星載P波段SAR電離層效應(yīng)雙頻校正研究

時(shí)晶晶,姚佰棟,吳先良,沈 晶

(1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601; 3.中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

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星載P波段SAR電離層效應(yīng)雙頻校正研究

時(shí)晶晶1,2,姚佰棟3,吳先良1,沈 晶2

(1.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601; 3.中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

背景電離層及電離層閃爍效應(yīng)對星載P波段合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)圖像質(zhì)量影響嚴(yán)重。文章針對不同信號載頻、不同帶寬的星載P波段SAR系統(tǒng)進(jìn)行研究,點(diǎn)目標(biāo)仿真結(jié)果表明,電離層效應(yīng)影響程度與信號載頻、帶寬密切相關(guān)。通過雙頻方法精確測量的電離層總電子量(total electron content, TEC)對脈沖壓縮匹配濾波器進(jìn)行修正可實(shí)現(xiàn)電離層效應(yīng)的校正,有效提高P波段SAR圖像分辨率,得到高質(zhì)量SAR圖像。

電離層效應(yīng);P波段;合成孔徑雷達(dá);雙頻

0 引 言

星載合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)一般運(yùn)行在離地面數(shù)百公里的軌道上,雷達(dá)信號的傳播不可避免地要經(jīng)過電離層。而電離層對于較低頻率的電磁波的折射、色散、衰減等效應(yīng)會導(dǎo)致信號傳播延遲、相位失真、幅度衰落,以及使SAR的成像質(zhì)量受到影響[1-2]。雷達(dá)的工作頻率越低,影響越嚴(yán)重。工作頻段在2 GHz以上的雷達(dá)系統(tǒng)基本上可以忽略電離層對成像的影響。但P波段的星載SAR,電離層影響嚴(yán)重,不可忽略。

目前,許多國家的學(xué)者都對電離層對SAR成像的影響進(jìn)行了研究,代表性的有Ishimaru和Liu的研究。Ishimaru在電離層水平方向均勻分布的假設(shè)下，研究了電離層法拉第旋轉(zhuǎn)影響、電離層色散導(dǎo)致的圖像偏移、電離層色散以及多次散射導(dǎo)致的脈沖信號展寬等影響[3]。文獻(xiàn)[4]研究了由于電離層不均勻性導(dǎo)致的圖像退化以及圖像位移。但這些研究均未深入考慮一些其他的影響因素。

本文采用Chapman模型,首先分析電離層效應(yīng)對SAR成像的影響因素主要有:由電離層的色散效應(yīng)引起的脈沖展寬對距離向分辨率的影響;電離層閃爍效應(yīng)對SAR方位向分辨率的影響。然后提出利用雙頻測量電離層總電子量(total electron content,TEC)的方法,計(jì)算點(diǎn)目標(biāo)脈沖壓縮匹配濾波參考函數(shù),校正電離層效應(yīng)帶來的誤差。

1 電離層色散效應(yīng)對SAR圖像的影響

1.1 星載SAR電離層色散效應(yīng)分析

電磁波穿過電離層引入的附加相位[5]為:

(1)

(2)

由于星載SAR信號一發(fā)一收2次經(jīng)過電離層,電離層對星載SAR信號引入了雙程附加相位,表示為:

(3)

其中,c為真空中光速;K=40.28;TEC為總電子量;f為電磁波頻率。

設(shè)理想情況下SAR接收到的距離向信號為Sr(τ),經(jīng)傅里葉變換后頻域信號可表示為Sr(f),則受電離層影響后SAR接收到的距離向信號為:

(4)

其中,fc為信號載頻;B為信號帶寬。

將Δφ(f)在f=fc處進(jìn)行泰勒展開,忽略3次以上項(xiàng)得:

(5)

其中,|f-fc|≤B/2。

去載頻后得到基帶信號的相位誤差為:

(6)

其中,(6)式右邊第1項(xiàng)為常數(shù)項(xiàng);第2項(xiàng)為一次相位誤差,會導(dǎo)致時(shí)域信號產(chǎn)生延遲;第3項(xiàng)為二次相位誤差,將導(dǎo)致時(shí)域脈沖壓縮后產(chǎn)生散焦。

根據(jù)一次相位誤差可計(jì)算出電離層對SAR信號的雙程延遲時(shí)間為:

(7)

通常情況下,SAR雷達(dá)發(fā)射的信號是chirp信號,整個(gè)延遲時(shí)間[6]為:

(8)

脈沖的起止頻率延遲時(shí)間分別為:

(9)

從(9)式可以看出,脈沖變化量為ΔTp=tstop-tstart。對于負(fù)調(diào)頻信號tstop>tstart,脈沖被展寬。

忽略復(fù)常數(shù)情況下,未受電離層影響的SAR回波信號可表示為:

(10)

其中,τ、t分別為距離向和方位向時(shí)間;W(t)為方位向天線方向圖函數(shù);b=B/Tp為距離向信號調(diào)頻率;a(τ)為矩形窗函數(shù)。

綜合(6)式、(10)式,受電離層影響下的SAR回波信號可表示為:

(11)

其中,b′=B/(Tp+ΔTp)為受電離層效應(yīng)影響下距離向信號調(diào)頻率;a′(τ)為受電離層效應(yīng)影響下的矩形窗函數(shù)[7]。

通過上述分析可以看出,在電離層效應(yīng)的影響下,SAR距離向信號脈沖產(chǎn)生了延遲和脈沖寬度的變化,導(dǎo)致信號調(diào)頻率發(fā)生了變化,最終導(dǎo)致在成像處理中,距離向脈沖壓縮波形產(chǎn)生了平移和散焦現(xiàn)象,即色散現(xiàn)象。

1.2 電離層對距離向分辨率的影響

假設(shè)星載SAR發(fā)射的LFM信號為:

(12)

其中,α為調(diào)頻率;Tp為脈沖寬度。受電離層影響,當(dāng)α為正時(shí),回波脈沖寬度變窄;當(dāng)α為負(fù)時(shí),回波脈沖被展寬[8-9]。

選取負(fù)調(diào)頻脈沖,信號中心載頻為fc=500 MHz,信號帶寬B=60 MHz,脈沖寬度Tp=5 μs,TEC=30 TECU(1 TECU=1016個(gè)電子/m2)。將以上參數(shù)代入(9)式得出tstart、tstop,即可計(jì)算出新的脈沖寬度為:

(13)

由α=B/Tp可知調(diào)頻率也會隨之發(fā)生變化,從而會導(dǎo)致在脈沖壓縮處理時(shí),壓縮濾波器出現(xiàn)失配現(xiàn)象,從而造成成像分辨率惡化及圖像偏移的產(chǎn)生。

通過以上計(jì)算可以得出色散效應(yīng)與信號載頻、信號帶寬、電離層TEC大小關(guān)系及其仿真參數(shù)見表1所列。

表1 色散效應(yīng)仿真參數(shù)

本文針對不同載頻、不同信號帶寬以及不同TEC值下,電離層色散效應(yīng)對SAR成像影響的仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同載頻、帶寬、TEC對距離向信號的影響

2 電離層閃爍效應(yīng)對SAR成像的影響

本文采用Kolmogorov電離層湍動(dòng)譜來模擬相位屏[10-11]。一維形式的Kolmogorov電離層湍動(dòng)譜的表達(dá)式為:

(14)

在L0=10 km、電離層擾動(dòng)幅度為5%的情況下，方位向脈沖壓縮在不同閃爍強(qiáng)度下的結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同閃爍強(qiáng)度對方位向信號的影響

通過仿真結(jié)果可以看出,P波段SAR分辨率與電離層閃爍強(qiáng)度相關(guān),當(dāng)處于弱閃爍時(shí),電離層效應(yīng)對SAR分辨率影響基本可以忽略,當(dāng)處于中等閃爍或強(qiáng)閃爍時(shí),SAR分辨率受到嚴(yán)重影響,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致無法成像。

3 雙頻測量電離層TEC校正方法研究

3.1 電離層效應(yīng)校正方法

由于電離層效應(yīng)造成原有的匹配濾波器失配,從而影響了成像分辨率。因此,為了消除電離層效應(yīng)的影響,需要對匹配濾波器進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,匹配濾波器中的信號真空傳播時(shí)間|y-x0|/c、|y-xn|/c分別由群延時(shí)Tgr(x,z,ω0)和相延時(shí)Tph(x,z,ω0)替換,其計(jì)算公式[12]為:

(15)

此外,由于電離層效應(yīng)的影響,回波信號的脈沖寬度變化量和調(diào)頻率變化量也要做相應(yīng)變化,可計(jì)算得出:

(16)

3.2 雙頻測量電離層TEC方法

(17)

由于在單視圖像中的相位隨機(jī)變化量很小,可以忽略不計(jì),因此群延時(shí)時(shí)間可表示為:

(18)

校正后的距離向分辨率為:

(19)

校正后的方位向分辨率為:

(20)

3.3 電離層效應(yīng)校正仿真結(jié)果

利用上述電離層效應(yīng)校正方法,本文進(jìn)行了點(diǎn)目標(biāo)成像仿真測試,仿真參數(shù)如下：載頻為50 MHz；脈沖寬度為5 μs；擾動(dòng)幅度為5%；帶寬為60 MHz；電離層TEC為30 TECU；不規(guī)則體外尺度為10 km。

距離向校正結(jié)果如圖3所示,由圖3可看出電離層效應(yīng)未校正時(shí),成像后目標(biāo)偏移50 m,峰值功率下降明顯,分辨率下降到8 m。電離層效應(yīng)校正后,成像后目標(biāo)分辨率接近理想分辨率。

圖3 電離層效應(yīng)距離向校正結(jié)果

方位向校正結(jié)果如圖4所示,由圖4可以看出,經(jīng)電離層效應(yīng)校正后,峰值功率提升,峰值旁瓣比明顯增加,成像質(zhì)量得到較大的提升。

圖4 電離層效應(yīng)方位向校正結(jié)果

4 結(jié) 論

本文通過對P波段星載SAR電離層效應(yīng)仿真分析,發(fā)現(xiàn)電離層效應(yīng)對成像質(zhì)量影響嚴(yán)重。在距離向上,電離層效應(yīng)對成像的影響與載頻、信號帶寬、電離層TEC大小密切相關(guān);在方位向上,成像分辨率隨著電離層閃爍強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低。為了得到高質(zhì)量的SAR圖像,提出利用修正匹配濾波函數(shù)來對電離層效應(yīng)進(jìn)行校正。仿真結(jié)果顯示,利用雙頻測量TEC方法進(jìn)行電離層校正在理論上是完全可行的,可以實(shí)現(xiàn)高分辨率SAR成像。但在實(shí)際工程應(yīng)用中,測量電離層TEC需要精確測量偽距值,因此在工程上實(shí)現(xiàn)該方法將是下一步研究的重點(diǎn)。

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(責(zé)任編輯 閆杏麗)

Research on spaceborne P-band SAR ionospheric effect based on dual-frequency correction

SHI Jingjing1,2,YAO Baidong3,WU Xianliang1,SHEN Jing2

(1.School of Electronics and Information Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China; 2.School of Electronics and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230601, China; 3.No.38 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230088, China)

The background ionosphere and ionospheric scintillation effects seriously influence the image quality of spaceborne P-band synthetic aperture radar(SAR). For different carrier frequencies and different bandwidths of spaceborne P-band SAR system, the results of point target simulation showed that the influence degree of ionospheric effects was closely related to the signal’s carrier frequency and bandwidth. The pulse compression matched filters were modified through the ionospheric total electron content(TEC) values which were accurately measured by the dual-frequency method so as to correct the ionospheric effects. Then the resolution of P-band SAR images was improved effectively, and the high quality SAR images were achieved.

ionospheric effect; P-band; synthetic aperture radar(SAR); dual-frequency

2015-05-07；

2015-07-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61301062)；2016年高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(gxyqZD2016234)

時(shí)晶晶(1984-),女,安徽亳州人,安徽大學(xué)博士生,合肥師范學(xué)院講師;

吳先良(1955-),男,安徽亳州人,安徽大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.012

TN959.74

A

1003-5060(2016)10-1357-05