星載P波段合成孔徑雷達中的電離層效應研究.pdf

1、星載合成孔徑雷達（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)濟建設中有著重要的應用價值。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，在隱蔽軍事目標偵察、生物量統(tǒng)計、冰層結構探測等方面具有廣闊的應用前景。然而，星載P波段SAR受到電離層色散、閃爍、法拉第旋轉（Faraday Rotation, FR）等傳播效應的嚴重影響，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”這一關鍵問題，針對“電離層傳播效應建模仿真”、“電離層效應影響分析”以及“電離層效應校正”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。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、各向異性的介質特性。其次，以麥克斯韋方程組為出發(fā)點，推導了背景電離層對電磁波的色散和FR效應的影響機理，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，將多相位屏理論應用于星載SAR電離層效應模擬中，解決了星載SA

4、R電離層強閃爍效應模擬問題。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果，并將其擴展到了球面波情形。在此基礎上，設計并實現(xiàn)了星載P波段SAR電離層效應仿真軟件。
　　第四章基于沖激響應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對星載 SAR的影響模型，將色散、閃爍及 FR效應包含在星載極化SAR系統(tǒng)沖激響應矩陣中。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；分析了閃爍效應影響下的SAR方位壓縮性能與電離層不規(guī)則體之間的關系，數(shù)值仿真驗證了分析結果的正確性；分析了電離層FR效應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，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信號模型的聯(lián)系，分析了并驗證了該方法校正閃爍效應的適用性；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角真值無關。仿真實驗及PALSAR實測數(shù)