基于低频宽带星载SAR信号的电离层信息反演方法研究

It is well known that the rich information of ionosphere will be embedded in the low-frequency and wide-bandwidth SAR echoes. Thus, it can offer the probabilities of high accuracy and spatial resolution ionosphere sounding while present SAR systems with narrow bandwidth cannot. Meantime, low frequency and wide bandwidth is a trend for future SAR systems design. According to the characters of low-frequency and wide-bandwidth SAR signals, this project firstly develops a new analytical model to study the potential effects of ionosphere on it. Based on this model and the ionosphere-polluted echoes, two proper TEC retrieval methods are then proposed, which can be used to not only analyze more about ionospheric information but also compensate the distorted SAR imaging. At last, the computerized ionospheric tomography (CIT) based on space-borne SAR signals are studied to obtain the distribution of electron density. Compared with traditional ionospheric soundings, this project can lay a foundation for obtaining high accuracy and spatial resolution information of ionosphere. In addition, it will be very efficient and economical with one mission for both land and ionopsheric observations.

由于载频越低、带宽越大，星载SAR回波中携带的电离层信息就越丰富，这就为高空间分辨率电离层信息反演提供了可能。目前利用低频窄带SAR信号反演绝对TEC值精度较低，而增大设计带宽可以有效提高精度，这同时也是低频星载SAR系统的发展趋势之一。课题首先针对低频宽带SAR信号的特点，分析电离层对其多种潜在的影响以及现有模型的缺陷，建立合适的电离层影响数学模型。在此模型的基础上分析回波畸变情况，设计出有效针对低频宽带SAR信号的TEC反演方法，反演的TEC值不仅可以用来对电离层做进一步研究，同时也能对SAR图像进行校正。最后，利用上述的反演方法，进行基于星载SAR的电离层层析成像研究，从而得到电子密度空间分布情况。与传统的电离层探测方法相比，本课题的研究可提供空间分辨率高并且精度良好的电离层信息，有利于电离层精细结构的分析。另外，在进行对地成像的同时可进行电离层信息反演，因此更加经济高效。

为了满足隐藏目标识别需求和高分辨率图像要求，星载SAR系统发展趋势之一是朝着更大的相对带宽和更低的载频设计。然而，低频宽带SAR线性调频信号会受到电离层色散、闪烁和极化的影响，需要考虑相应的抑制措施。但从另一方面看，由于宽带回波有明显的电离层信息，若能了解其影响机理并进行精确建模，就可利用SAR回波信号进行电离层探测。本课题首先开展了低频宽带SAR的电离层色散机理研究，为了解决传统模型非正交问题，建立了勒让德正交级数展开模型，可更好地分析色散引起的图像平移、散焦和不对称畸变问题，基于此模型和自聚焦算法，进行了基于场景强点目标的电离层反演。其次，针对宽带SAR回波的极化信息，探讨了电离层探测的可能性，并对超宽带情况下不同极化通道的极化色散效应进行了分析。最后，本课题基于相位梯度自聚焦算法，对电离层闪烁对SAR图像方位向附加的相位误差进行了提取，此时提取的信息不仅提升了SAR图像质量，也能够一定程度上反应电离层空域小尺度变化情况。