不同星载SAR系统的时变STEC各阶系数容限。利用实测的VTEC数据以及国际参考电离层(IRI)模型,开展了信号级仿真。数值分析和信号级仿真的结果表明,对于低轨P波段SAR系统,空变VTEC与传播路径变化是导致方位时变STEC的主要因素;而对于中高轨SAR系统,时变VTEC是导致方位时变STEC的主要因素。随着载频的下降与合成孔径时间的增加,方位向成像性能更加容易受到方位时变STEC的影响。     

时-空变化的背景电离层对星载合成孔径雷达方位向成像的影响分析

对于星载合成孔径雷达(SAR)成像,方位向信号的相关性可能会因时-空变化的背景电离层而遭到破坏,特别是对于低波段系统.该文将孔径内方位时变的斜距电子总量(STEC)归结于3个因素:垂向电子总量(VTEC)的时间变化、空间变化以及电磁波传播路径的变化,分别分析了每个因素造成的时变STEC各阶系数.该文建立了统一的分析模型,即时变STEC影响下的SAR方位向信号3阶泰勒展开模型,推导了方位向偏移和相位误差解析表达式,并基于此得到了不同星载SAR系统的时变STEC各阶系数容限.利用实测的VTEC数据以及国际参考电离层(IRI)模型,开展了信号级仿真.数值分析和信号级仿真的结果表明,对于低轨P波段SAR系统,空变VTEC与传播路径变化是导致方位时变STEC的主要因素;而对于中高轨SAR系统,时变VTEC是导致方位时变STEC的主要因素.随着载频的下降与合成孔径时间的增加,方位向成像性能更加容易受到方位时变STEC的影响.     

电离层时空变化对中高轨SAR成像质量的影响分析

中高轨道合成孔径雷达(SAR)是下一代星载SAR重要的发展方向之一,电离层影响分析是推动中高轨道SAR系统发展的关键技术。该文针对中高轨道SAR的系统特点,结合电离层时空变化特征,建立了背景电离层对中高轨道SAR系统的影响分析模型,重点分析了背景电离层及其时空变化对中高轨SAR系统图像质量的影响,主要包括距离向和方位向图像分辨率的下降以及图像位移。分析结果表明,电离层及其时空变化对中高轨SAR图像质量产生较为严重的影响,相同电离层条件下,对于分辨率相同的SAR系统,随着轨道高度的增加,电离层引入的误差对距离向分辨率和图像畸变以及方位向分辨率和图像位移产生的影响程度将增大。     

时变大气层效应对地球同步轨道SAR成像影响的分析与补偿

大气层效应会导致穿过其中的星载SAR信号产生相位误差,并进而可能造成星载SAR成像结果出现散焦现象。大气层效应包括背景电离层效应、电离层多重散射效应以及对流层效应,由于GEO SAR合成孔径时间可达几百秒量级,因此在其成像积累时间内大气层效应会随时间变化,因此必须考虑时变大气层效应对GEO SAR成像的影响,同时亟需研究时变大气层效应对GEO SAR成像影响的补偿方法。本文详细分析了时变大气层效应对SAR信号的影响机理,建立了时变大气层效应影响下的高精度GEO SAR回波信号模型,分析了时变大气层效应对GEO SAR成像的影响,并基于方位向子孔径划分,通过提取时变大气层相位误差,对大气层效应造成的GEO SAR图像散焦现象进行了补偿。      

一种单脉冲雷达多通道解卷积前视成像方法

合成孔径(SAR)技术能有效提高雷达的方位分辨率,但当雷达航迹与波束重合时方位分辨率会迅速下降,形成盲区。为解决前视成像问题,本文引入了多通道解卷积技术,以单脉冲雷达为背景,研究了解卷积后的成像信噪比和方位分辨率,认为对天线方向图截断后的形状也是影响信噪比的主要原因之一。在此基础上进行的前视成像仿真结果表明:这种方法相对实孔径成像可有效改善方位分辨率一个数量级以上,同时信噪比损失相对不考虑天线方向图截断形状明显减小。     

高分辨率星载P波段SAR系统参数设计

高分辨率星载P波段SAR系统由于工作频率低,相对带宽大,合成孔径时间长,电离层效应影响显著,对系统参数设计和选择提出了与常规星载SAR相比较高而独特的要求。为了获得高质量的P波段SAR图像,必须结合其特点对系统各项关键参数进行论证比较。提出了星载P波段SAR的系统分析流程,结合其特点分析了系统体制选择、工作频率和极化方式选择,给出了系统等效噪声系数、PRF、距离方位模糊、天线口径等关键参数的设计,仿真结果表明该文的结果在分辨率和观测带等关键指标上优于欧空局BIOMASS系统。论文的工作可为星载生物量观测P波段SAR系统的工程实现提供参考。     

一种基于有源定标器的电离层对星载SAR定标影响校正方法

针对电离层对低频星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)定标的影响,该文提出一种基于有源定标器的电离层对星载SAR定标影响校正方法,主要针对由电离层群延时导致的距离向位置偏移和由电离层色散效应引起的脉冲展宽所导致的分辨率下降进行了分析,利用SAR内外定标相结合的方法,精确测量出电离层引起的脉冲时间宽度变化量,利用测量结果对电离层的影响进行校正。给出校正前后以及无电离层影响的有源定标器距离向成像仿真结果,结果表明通过校正可以很大程度上改善有源定标器距离向点目标图像质量,提高了定标测量精度,验证了校正方法的正确性。     

基于最小熵星载合成孔径雷达电离层效应校正

分析了电离层闪烁效应对低频段星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)方位向分辨率的影响,并基于相位屏方法进行了仿真研究.结果表明,随着电离层闪烁强度的增强,方位向分辨率逐渐降低,当处于强闪烁条件下时,方位向分辨率严重降低,甚至无法成像.利用最小熵方法对加入电离层闪烁效应误差的一副相控阵L波段合成孔径雷达(Phased Array L-Band Synthetic Aperture Radar,PALSAR)图像进行了校正,仿真试验结果表明,最小熵方法可有效校正电离层闪烁效应造成的方位向分辨率恶化的影响,校正后图像方位向分辨率得到了很好的恢复,接近原始无误差图像方位向分辨率,图像质量明显提高.     

前视SAR系统的方位分辨率特性

针对星载SAR前视模式与一般正侧视模式存在的明显不同,本文详细分析了前视SAR的多普勒特性,即多普勒频率、多普勒带宽;指出前视SAR的方位分辨率与天线的孔径长度无关,而是与载波频率、雷达平台高度、方位向地面距离等因数有关,并仔细讨论了各因数对方位分辨率的影响;前视SAR成像对系统参数脉冲重复频率、波束投射角的限制。     

DBF相控阵天线在超高分辨率机载SAR中的应用

该文从叠加原理和相控阵天线的扫描原理出发,提出了一种灵活方便的波束生成方法。用此方法由微带贴片天线单元组成了145cm48cm的天线阵,生成了波长为24cm,方位向半功率波束宽度为23的宽波束。由合成孔径原理可知,条带SAR的方位分辨率随波束宽度的变宽而提高。该文将宽波束天线用于超高方位分辨率机载SAR,计算了天线的性能指标和SAR的系统参数。比较了条带SAR和Spotlight SAR这两种常见的SAR模式的分辨率和测绘范围。     

基于频带分割法反演电离层TEC参数

星载合成孔径雷达(SAR)系统会受到电离层带来的相位影响,降低星载SAR系统成像质量,对低频段宽带星载SAR尤其明显。为了消除电离层对星载SAR带来的相位影响,基于陆地观测技术卫星2号(ALOS-2)星载SAR数据,采用距离向频带分割法来估计电离层电子总含量(TEC)参数。验证推导距离向频带分割法的最优估计精确度,并利用ALOS-2数据,采用距离向频带分割法反演得到二维电离层TEC参数分布,分析了距离向分辨单元数对反演精确度的影响。另外,分析了雷达图像不同区域采用距离向频带分割法的估计精确度。结果表明频带分割法具有很强的鲁棒性,可以有效地反演电离层TEC参数分布,同时距离向分辨力单元数和成像区域场景地形起伏也影响反演电离层参数的精确度。     

电离层不均匀性对GPS系统的误差影响分析

在ＧＰＳ定位误差分析中，对电离层误差大多只考虑了折射效应，采用双频技术即可消除折射一阶项的影响，更进一步的误差分析通常是考虑电离层折射的高阶项（主要是二阶项）。但均未考虑电离层不均匀性对ＧＰＳ系统误差的影响。本文根据波在电离层随机介质脉冲平均到达时间的理论结果，对ＧＰＳ信号穿越电离层的情况进行了模拟计算，在得出了典型背景电离层参数条件下折射一阶项、二阶项引起的ＧＰＳ信号延迟误差的基础上，重点讨论了     

Potential Effects of the Ionosphere on Space-Based SAR Imaging

There has been a considerable interest in the use of lower frequency (VHF/UHF) space-based synthetic aperture radar (SAR) for realizing the foliage and ground penetration. The phase perturbation, signal distortion and imaging resolution degradation by the ionosphere will be particularly severe, however the model is not yet well established and still needs to be further studied. In this paper, on the basis of possible improvements for the model proposed by Ishimaru and others, potential ionospheric effects on SAR imaging are evaluated. First, for analyzing azimuthal resolution, we apply the fourth moment recently obtained in general case of strong fluctuation regimes, which is expected to give results for wider conditions. The Gaussian approximation was used in the previous model; however it is only valid in the fully saturated regimes. Second, for analyzing image shift and distortion, besides group delay, the higher-order dispersion is considered. Third, for discussing range resolution degraded due to pulse broadening, besides the dispersion, the multiple scattering of ionospheric turbulence is studied. Fourth, the Faraday rotation effect is analyzed. Numerical simulations are shown using ionospheric turbulence spectrum and TEC inferred from the International Reference Ionosphere (IRI) and satellite beacon observations.      

一种新的MIMOSAR/MTI空时等效重构方法

多输入多输出合成孔径雷达(MI MO SAR)是一种新体制的成像雷达。针对高空高速平台的SAR系统方位向口径(或方位向分辨率)和作用距离的设计矛盾,采用MI MO体制有效地解决了PRF设计的问题。并针对多通道MTI模式提出了一种新的MI MO SAR空时等效重构方法,使得系统有效地兼顾了SAR模式和MTI模式。与常规的SAR/MTI系统相比,MI MO SAR/MTI系统在SAR模式下可以实现远距离高分辨率宽观测带成像;在MTI模式下,可以实现远距离运动目标探测,且具有高的运动目标检测性能和定位精度。     

一般构型双基地SAR成像分辨特性分析

分辨率是体现双基地合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）成像质量的一个重要参数。本文针对一般构型的双基地SAR成像分辨率计算问题,首先在空间梯度法的基础上,推导了双基地SAR地距分辨率的计算公式,根据收发平台对目标产生的多普勒频率变化,推导了双基地SAR方位分辨率的计算公式。然后基于理论推导和仿真指出影响双基地SAR分辨率的真正因素。最后,分析了三种几何构型下地面成像区域的地距分辨率和方位分辨率,为双基地SAR的系统设计提供了参考。      

Estimation of ocean wave spectra using two-antenna SAR systems

Data from synthetic aperture radar, (SAR) systems can be used to estimate ocean wave directional spectra, but the method is limited by nonlinearities associated with the velocity bunching mechanism and the azimuth falloff effect, which reduces the range of azimuth wavelengths that can be observed. A theoretical analysis which suggests that the use of two or more receive antennas, spaced in the along-track direction, may reduce these limitations is presented. Specifically, the band of usable azimuth wavenumbers is shifted by an amount proportional to the antenna spacing, so that a broader range of wavenumbers can be covered by combining the spectrum obtained from the two-antenna signals with the conventional image spectrum     

穿过电离层电子密度不均匀体的脉冲平均到达时间

本文利用前向多重散射理论的新进展，推导了穿过电离层电子密度不均匀体脉冲平均到达时间的理论计算公式，其中包括背景介质折射效应的贡献、色散效应的贡献、电离层电子密度不均匀体的散射效应的贡献和色散效应的贡献，在水平分层背景电离层和高频近似的情况下，给出了背景电离层折射效应、一阶色散效应、电子密度不均匀体的散射效应和一阶色散效应对对称脉冲平均到达时间影响的计算公式。针对特定的电离层情况，分别计算了上述几种