大氣折射率時(shí)間變化對(duì)地球同步軌道圓跡SAR聚焦性能的影響

寇蕾蕾,向茂生

1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇南京 210044;2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 100190

大氣折射率時(shí)間變化對(duì)地球同步軌道圓跡SAR聚焦性能的影響

寇蕾蕾1,向茂生2

1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇南京 210044;2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 100190

根據(jù)地球同步軌道圓跡SAR(GEOCSAR)的特點(diǎn),大氣折射率時(shí)間變化將會(huì)對(duì)GEOCSAR方位向聚焦成像產(chǎn)生重要影響。本文考慮L波段GEOCSAR的特點(diǎn),因此對(duì)流層和電離層效應(yīng)均不可忽略。文中建立了對(duì)流層和電離層折射率時(shí)間變化引起的相位誤差模型,分析和推導(dǎo)了折射率時(shí)間變化對(duì)GEOCSAR方位向聚焦性能的影響,計(jì)算了引起L波段GEOCSAR聚焦性能退化的最小對(duì)流層折射率和電離層電子含量隨機(jī)時(shí)間變化量,并通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

地球同步軌道圓跡SAR;大氣折射率;時(shí)間變化;對(duì)流層;電離層

1 引 言

圓跡SAR(circular SAR,CSAR)通過(guò)傳感器平臺(tái)的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng),獲取被觀測(cè)目標(biāo)多方位乃至360°全向觀測(cè)信息,從而具有高精度的三維分辨能力[1-2]。地球同步軌道SAR(geosynchronous SAR,GEOSAR)軌道高度高,利用很小的波束角即可實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域成像,且地球同步軌道SAR重訪周期短,從而克服了低軌星載SAR重訪周期長(zhǎng)、覆蓋面積小的缺點(diǎn)[3-6]。通過(guò)設(shè)計(jì)一定的軌道參數(shù),如偏心率、傾角,可使同步軌道衛(wèi)星軌跡為近似圓形,從而使得地球同步軌道圓跡SAR(geosynchronous circular SAR,GEOCSAR)成為可能[7-10]。結(jié)合了GEOSAR和CSAR的優(yōu)點(diǎn), GEOCSAR具有覆蓋區(qū)域大、重訪周期短、可獲得高分辨率三維信息、對(duì)目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì),使得GEOCSAR擁有很強(qiáng)的發(fā)展前景[3,8-9]。

GEOCSAR運(yùn)行于大約36 000 km的高度之上,信號(hào)在傳播過(guò)程中將不可避免地受到大氣層的影響。本文考慮L波段GEOCSAR特點(diǎn),因此對(duì)流層和電離層的影響均不可忽略。對(duì)流層和電離層具有明顯的空時(shí)變化特性,大氣折射率的時(shí)空不一致性將嚴(yán)重影響雷達(dá)無(wú)線(xiàn)電波傳播,因而大氣效應(yīng)對(duì)SAR成像的影響一直以來(lái)是SAR技術(shù)研究的一個(gè)重要方面[11-15]。對(duì)流層在大氣層的最底層,緊靠地球表面,對(duì)流層的影響主要考慮對(duì)流層折射率垂直變化造成的信號(hào)延遲[13-14]。電離層對(duì)于較低頻率的電磁波的折射、色散、衰減等效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的傳播延遲、相位失真、幅度衰落[15-18]。文獻(xiàn)[16]分析了電離層大氣延遲影響以及大氣延遲測(cè)量方法。文獻(xiàn)[17]重點(diǎn)分析了電離層垂直變化導(dǎo)致的圖像偏移、電離層色散導(dǎo)致的脈沖信號(hào)展寬等影響。文獻(xiàn)[18]進(jìn)一步研究了電離層不規(guī)則體對(duì)SAR方位向分辨率的影響,以及電離層水平變化引起的圖像位移。

對(duì)于常規(guī)SAR成像,其合成孔徑時(shí)間很短,因此一般無(wú)須考慮大氣層時(shí)間變化對(duì)SAR成像的影響。而GEOCSAR合成孔徑時(shí)間很長(zhǎng),一般在小時(shí)量級(jí),實(shí)現(xiàn)全孔徑成像時(shí)的合成孔徑時(shí)間為24 h,而對(duì)流層和電離層折射率變化都有明顯的周日變化特性[19-22],因而大氣折射率時(shí)間變化將對(duì)GEOCSAR方位向聚焦產(chǎn)生重要影響。本文重點(diǎn)分析和推導(dǎo)了對(duì)流層和電離層時(shí)間變化對(duì)GEOCSAR聚焦性能的影響,指出大氣層時(shí)間變化是影響GEOCSAR成像的決定性因素之一,并給出相應(yīng)的大氣折射率時(shí)間變化影響補(bǔ)償方案。

2 GEOCSAR成像幾何

影響同步軌道衛(wèi)星軌跡的主要因素有:由衛(wèi)星軌道傾角引起的緯度上的簡(jiǎn)諧振動(dòng);由衛(wèi)星軌道偏心率引起的經(jīng)度上的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。通過(guò)控制軌道傾角(i)、離心率(e)、近地點(diǎn)幅角(Ω)等軌道參數(shù),可控制衛(wèi)星航跡為直線(xiàn)、圓、橢圓等航跡。假定坐標(biāo)系為以地球?yàn)橹行牡牡毓套鴺?biāo)系統(tǒng),X軸指向北極,Z軸指向不發(fā)生偏移時(shí)衛(wèi)星相對(duì)地球靜止的位置,Y軸與XZ平面垂直,則衛(wèi)星的坐標(biāo)可表示為[7-8]

式中,A是地球同步軌道半長(zhǎng)軸;r表示衛(wèi)星到地球中心的距離;θ∈[－π,π)表示慢時(shí)間域,對(duì)應(yīng)同步軌道衛(wèi)星運(yùn)行一周(周期為1 d)的時(shí)間間隔。假定i＝2e(i用弧度表示),Ω＝π/2,則衛(wèi)星運(yùn)行航跡投影到XY面的軌跡為圓形,且圓周半徑為Rg＝Ai。

一般可用點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)來(lái)刻畫(huà)SAR性能。與常規(guī)SAR類(lèi)似,GEOCSAR全孔徑成像時(shí)的點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)函數(shù)可表示為

式中,p(t)表示發(fā)射信號(hào);Rp表示目標(biāo)區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)與SAR接收機(jī)的距離;R0表示點(diǎn)目標(biāo)與SAR接收機(jī)的距離;λ表示波長(zhǎng);c表示光速。

若發(fā)射信號(hào)為線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào),則理想的GEOCSAR點(diǎn)目標(biāo)聚焦函數(shù)為[23]

式中,C0表示常數(shù);B表示帶寬;d z表示高度向分辨單元;d p表示方位向二維分辨單元;J0(x)是零階貝塞爾函數(shù)。由式(3)可知,理想方位向聚焦函數(shù)為零階貝塞爾函數(shù)形式。

當(dāng)電磁波穿過(guò)對(duì)流層和電離層時(shí),折射率的變化使得目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離發(fā)生彎曲而偏離理想的直線(xiàn)距離。圖1是考慮大氣效應(yīng)時(shí)的地球同步軌道圓跡SAR成像幾何圖。

圖1 考慮大氣效應(yīng)時(shí)的地球同步軌道圓跡SAR成像幾何圖Fig.1 Imaging geometry of GEOCSAR with atmospheric effects

3 對(duì)流層時(shí)間去相干對(duì)GEOCSAR聚焦性能影響

對(duì)流層對(duì)雷達(dá)電波傳播的影響程度可用介質(zhì)磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε來(lái)表征,并以折射指數(shù)n＝表示。大氣折射指數(shù)n接近于1,為了研究和使用方便,引入了折射率N

大氣折射率N的變化一般可用氣象參數(shù)P、T和ew來(lái)表征。由電波傳播理論和分子物理學(xué),可得折射率為[21]

式中,P為所有氣體的總壓力(hPa);ew為水汽壓(hPa);T為大氣絕對(duì)溫度。隨著大氣壓、溫度、濕度的變化,折射率不僅在空間上變化,在時(shí)間上也有明顯的變化。

假定目標(biāo)高度是hp,n(hp)是高度hp位置的折射指數(shù),n(h)表示h處的折射指數(shù),則由射線(xiàn)跟蹤法可得到電磁波穿過(guò)大氣層時(shí)目標(biāo)與雷達(dá)之間的實(shí)際距離[21]

式中,φ0是掠射角,由雷達(dá)位置與目標(biāo)位置決定,可通過(guò)反演已知的目標(biāo)水平距離和折射指數(shù)n及掠射角φ0的關(guān)系得到[12]。

理想距離R0是假定折射率為常數(shù)時(shí)得到

式中,φ1是理想直線(xiàn)距離時(shí)的掠射角,掠射角φ0和φ1非常接近。

由于對(duì)流層高度遠(yuǎn)小于地球半徑,實(shí)際距離式(6)以及理想距離式(7)可簡(jiǎn)化為

式中,H表示對(duì)流層內(nèi)雷達(dá)與目標(biāo)之間的高度。由于大氣折射指數(shù)n(h)、n(hp)相差不大,兩者之差一般在10－6～10－4量級(jí)之間變化,則由對(duì)流層效應(yīng)引起的斜距誤差近似為

式中,ΔN(θ,h)表示N隨θ和h的變化值。假設(shè)折射率N隨高度呈指數(shù)形式變化,即

式中,N0為地面折射率;h為海拔高度(km);hp為目標(biāo)海拔高度;Ca為指數(shù)衰減系數(shù)(km－1)。GEOCSAR軌道高度非常高,對(duì)于地球上任意一塊目標(biāo)區(qū)域,掠射角φ0都將在80°以上,另外,我國(guó)Ca年平均值為0.140 4/km[19],取對(duì)流層高度為12 km,則由對(duì)流層時(shí)間變化引起的相位誤差近似為

當(dāng)相位誤差ΔΦ大于π/4時(shí),方位向聚焦性能會(huì)發(fā)生退化。因此,對(duì)于L波段GEOCSAR,當(dāng)折射率N的周日變化均方差大于大約2.7N單位時(shí), GEOCSAR方位向聚焦性能即會(huì)受到影響。

圖2(見(jiàn)文末)是加入均值為0,均方差分別為0N、2N和5N單位的正態(tài)分布的折射率隨機(jī)日變化后的GEOCSAR點(diǎn)目標(biāo)聚焦成像結(jié)果(本文的點(diǎn)目標(biāo)成像仿真均利用共焦成像算法實(shí)現(xiàn))。仿真中軌道傾角設(shè)置為0.78°,離心率為0.006 8,波長(zhǎng)為0.25 m,由式(3)可計(jì)算得到方位向分辨率近似為5 m×5 m。圖2(a)即是理想點(diǎn)目標(biāo)的XY平面二維點(diǎn)目標(biāo)擴(kuò)展函數(shù)(PSF),其積分旁瓣比(ISLR)和峰值旁瓣比(PSLR)分別為－4.79 dB和－7.9 dB。由圖2可看出,2N單位的折射率日變化對(duì)成像性能影響很小,ISLR和PSLR分別為－4.6 dB、－7.8 dB;均方差5N單位的折射率日變化使成像性能發(fā)生了退化,X方向和Y方向ISLR和PSLR均分別下降了1.4 dB和2.2 dB左右。

根據(jù)大氣探空資料,如美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)資料,可得一天內(nèi)每個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)的氣象參數(shù),代入式(5)可得N的日變化。圖3是北京地區(qū)在2002年4月和7月中間一天的對(duì)流層折射率日變化曲線(xiàn)。

圖3 對(duì)流層折射率日變化曲線(xiàn)Fig.3 Average value of tropospheric refractivity on the time of day

圖4是根據(jù)圖3的折射率日變化模型得到的GEOCSAR方位向PSF圖,其中虛線(xiàn)表示理想聚焦結(jié)果,實(shí)線(xiàn)表示考慮對(duì)流層時(shí)間變化的點(diǎn)目標(biāo)聚焦結(jié)果。由于圖3中的折射率N周日變化具有明顯的周期性,因此會(huì)形成一次項(xiàng)斜距誤差,從而使得重建點(diǎn)目標(biāo)發(fā)生位移,7月折射率變化模型使得目標(biāo)在y方向偏移1.5 m,4月折射率變化模型使得目標(biāo)在x、y方向分別偏移2 m、2.5 m。圖3中7月的折射率日變化均方差近似為2.5N單位,方位向聚焦性能影響較小;4月的折射率日變化均方差為7N單位,GEOCSAR方位向聚焦性能受到較大影響,圖4(b)中x、y向信號(hào)的ISLR和PSLR分別下降為－2.79 dB和－4.5 dB。

圖4 加入圖3中對(duì)流層折射率日變化模型后的2D PSF圖在x/y方向的投影Fig.4 2D PSF projected on x/y-direction with the temporal variation model in Fig.3

從圖2和圖4可看出,對(duì)流層折射率時(shí)間變化會(huì)影響GEOCSAR方位向聚焦,當(dāng)折射率的日變化均方差大于3N單位左右時(shí),對(duì)流層折射率的日變化會(huì)降低方位向ISLR和PSLR,這與理論分析吻合。因此,欲實(shí)現(xiàn)GEOCSAR聚焦成像,須對(duì)對(duì)流層折射率的日變化影響進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)對(duì)流層時(shí)間去相干影響的補(bǔ)償可考慮采用基于外部測(cè)量數(shù)據(jù)如高精度數(shù)值氣象模型的對(duì)流層濕延遲測(cè)量的方法(高精度對(duì)流層濕延遲測(cè)量精度可達(dá)2 mm左右,相應(yīng)的相位誤差為0.1 rad,因此具有較好的補(bǔ)償精度)[24]。

4 電離層時(shí)間去相干對(duì)GEOCSAR聚焦性能影響

描述電離層的主要參數(shù)是電離層的自由電子密度,單位是個(gè)電子/m3。由于大氣層氣體成分、溫度等隨高度的變化以及其他影響大氣電離的因素的影響,電離層電子密度隨高度呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。在電離層中忽略電子碰撞和地磁場(chǎng)的影響,折射指數(shù)可近似表示為

因此,對(duì)于L波段GEOCSAR,當(dāng)電離層TEC的隨機(jī)變化大于0.06 TECU(1 TECU＝1016個(gè)電子/m3)左右時(shí),方位向聚焦性能即會(huì)受到影響。圖5(見(jiàn)文末)是加入均值為0的正態(tài)隨機(jī)分布TEC周日變化時(shí)的XY平面PSF圖,其中圖5(a)中的隨機(jī)噪聲均方差為0.05 TECU,圖5(b)的隨機(jī)噪聲均方差為0.2 TECU。由圖5可看出,TEC在一個(gè)周期內(nèi)的隨機(jī)變化為0.05 TECU時(shí),電離層時(shí)間變化對(duì)GEOCSAR方位向聚焦性能的影響不大,而當(dāng)TEC的隨機(jī)變化在0.2 TECU時(shí),GEOCSAR方位向信號(hào)幾乎完全散焦。

利用GPS資料,也可分析TEC周日變化統(tǒng)計(jì)分布情況。圖6是根據(jù)GPS間隔2 h的測(cè)量數(shù)據(jù),再經(jīng)過(guò)最小二乘擬合得到的TEC在2001年第200天中國(guó)區(qū)域的TEC平均周日變化圖。從圖中可看出TEC的日變化近似為22 TECU(隨機(jī)變化均方差為7 TECU)?；趫D6中的TEC周日變化模型,可得GEOCSAR的XY面PSF如圖7所示(見(jiàn)文末)。從圖7可看出SAR信號(hào)完全散焦。

大量的TEC歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明,白天TEC 12 h的變化量大約為25 TECU,晚上一般大約在8～15 TECU之間,而隨機(jī)TEC變化量也?？蛇_(dá)到10 TECU左右[14]。由上述分析可知,如此大的TEC隨機(jī)周日時(shí)間變化量可導(dǎo)致GEOCSAR完全時(shí)間去相干,從而使得方位向信號(hào)完全散焦。

圖6 2001年第100天中國(guó)區(qū)域的平均TEC周日變化圖Fig.6 Average daily variation of TEC on the 100th day in 2001 for China

由于常規(guī)星載SAR合成孔徑時(shí)間很短(常為秒量級(jí)),電離層時(shí)間變化對(duì)SAR聚焦性能沒(méi)有影響。而GEOCSAR合成孔徑非常長(zhǎng)(常為小時(shí)量級(jí)),電離層時(shí)間去相干對(duì)GEOCSAR成像影響非常嚴(yán)重,欲完成GEOCSAR方位向聚焦成像,必須對(duì)電離層影響進(jìn)行補(bǔ)償。由式(15)可知,若已知TEC時(shí)空變化值,則可將TEC值代入信號(hào)模型中進(jìn)行補(bǔ)償。由于電離層是色散介質(zhì),所以可采用分譜的方法來(lái)估算TEC值(分譜法與GPS雙頻測(cè)量法類(lèi)似,但由于GPS空間和時(shí)間采樣密度不夠, TEC測(cè)量精度不高)[25]。分譜法即是將信號(hào)的距離譜分成兩個(gè)不重疊的子帶,如圖8所示,從兩個(gè)子帶中得到不同載頻對(duì)應(yīng)的距離向偏移量。利用分譜法可對(duì)TEC值進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖8 分譜法中子帶與全帶寬的關(guān)系Fig.8 Relation between the sub-band and full band for split spectrum approach

由式(15)可知,電離層電子密度垂直變化會(huì)導(dǎo)致圖像距離向發(fā)生偏移,且偏移量近似為40.3 TEC/f2c。若載頻f1、f2(f1＜f2)兩個(gè)子帶所對(duì)應(yīng)的距離向偏移分別為δR1、δR2,則可通過(guò)解兩個(gè)方程估算得到TEC為

式中,σrange為距離向偏移測(cè)量誤差。假定距離向偏移測(cè)量的精度為1 m(σrange＝1 m),兩個(gè)子帶分別為20 MHz(信號(hào)距離向帶寬為50 MHz,載頻為1.2 GHz),則對(duì)于單個(gè)分辨單元的TEC測(cè)量精度為大約1 TECU,這對(duì)電離層時(shí)間去相干效應(yīng)的補(bǔ)償還不夠。為提高TEC測(cè)量精度,可考慮加大信號(hào)帶寬或提高距離向偏移測(cè)量精度,或進(jìn)行多視平滑處理。當(dāng)帶寬達(dá)到100 MHz左右,對(duì)200個(gè)分辨單元取平均時(shí),TEC測(cè)量精度可達(dá)到0.05 TECU左右,但這又降低了SAR方位向分辨率。對(duì)于GEOCSAR成像,其方位向分辨率一般可達(dá)米量級(jí)(圖3仿真中,傾角0.78°的L波段GEOCSAR的方位向分辨率為5 m×5 m),當(dāng)對(duì)200個(gè)單元作平均時(shí),GEOCSAR方位向分辨率將下降到數(shù)百米或千米量級(jí)。因此,為保證一定的TEC測(cè)量精度和GEOCSAR高分辨率,可考慮結(jié)合分譜法和自聚焦算法。在分譜法準(zhǔn)確測(cè)量TEC進(jìn)行電離層效應(yīng)校正后,可利用自聚焦算法對(duì)電離層時(shí)間變化的隨機(jī)TEC殘余誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié) 論

由于常規(guī)星載SAR合成孔徑時(shí)間很短,可以不用考慮大氣折射率時(shí)間變化對(duì)SAR聚焦性能的影響。而GEOCSAR合成孔徑時(shí)間很長(zhǎng)(全孔徑成像時(shí)間為近似24 h),對(duì)于L波段GEOCSAR,對(duì)流層和電離層折射率時(shí)間變化均會(huì)影響SAR方位向信號(hào)聚焦。大氣折射率的周日周期變化部分會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)重建位置在x、y向發(fā)生偏移,周日隨機(jī)變化部分會(huì)導(dǎo)致SAR方位向聚焦性能退化甚至散焦。當(dāng)對(duì)流層折射率周日隨機(jī)變化均方差大于3N單位左右時(shí),GEOCSAR方位向成像性能如ISLR、PSLR會(huì)發(fā)生退化,當(dāng)折射率周日隨機(jī)變化為5N單位時(shí),ISLR和PSLR分別下降了1.4 dB和2.2 dB左右;當(dāng)電離層TEC周日隨機(jī)變化均方差大于0.06 TECU左右時(shí),GEOCSAR方位向聚焦即會(huì)受到影響,隨著隨機(jī)變化量的增大,如達(dá)到0.2 TECU時(shí),SAR方位向信號(hào)幾乎完全散焦。所以,欲實(shí)現(xiàn)GEOC-SAR正常聚焦成像,必須對(duì)大氣效應(yīng)時(shí)間去相干進(jìn)行補(bǔ)償。

實(shí)際中,對(duì)流層周日隨機(jī)變化量一般在5N單位左右,而電離層周日變化量?？蛇_(dá)到十幾TECU,通常情況下電離層時(shí)間去相干會(huì)使GEOCSAR方位向信號(hào)完全散焦,因此電離層效應(yīng)補(bǔ)償對(duì)GEOCSAR成像至關(guān)重要。對(duì)于對(duì)流層效應(yīng),可利用基于高精度數(shù)值氣象模型的對(duì)流層濕延遲測(cè)量方法進(jìn)行補(bǔ)償;對(duì)于電離層影響,可通過(guò)分譜法準(zhǔn)確測(cè)量TEC數(shù)值代入信號(hào)模型來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償,然后結(jié)合自聚焦方法補(bǔ)償殘余TEC隨機(jī)變化。

圖2 加入均值為0的高斯分布的對(duì)流層折射率隨機(jī)變化后的點(diǎn)目標(biāo)2D PSF圖Fig.2 2D PSF in the presence of tropospheric refractivity variation with zero mean Gaussian noise

圖5 加入零均值正態(tài)分布的電離層TEC隨機(jī)日變化后的2D PSF圖Fig.5 2D PSF in the presence of ionospheric TEC variation with zero mean Gaussian noise

圖7 對(duì)應(yīng)圖6 TEC變化模型的GEOCSAR點(diǎn)目標(biāo)2D PSF圖Fig.7 2D PSF with variation model of TEC in Fig.6 for GEOCSAR

[1] AKIA ISHIMARU,CHAN TSZ-KING,YASUO KUGA.An Imaging Technique Using Confocal Circular Synthetic Aperture Radar[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1998,36(5):1524-1530.

[2] KOU Leilei,WANG Xiaoqing,CHONG Jinsong,et al.Circular SAR Processing Using an Improved Omega-kType Algorithm[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,2010,21(4):572-579.

[3] Global Earthquake Satellite System.A 20 Year Plan to Enable Earthquake Prediction[EB/OL].[2003-01-23].http:∥solidearth.jpl.nasa.gov/gess.html.

[4] DAVIDE B,STEPHEN E H,GIUSEPPE O.Geosynchronous Synthetic Aperture Radar:Concept Design,Properties and Possible Applications[J].Acta Astronautica,2006,59 (5):149-156.

[5] MADSEN S N,WENDY E,LEO D.A Geosynchronous Synthetic Aperture Radar:for Tectonic Mapping, Disaster Management and Measurements of Vegetation and Soil Moisture[C]∥Proceedings of IGARSS Proceedings.Hawaii:IEEE,2001:447-449.

[6] HU Cheng,LONG Teng,ZENG Tao.The Accurate Focusing and Resolution Analysis Method in Geosynchronous SAR [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011,49(10):3548-3563.

[7] KIYO T.Synthetic Aperture Radar Imaging from an Inclined Geosynchronous Orbit[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1983,GE-21(3):324-329.

[8] KOU Leilei,WANG Xiaoqing,XIANG Maosheng,et al.Interferometric Estimation of Three-dimensional Surface Deformation Using Geosynchronous Circular SAR[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2012,48(2):1619-1635.

[9] LIU Qi,HONG Wen,TAN Weixian,et al.An Improved Polar Format Algorithm with Performance Analysis for Geosynchronous Circular SAR 2D Imaging[J].Progress in Electromagnetics Research,2011,119:155-170.

[10] LISA C,CARLO C,DAVIDE L,et al.A Ground-based Parasitic SAR Experiment[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2000,38(5):2132-2141.

[11] QUEGAN S,LAMONI J.Ionospheric and Tropospheric Effects on Synthetic Aperture Radar Performance[J].International Journal of Remote Sensing,1986,7(4):525-539.[12] SUN Jinping,BI Yuekai,WANG Yanping,et al.High Resolution SAR Performance Limitation by the Change of Tropospheric Refractivity[C]∥Proceedings of IGARSS.Vancouver:IEEE,2011:1448-1451.

[13] LU Xiaoping.Series Expression of Correction for Curved Electronmagnetic Signal Path in Troposphere[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2008,37(2):142-146.(盧小平.電磁波信號(hào)在對(duì)流層中路徑彎曲改正的級(jí)數(shù)展開(kāi)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2008,37(2):142-146.)

[14] DANKLMAYER A,BORING B J,SCHWERDT M.Assessment of Atmospheric Propagation Effects in SAR Images[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote sensing,2009,47(10):3507-3518.

[15] BELCHER D P,ROGERS N C.Theory and Simulation of Ionospheric Effects on Synthetic Aperuture Radar[J].IET Radar,Sonar and Navigation,2009,3(5):541-551.

[16] ZHANG Baocheng,OU Jikun,YUAN Yunbin,et al.Extracting Precise Atmospheric Propaganda Delays from Multiple Refrence Station GPS Networks[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2012,41(4):523-528.(張寶成,歐吉坤,袁運(yùn)斌,等.多參考站GPS網(wǎng)提取精密大氣延遲[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2012,41(4):523-528.)

[17] AKIRA I,YASUGO K,LIU J.Ionospheric Effects on SAR at 100MHz to 2GHz[C]∥Proceedings of IGARSS.Seattle:IEEE,1998:475-477.

[18] LIU J,KUGA Y,ISHIMARU A.Ionospheric Effects on SAR Imaging:a Numerical Study[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2003,41(5):939-947.

[19] ZILINSKAS M S,TAMOSIUNAITE M.Yearly,Seasonal and Daily Variations of Radio Refractivity[J].Acta Physica Polonica A,2011,119(4):533-536.

[20] NORLAND R.Temporal Variation of the Refractive Index in Coastal Waters[C]∥Proceedings of SPIE.Wuhan: Society of Photo Optical,2006:1-4.

[21] JIAO Peinan.Radar Environment and Propagation Characteristics[M].Beijing:Electronic Industry Press,2007.(焦培南.雷達(dá)環(huán)境和電波傳播特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.)

[22] HUO Xingliang,YUAN Yinbin,OU Jikun,et al.Daily, Half-yearly Variation and Winter Anomaly Phenomena of Ionospheric TEC in China by Means of GPS[J].Progress in Natural Science,2005,15(5):626-630.(霍星亮,袁運(yùn)斌,歐吉坤,等.基于GPS資料研究中國(guó)區(qū)域電離層TEC的周日變化、半年度及冬季異?，F(xiàn)象[J].自然科學(xué)進(jìn)展, 2005,15(5):626-630.)

[23] KOU Leilei,WANG Xiaoqing,XIANG Maosheng.Effect of Orbital Errors on Geosynchronous Circular SAR Imaging and Interferometric Processing[J].Journal of Zhejiang University Science,2011,12(5):404-416.

[24] ZHU M,WADGE G,Holley R J.High-resolution Forecast Models of Water Vapor over Mountains:Comparison with MERIS and Meteosat Data[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letter,2007,4(3):401-405.

[25] BRUNO D,HOBBS S E.Radar Imaging from Geosynchronous Orbit:Temporal Decorrelation Aspects[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010,48(7):2924-2929.

(責(zé)任編輯:宋啟凡)

Effect of Temporal Variation of Atmospheric Refraction on Geosynchronous Circular SAR Focusing Performance

KOU Leilei1,XIANG Maosheng2
1.School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044, China;2.Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China

According to the characteristic of GEOCSAR,the effect of the atmospheric temporal variation may be significant.Since this paper considers the L-band GEOCSAR system,the tropospheric and ionospheric effects should both be included.The phase error due to the temporal variation of the tropospheric and ionospheric refraction is modeled.Then,the effect of the temporal variation of the troposphere and ionosphere on GEOCSARimaging is derived and analyzed.Besides,the minimum of the random tropospheric and ionospheric temporal variation causing the L-band GEOCSAR imaging performance deterioration is deduced.The effects of atmospheric temporal variation are validated via simulations.

geosynchronous circular SAR;atmospheric refraction;temporal variation;troposphere;ionosphere

KOU Leilei(1985—),female,lecturer, majors in SAR data processing and weather radar signal processing.

P237

A

1001-1595(2014)09-0917-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(41301399)

2013-05-03

寇蕾蕾(1985—),女,講師,研究方向?yàn)楹铣煽讖嚼走_(dá)數(shù)據(jù)處理、氣象雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail:cassie320＠163.com

KOU Leilei,XIANG Maosheng.Effect of Temporal Variation of Atmospheric Refraction on Geosynchronous Circular SAR Focusing Performance[J].Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2014,43(9):917-923.(寇蕾蕾,向茂生.大氣折射率時(shí)間變化對(duì)地球同步軌道圓跡SAR聚焦性能的影響[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2014,43(9):917-923.)

10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0124

修回日期:2013-09-24