基于SAR技术的电离层反演及其在极区的应用研究

Ionospheric inversion and error correction based on low frequency SAR data are in the stage of research and development. Low frequency SAR system receives more and more attentions because of its strong penetrating ability, however, the ionospheric errors which have little influence in the high frequency SAR system cannot be ignored in the low frequency SAR system. Meanwhile, the ionospheric inversing using low frequency SAR can achieve sub-kilometer spatial resolution and 1 TECU accuracy, which allow us to explore the characteristics and variations of ionospheric with an unprecedented resolution. Focusing on the ionospheric errors of low frequency SAR data processing, this project carries out the research on ionospheric inversion algorithm based on SAR data and combined SAR with GPS to further improve the inversion accuracy, exploring the fine structure of the polar ionosphere, correcting the ionospheric errors of SAR data and products, improving the measurement accuracy of SAR in the region. This will fill the shortcomings of the current ionospheric observation means for the detection of the heterogeneous structure and the perturbation variation of the small-scale ionosphere in the polar region, also help the researchers to use the SAR data better and improve the accuracy of the related products.

基于低频SAR数据的电离层反演和误差改正现阶段正处于研究和发展阶段。低频SAR系统因其较强的穿透能力受到重视，但是，在高频SAR系统中影响很小的电离层误差，在低频SAR系统中不容忽视。同时，低频SAR数据反演电离层可实现亚公里级、1TECU的反演精度，能够以前所未有的分辨率探知电离层特征与变化。本课题围绕低频SAR数据处理中的电离层误差问题，开展基于SAR的电离层反演算法的研究，并将SAR与GPS联合进一步提高反演精度，从而探究极区电离层精细结构，校正SAR数据及产品的电离层误差，提高SAR在极区的测量精度。这将填补当前电离层观测手段对于极区中小尺度电离层不均匀结构和扰动变化探测能力的不足，也有利于研究人员更好地在极区利用SAR数据，提高相关结果的精度。

在高频SAR系统中影响很小的电离层误差，在低频SAR系统中不容忽视，会导致信号延迟、相位超前、法拉第旋转等效应，而两极区域活跃的电离层会使得这种影响更加严重。不过，基于SAR数据也有望获得更高分辨率、更精细的电离层产品。因此，本项目基于SAR数据和GPS数据，反演了电子总含量等电离层参数，研究了中小尺度电离层不均匀结构和扰动变化，校正了SAR数据及产品中的电离层误差。主要研究成果如下：（1）推导并得到了基于极化相干矩阵的法拉第旋转估计算法，建立了SAR-TEC像元坐标由地面向薄层映射的转换模型，从而提出了新的法拉第旋转电离层反演方法并测试了算法的可靠性。（2）基于SAR电离层反演方法实现了南极区域电离层的反演，得到高分辨率、高精度的电离层反演结果，将极区电离层空间分辨率从传统监测手段测得的几百公里级别提高至百米级别。（3）提出了基于法拉第旋转反演的InSAR电离层相位补偿方法，建立了电离层效应补偿的相应流程。以电离层扰动频繁发生的高纬度和赤道地区为例，验证该方法的有效性。该方法与相位解缠无关且不受距离向信号带宽的限制，反演得到的电离层相位噪声更低，电离层补偿效果更好。（4）推导了一种重构的裂谱法，可以有效地校正基于InSAR的冰川运动测量的电离层效应。以东南极格罗夫山地区为典型区域进行验证，结果表明电离层校正后的冰流速与GPS观测和MEaSURE非常吻合。本项目的研究成果是将SAR技术应用于极区电离层环境的积极探索，克服传统探测手段时空精度较低等缺点，对于空间天气的研究具有重要的科学意义。同时，本项目的研究成果将低频SAR系统中的电离层误差有效剔除，在低频SAR系统高精度应用中有重要的价值。