王成，趙海生，劉波，陳亮，肖鵬，劉露，劉敏，眭曉虹，郭午龍

1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094 2. 中國(guó)電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266107

1 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種全天時(shí)、全天候、多極化、多波段的高分辨率主動(dòng)微波成像雷達(dá)[1-4]。相對(duì)于高頻信號(hào)，低頻波段通常具有良好的地表和葉簇穿透性能，且SAR工作帶寬越大，圖像分辨率越高，可以更好地進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別。

電離層廣泛分布在地球上空60～1 000 km范圍內(nèi)，衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度均在電離層之上或之中，其信號(hào)不可避免要兩次穿其而過(guò)受到影響[5]。電離層對(duì)星載SAR系統(tǒng)的影響主要包括色散、閃爍和法拉第旋轉(zhuǎn)三類(lèi)[6-8]。大尺度的電離層色散會(huì)引起SAR信號(hào)帶寬內(nèi)不同頻點(diǎn)的回波延遲不同，從而導(dǎo)致相位畸變，最終破壞了圖像距離向成像質(zhì)量。并且頻段越低、帶寬越大，色散效應(yīng)越明顯，其影響主要包括距離向圖像平移、分辨率下降和不對(duì)稱(chēng)畸變等。目前JAXA發(fā)射的ALOS PALSAR(L波段)和ESA在研的BIOMASS SAR(P波段)雖然頻段較低，但相對(duì)帶寬較小，電離層色散影響可以忽略[9-11]。由于電離層中小尺度不規(guī)則體主要會(huì)引起雷達(dá)回波的隨機(jī)起伏現(xiàn)象，即電離層閃爍，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致方位向信號(hào)相干性下降，從而引起方位向圖像分辨率下降。即使發(fā)生較弱強(qiáng)度的電離層閃爍，也會(huì)明顯降低圖像質(zhì)量。JPL研究人員曾統(tǒng)計(jì)了南美地區(qū)近三千景ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)約14%的場(chǎng)景受到了電離層影響[12-13]。由于地磁場(chǎng)和電離層電子密度共同的影響，SAR發(fā)射的線(xiàn)性信號(hào)在穿過(guò)電離層時(shí)會(huì)分解為旋轉(zhuǎn)方向相反、能量相等的圓極化波，當(dāng)穿過(guò)整個(gè)電離層區(qū)域后，電波又合成為線(xiàn)極化波，但此時(shí)的極化偏振方向相對(duì)于初始方向有一個(gè)角度偏差，這個(gè)角度即為法拉第旋轉(zhuǎn)角。法拉第旋轉(zhuǎn)角的存在會(huì)破壞全極化SAR散射矩陣信息，即散射矩陣互易性，引起地物分類(lèi)偏差。對(duì)于P波段來(lái)說(shuō)，法拉第旋轉(zhuǎn)角最大可超過(guò)360°，而L波段可以超過(guò)45°，嚴(yán)重影響全極化SAR數(shù)據(jù)應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著強(qiáng)穿透性和高分辨率等方面的需求，星載SAR的發(fā)展趨勢(shì)之一是更低的工作頻率和更高的相對(duì)帶寬，電離層效應(yīng)成為系統(tǒng)研制的核心問(wèn)題之一。其中，法拉第旋轉(zhuǎn)角除了會(huì)引起信號(hào)極化偏轉(zhuǎn)外，還會(huì)對(duì)寬帶模式引入極化色散誤差，相關(guān)文獻(xiàn)分析了其對(duì)寬帶成像質(zhì)量的影響[14-15]。傳統(tǒng)電離層色散模型是將回波進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，若零次相位誤差沿方位向發(fā)生隨機(jī)起伏現(xiàn)象(即電離層閃爍)，會(huì)使方位向分辨率急劇下降，而一次項(xiàng)、二次項(xiàng)以及三次項(xiàng)分別會(huì)導(dǎo)致距離向圖像平移、脈沖展寬和不對(duì)稱(chēng)畸變等問(wèn)題，從而破壞了圖像距離向成像質(zhì)量[16-18]。針對(duì)現(xiàn)有低頻窄帶SAR情況，相位誤差二次和三次項(xiàng)較小，可以忽略，泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)成為分析電離層各階誤差對(duì)SAR成像質(zhì)量影響的最常用方法。然而，當(dāng)?shù)皖lSAR信號(hào)相對(duì)帶寬增大時(shí)，基于泰勒級(jí)數(shù)建立的電離層影響模型由于非正交性，會(huì)導(dǎo)致較大的評(píng)估誤差。作者前期建立了三階勒讓德級(jí)數(shù)誤差[19]，雖然解決了正交誤差并被應(yīng)用于冰凍圈次表層SAR探測(cè)系統(tǒng)[20]，但仍不滿(mǎn)足更大相對(duì)帶寬情況。本文在此基礎(chǔ)上將回波擴(kuò)展至五階誤差模型，從而能夠更加精確地評(píng)估電離層對(duì)SAR成像的影響，不僅適用于現(xiàn)有窄帶SAR系統(tǒng)，也能夠適用于未來(lái)大帶寬低載頻SAR系統(tǒng)。在電離層誤差補(bǔ)償方面，本文可分為圖像色散補(bǔ)償以及極化散射矩陣補(bǔ)償。目前最直接的補(bǔ)償方式是通過(guò)第三方外設(shè)設(shè)備來(lái)探測(cè)電離層信息，進(jìn)而對(duì)SAR系統(tǒng)進(jìn)行校正[21]。常用的探測(cè)電離層設(shè)備主要包括電離層垂測(cè)儀、非相干散射雷達(dá)以及雙頻GNSS接收機(jī)等。然而，在嘗試將現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)得到的電離層信息進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，在路徑一致性、精度、分辨率以及建設(shè)成本等方面，均無(wú)法很好地滿(mǎn)足SAR系統(tǒng)要求。因此，測(cè)量回波本身信息，進(jìn)而得到路徑上的電離層值進(jìn)行自補(bǔ)償，是更優(yōu)的解決方案。本文首先基于自聚焦迭代算法進(jìn)行電離層色散誤差補(bǔ)償，其原理是SAR信號(hào)在經(jīng)過(guò)電離層后調(diào)頻斜率或持續(xù)時(shí)間發(fā)生了變化，測(cè)量回波調(diào)頻斜率或持續(xù)時(shí)間的變化量，可得到路徑上的總電子含量值，進(jìn)而補(bǔ)償電離層影響。其次，當(dāng)全極化SAR信號(hào)在電離層中傳播后，回波散射矩陣的互易性會(huì)受到破壞，本文通過(guò)測(cè)量圓極化基回波散射矩陣不同元素之間的差異，可反演出路徑的法拉第旋轉(zhuǎn)角信息(FRA)，進(jìn)而進(jìn)行散射矩陣自補(bǔ)償，滿(mǎn)足SAR極化系統(tǒng)的誤差修正要求。

類(lèi)似于GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初將電離層作為主要誤差[22]，而后迅速成為電離層探測(cè)常用手段的思路，星載低頻SAR回波由于攜帶有豐富的電離層信息，可為電離層探測(cè)提供新的手段?；诖?，本文首先利用星載全極化PALSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層總電子含量(TEC)反演，其精度和分辨率均比天基GPS提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[8]。這種新體制的電離層探測(cè)技術(shù)充分利用了SAR信號(hào)的收發(fā)共用天線(xiàn)雙程傳播特點(diǎn)，無(wú)需地面設(shè)置接收站或觀(guān)測(cè)站，因此更加容易實(shí)現(xiàn)。此外，本文將PALSAR數(shù)據(jù)與地面垂測(cè)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，聯(lián)合探測(cè)電離層電子密度剖面，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果顯示其比僅垂測(cè)儀精度普遍提高30%以上[16]。將SAR獲取的電離層信息融合到傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中，可最大程度發(fā)揮其在電離層探測(cè)領(lǐng)域的潛力，提升傳統(tǒng)電離層探測(cè)能力。

2 星載SAR的電離層誤差機(jī)理

目前在研或在軌的低頻SAR衛(wèi)星均是窄帶系統(tǒng)，因此現(xiàn)有關(guān)于電離層影響的建模建立在泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)基礎(chǔ)上。根據(jù)電離層折射指數(shù)隨頻率的變化，回波會(huì)附加一個(gè)額外相位，即：

式中：f0為信號(hào)中心頻率；fτ為回波頻譜；B為信號(hào)帶寬；A=40.28為常數(shù)；c為光速；TEC為路徑受到的電離層總電子含量。在中心頻率處對(duì)上式進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)至三次項(xiàng)可得：

Δφiono(fτ)≈

Δφ0(fτ)+Δφ1(fτ)+Δφ2(fτ)+Δφ3(fτ)

(1)

零次項(xiàng)Δφ0(fτ)會(huì)影響到方位向成像質(zhì)量，尤其是發(fā)生電離層閃爍時(shí)，其在方位向每個(gè)采樣點(diǎn)回波的隨機(jī)起伏，引起方位散焦。根據(jù)傅里葉變換的時(shí)頻關(guān)系，一次項(xiàng)Δφ1(fτ)與距離向圖像平移量有關(guān)，二次項(xiàng)Δφ2(fτ)會(huì)導(dǎo)致匹配濾波器失配問(wèn)題，從而引起脈壓后的主瓣展寬，而三次項(xiàng)Δφ3(fτ)會(huì)引起脈壓后旁瓣的不對(duì)稱(chēng)畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起虛假目標(biāo)的出現(xiàn)。針對(duì)窄帶系統(tǒng)，上述泰勒級(jí)數(shù)模型足以滿(mǎn)足研究需求。相關(guān)研究表明，現(xiàn)有的低頻星載SAR系統(tǒng)(例如PALSAR和BIOMASS SAR)由于相對(duì)帶寬較小，二次及以上的誤差項(xiàng)可忽略不計(jì)，式(1)的分析模型足以準(zhǔn)確評(píng)估電離層影響。然而，著眼于地下隱藏目標(biāo)的高分辨識(shí)別等需求，工作在低頻波段的星載SAR系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)之一是朝著更大的相對(duì)帶寬設(shè)計(jì)。前期的論證顯示[19]，若依然用各項(xiàng)不正交的泰勒級(jí)數(shù)對(duì)電離層誤差進(jìn)行分析，由于高次項(xiàng)中包含的低次項(xiàng)成分也相應(yīng)增大，此時(shí)再分析各階次對(duì)圖像影響時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。圖1(a)所示為基于公式(1)中的三次誤差項(xiàng)，載頻435 MHz，帶寬100 MHz，可以看到此時(shí)三次誤差項(xiàng)含有明顯的線(xiàn)性項(xiàng)(虛線(xiàn)所示)，即一次項(xiàng)，此時(shí)再評(píng)估三次誤差對(duì)SAR成像影響會(huì)受到其中的線(xiàn)性項(xiàng)干擾。

為了解決此問(wèn)題，滿(mǎn)足超寬帶需求，本文利用正交的勒讓德級(jí)數(shù)進(jìn)行電離層影響分析，并且在前期的工作基礎(chǔ)上[19]，分析零至五階誤差，此時(shí)完全滿(mǎn)足未來(lái)超寬帶以及極端的電離層條件。同樣的，受到電離層影響的回波經(jīng)過(guò)勒讓德級(jí)數(shù)展開(kāi)后，其零階Δφ0Le(fτ)至五階Δφ5Le(fτ)表達(dá)式可寫(xiě)為：

圖1 泰勒展開(kāi)和勒讓德展開(kāi)中的三次相位誤差Fig.1 Cubic phase error derived from Taylor series expansion and Legendre orthogonal polynomials

(2)

為了與泰勒級(jí)數(shù)模型比較，圖1(b)展示了式(2)中三次相位誤差的結(jié)果，參數(shù)與圖1(a)相同?？梢钥吹剑捎诶兆尩履Ｐ途哂姓恍?，即高階誤差項(xiàng)不含有低階誤差項(xiàng)，此時(shí)的三次相位誤差不含有線(xiàn)性項(xiàng)，可以準(zhǔn)確地量化評(píng)估三次誤差對(duì)SAR圖像的影響。勒讓德模型這種特點(diǎn)不僅適用于現(xiàn)有窄帶SAR系統(tǒng)，更加適用于未來(lái)低頻超寬帶SAR系統(tǒng)的電離層誤差評(píng)估。只有準(zhǔn)確地了解電離層如何影響SAR回波，才能更加精確地補(bǔ)償電離層誤差。

3 電離層誤差補(bǔ)償

3.1 電離層色散補(bǔ)償

電離層的色散特性會(huì)引起SAR回波不同頻點(diǎn)回波時(shí)延不同，經(jīng)過(guò)電離層雙程傳播后，回波的變化量為：

式中：fstart=f0+B/2；fstop=f0-B/2?；夭ǖ恼{(diào)頻斜率相應(yīng)地變?yōu)椋?/p>

Kr_i=-B/Tp_i

式中：Tp_i=Tp+ΔTiono，Tp為理想情況下的回波持續(xù)時(shí)間。因此當(dāng)與匹配濾波器進(jìn)行匹配時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)失配現(xiàn)象?；谝陨霞僭O(shè)，利用雙頻自聚焦方法就可補(bǔ)償電離層色散的影響。具體算法原理是通過(guò)不斷迭代改變匹配濾波器的調(diào)頻斜率(即持續(xù)時(shí)間)，每次改變都與回波信號(hào)進(jìn)行匹配脈壓。當(dāng)?shù)玫揭唤M脈壓結(jié)果后，選擇峰值旁瓣比最小或振幅最大結(jié)果，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的參考函數(shù)持續(xù)時(shí)間或調(diào)頻斜率就與回波相同，那么就可以得到回波持續(xù)時(shí)間的改變量ΔTiono，從而反推出路徑上的TEC值進(jìn)行補(bǔ)償：

圖2所示的場(chǎng)景散射數(shù)據(jù)來(lái)源為世界時(shí)2007年2月27日14時(shí)32分中國(guó)曹妃甸地區(qū)的PALSAR數(shù)據(jù)，仿真參數(shù)與圖1一致。經(jīng)電離層模型IRI-2012查詢(xún)得知此時(shí)對(duì)應(yīng)的電離層總電子密度約為13.6TECU，對(duì)場(chǎng)景回波加入該電離層誤差，認(rèn)為是真實(shí)受到的電離層影響，同時(shí)添加場(chǎng)景噪聲，信噪比為10 dB，基于蒙特卡洛仿真1 000次。圖2(a)為受電離層干擾的場(chǎng)景圖像，圖2(b)為場(chǎng)景(a)中圓圈點(diǎn)目標(biāo)距離向圖像，補(bǔ)償前脈壓結(jié)果的峰值旁瓣比和積分旁瓣比分別為-0.14 dB和1.3 dB，可以看到幾乎不能成像。通過(guò)迭代反演后，反演得到的TEC值為14TECU，與真實(shí)值相近。圖2(d)為補(bǔ)償后的場(chǎng)景圖像，圖2(e)補(bǔ)償后的點(diǎn)目標(biāo)距離向圖像峰值旁瓣比和積分旁瓣比分別為-12.1 dB和-9.5 dB，相比補(bǔ)償前，圖像脈壓質(zhì)量明顯得到了改善。圖2(c)和(f)表明補(bǔ)償前后方位向圖像幾乎不受影響。

3.2 法拉第旋轉(zhuǎn)角誤差補(bǔ)償

當(dāng)考慮法拉第旋轉(zhuǎn)角誤差時(shí)，全極化SAR測(cè)量到的散射矩陣M為：

(3)

式中：Ω為法拉第旋轉(zhuǎn)角；S矩陣為地面真實(shí)待反演散射信息；下標(biāo)h和v分別代表水平極化和垂直極化方式。由于FRA的存在，測(cè)量得到的M矩陣不能真實(shí)反映地面S矩陣信息。因此，本文基于散射矩陣M反演FRA，進(jìn)而補(bǔ)償相應(yīng)系統(tǒng)誤差。目前已有多種經(jīng)典的反演算法[23-25]，綜合不同系統(tǒng)誤差，其中最常用的圓極化基算法將式(3)轉(zhuǎn)換為：

式中：Z矩陣為M矩陣在圓極化基下的結(jié)果，那么反演的FRA為：

即可得到全極化SAR所受到的FRA大小，最后代入散射矩陣進(jìn)行補(bǔ)償。作為驗(yàn)證補(bǔ)償效果的例子，圖3所示即為法拉第旋轉(zhuǎn)角補(bǔ)償結(jié)果，選用內(nèi)蒙古呼倫貝爾ALOS PALSAR全極化數(shù)據(jù)。一般情況下，全極化SAR滿(mǎn)足互易性，即Mvh=Mhv，交叉極化通道相等，但由于FRA的存在破壞了互易性。圖3(a)所示為全極化數(shù)據(jù)修正前交叉極化通道之間的差異，即|Mvh-Mhv|。理想情況下互易性會(huì)使交叉極化通道數(shù)據(jù)相等，那么圖像中應(yīng)為暗的，灰度值為0。但法拉第旋轉(zhuǎn)角誤差會(huì)破壞互易性，造成圖中所示的亮區(qū)域，亮度越大，表明誤差越大。當(dāng)將基于散射矩陣信息反演得到的FRA值帶入到回波中進(jìn)行補(bǔ)償后，即：

(4)

本文使用的PALSAR原始數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)阿拉斯加衛(wèi)星接收站，官網(wǎng)給出了每景全極化PALSAR場(chǎng)景由第三方測(cè)量得到的法拉第旋轉(zhuǎn)角，以供使用者補(bǔ)償之用。因此我們也利用官網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償并與我們的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用官網(wǎng)數(shù)據(jù)校正后的互易偏差結(jié)果如圖3(c)，校正后歸一化灰度均值為0.046 2?？梢钥吹焦倬W(wǎng)第三方數(shù)據(jù)也降低了圖像亮度，但比較而言，基于回波自補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果比第三方結(jié)果可進(jìn)一步降低27%，這說(shuō)明利用PALSAR數(shù)據(jù)反演法拉第旋轉(zhuǎn)角具有更高的精度，比第三方數(shù)據(jù)能夠更好地補(bǔ)償SAR系統(tǒng)本身的法拉第旋轉(zhuǎn)角誤差。

圖2 電離層色散補(bǔ)償Fig.2 Ionospheric dispersion compensation of SAR

圖3 電離層法拉第旋轉(zhuǎn)角補(bǔ)償Fig.3 Ionospheric FRA compensation

4 基于全極化SAR的電離層探測(cè)

4.1 全極化PALSAR反演TEC

由于全極化SAR能夠反演得到精確的路徑法拉第旋轉(zhuǎn)角，再根據(jù)地磁場(chǎng)模型(IGRF)，就可以進(jìn)一步推算出路徑的TEC值。

式中：B0為400 km高度磁感應(yīng)強(qiáng)度；θ為射線(xiàn)與磁場(chǎng)矢量夾角。前期選用四景阿拉斯加地區(qū)PALSAR-1和PALSAR-2全極化數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。所得到的結(jié)果與相同時(shí)間阿拉斯加非相干散射雷達(dá)(ISR)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，這是因?yàn)镮SR是目前地面監(jiān)測(cè)電離層最強(qiáng)大、最準(zhǔn)確的設(shè)備，是進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證的理想手段。驗(yàn)證結(jié)果如表1所示[16]，可以看到PALSAR所得到的結(jié)果與ISR結(jié)果符合較好，誤差最大不超過(guò)0.8TECU，而IGS公布的GPS反演精度僅為2～9TECU。此外，JPL研究人員利用PALSAR的高分辨率特性，得到了千米量級(jí)電離層異常結(jié)構(gòu)，包括極區(qū)極光弧、中緯度槽、行進(jìn)式電離層擾動(dòng)以及電離層閃爍等現(xiàn)象，而GPS僅能得到上百千米分辨率電離層信息[12]。因此，利用PALSAR反演電離層信息，無(wú)論精度還是分辨率，均優(yōu)于現(xiàn)有天基GNSS探測(cè)技術(shù)，且SAR的雙程傳播特性也無(wú)需在地面建立接收站，更加容易實(shí)現(xiàn)。

表1 全極化SAR與ISR反演結(jié)果比較

4.2 全極化PALSAR/垂測(cè)儀聯(lián)合反演

垂測(cè)儀可直接測(cè)量峰值高度以下電子密度信息，而對(duì)于峰值以上電子密度，一種常用的推算模型為α-Chapman模型：

式中：Ne為電子密度；NmF2為F2層峰值高度hmF2的電子密度；h為對(duì)應(yīng)探測(cè)高度。NmF2和hmF2均可從垂測(cè)儀直接測(cè)量得到，而傳統(tǒng)方法中標(biāo)高HT是用垂測(cè)儀下剖面電子密度數(shù)據(jù)推算得到，例如DIDB公布的結(jié)果[26]，但這種方法未用到上剖面信息，精度難以保證。事實(shí)上，在已知上剖面總電子含量TECT情況下，可推導(dǎo)出標(biāo)高與TECT的近似關(guān)系式，即：

式中：Hs為衛(wèi)星運(yùn)行高度，此時(shí)可看出標(biāo)高只由TECT確定，其他參數(shù)均已知。TECT又可由天基全極化SAR反演的TEC值減去垂測(cè)儀測(cè)量得到的下剖面TEC值得到。本文首先利用秘魯Jicamarca處的非相干散射雷達(dá)2002年6月12日2時(shí)到4時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行半物理仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)中所有非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)均為真實(shí)數(shù)據(jù)，垂測(cè)儀數(shù)據(jù)來(lái)自于DIDB數(shù)據(jù)庫(kù)，PALSAR則選取此地某景定標(biāo)補(bǔ)償后的散射矩陣數(shù)據(jù)，通過(guò)前文圓極化基仿真反演得到TEC值。圖4所示的即為反演結(jié)果，經(jīng)過(guò)計(jì)算，3個(gè)時(shí)間段的精度分別比僅垂測(cè)儀數(shù)據(jù)提高了88%、45%以及76%，可以看到，融合后的結(jié)果使得電子密度上剖面精度有了明顯的提升。

此外，由于同時(shí)間同地點(diǎn)同時(shí)有PALSAR、垂測(cè)儀和ISR數(shù)據(jù)的條件極為苛刻，因此目前僅有這一例可作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。前期的驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示[16]，點(diǎn)實(shí)線(xiàn)為ISR反演結(jié)果，可認(rèn)為是真實(shí)值，虛線(xiàn)為僅垂測(cè)儀觀(guān)測(cè)結(jié)果，實(shí)線(xiàn)為PALSAR和垂測(cè)儀聯(lián)合觀(guān)測(cè)結(jié)果?？梢钥吹剑捎诖箿y(cè)儀不能直接反演上剖面數(shù)據(jù)，與真實(shí)值有明顯差異，而通過(guò)PALSAR進(jìn)行修正后，上剖面結(jié)果更加接近真實(shí)情況，偏差降低了30.41%，驗(yàn)證了原理的正確性。

圖4 垂測(cè)儀和PALSAR聯(lián)合反演電子密度剖面仿真結(jié)果Fig.4 Retrieval of electron density from PALSAR and ionosonde with simulations

圖5 垂測(cè)儀和PALSAR聯(lián)合反演電子密度剖面實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 Retrieval of electron density from PALSAR and ionosonde with measured data

5 結(jié)論

以低頻星載SAR信號(hào)易受到電離層干擾為出發(fā)點(diǎn)，全面論述和總結(jié)了在電離層影響評(píng)估、誤差補(bǔ)償以及相關(guān)電離層探測(cè)等方面的工作。首先建立了零至五階電離層勒讓德級(jí)數(shù)展開(kāi)模型，避免了傳統(tǒng)模型非正交問(wèn)題，可更加精確地評(píng)估低頻寬帶SAR電離層影響；其次針對(duì)電離層色散和法拉第旋轉(zhuǎn)角兩類(lèi)大尺度誤差機(jī)理，分別基于自聚焦和圓極化基算法開(kāi)展相應(yīng)自補(bǔ)償研究。補(bǔ)償結(jié)果表明，色散自補(bǔ)償仿真精度可在0.4TECU，法拉第旋轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)補(bǔ)償精度比第三方數(shù)據(jù)提高27%?？梢钥吹?，基于回波的信息可有效補(bǔ)償自身電離層誤差，避免了第三方數(shù)據(jù)的缺陷。最后，結(jié)合SAR的高分辨率特點(diǎn)，基于全極化PALSAR數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其在電離層TEC反演、提升傳統(tǒng)電離層探測(cè)能力方面的潛力。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，TEC反演精度可優(yōu)于0.8TECU，PALSAR和垂測(cè)儀聯(lián)合反演比僅垂測(cè)儀的精度提高30%。

為了能夠更大程度發(fā)揮SAR在電離層探測(cè)方面的能力，未來(lái)計(jì)劃將PALSAR和垂測(cè)儀得到的結(jié)果應(yīng)用于電離層層析成像中(CIT)。CIT的重建精度取決于迭代初值的真實(shí)性，而垂測(cè)儀和全極化SAR聯(lián)合反演數(shù)據(jù)恰好可提供精度較高的垂直剖面信息，將此數(shù)據(jù)融合到迭代初值中，能夠顯著提升初值的真實(shí)性，最終改善CIT重建結(jié)果精度。