[发明专利]基于星载合成孔径雷达的电离层定标方法及系统

说明书

一种基于星载合成孔径雷达的电离层定标方法及系统，该方法包括：利用星载合成孔径雷达同时发射双频线性调频信号来对同一目标进行成像，并接收双频回波信号；对该双频回波信号分别进行距离向脉冲压缩，获取双频回波信号的脉压峰值位置；根据双频回波信号的脉压峰值位置确定双频信号距离像偏移差；根据双频信号距离像偏移差和电离层TEC的关系求得电离层TEC。进一步提供了用于实现上述方法的电离层标定系统。本发明采用SAR全频带回波信号，建立了双频回波信号距离像偏移差与电离层TEC之间的数学模型，提高了电离层TEC测量精度。

技术领域

本发明涉及电离层测量技术领域，尤其涉及一种基于星载合成孔径雷达的电离层定标方法及系统。

背景技术

电离层是地球大气层中处于部分电离状态的区域，从离地面约50km开始一直延伸到约1000km，对穿过其中的电磁波信号产生附加延时，导致信号产生幅度和相位畸变。对于导航系统，将影响导航精度，对于星载合成孔径雷达(SAR)系统，将导致SAR图像质量变差，信号频率越低，受电离层影响越严重。一般而言，工作在频率在2GHz系统(如L波段的TanDEM系统和P波段的BIOMASS系统以及北斗导航系统等)都需要对电离层进行定标和补偿。

针对星载SAR系统受电离层影响，人们开始关注如何校正和补偿电离层影响，一方面基于电离层特征对电离层TEC(电离层离子浓度总含量)进行测量，进而实现电离层影响校正，另一方面，人们基于星载SAR回波信号实现电离层TEC估计，进而实现电离层影响补偿。基于电离层特征对电离层TEC进行测量一般情况下依赖于电离层观测站网(如GPS系统、北斗系统、子午工程系统等)，其服务的对象主要是空间电波监测以及卫星导航，利用该方法获得电离层TEC对星载SAR影响进行校正，其时效性和精度难以满足星载SAR电离层校正需求。基于星载SAR回波信号实现电离层TEC估计利用电离层TEC对SAR回波信号影响的数学模型，通过对回波信号进行数据处理实现电离层TEC估计，利用该方法估计的电离层TEC对于SAR信号处理基本具有实时性且为SAR传播路径电离层TEC，精度更高、可控性更强，比较符合电离层定标需求。

电离层具有色散效应，线性调频信号中不同的频率信号受电离层影响不同，导致线性调频信号脉冲宽度发生变化，脉冲宽度变化量ΔT和电离层TEC之间的线性对应关系为：

其中，f_c为线性调频信号中心频率，B_r为信号带宽。

因此，可以通过比较雷达发射信号初始时间宽度和回波信号的时间宽度，得到ΔT估计值，从而反演出电离层TEC。

但是，基于发射信号和接收回波信号脉冲时间宽度比较的星载SAR电离层定标方案存在以下缺点：

1)必须要求SAR成像区域具有强点目标，否则很难精确获得接收信号的脉冲宽度。

2)线性调频信号脉冲包络不可能是理想的矩形包络，必然存在上升沿和下降沿，必将导致脉冲宽度测量误差。

3)脉冲信号宽度的测量受信号采样率限制，采样率越高，脉冲宽度测量精度越高，相应的TEC估计精度也越高，但是，受硬件以及数据存储量的限制，数据采样率不可能很高。

4)脉冲宽度受噪声影响导致测量误差，即便基于强点目标进行测量，强点目标周围的其他点目标和背景也将影响线性调频信号的脉冲宽度，进而导致脉冲宽度测量误差。

综上，基于发射信号和接收回波信号脉冲时间宽度变化的星载SAR电离层定标对星载SAR雷达性能要求很高，对成像区域点目标要求也很高且误差源较多。

另外，基于同一线性调频信号上下边带子距离像偏移也可实现电离层TEC估计，但是基于子距离像偏移差的星载SAR电离层定标方法存在的缺点是每个子距离像最大只能利用50％带宽，降低了子距离像分辨率，相对于全带宽图像而言降低了脉压位置求解精度，进而影响电离层TEC估计精度，测量精度受限。