電離層對P波段星載SAR成像影響分析與研究.pdf

1、近幾年星載合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)體制得到迅速發(fā)展，其中P波段星載SAR由于其對地表和植被的強穿透性，受到國內(nèi)外研究學者的重視。但是當電波信號穿過電離層進行傳播時，空間電離層效應會使其發(fā)生改變。特別是P波段，電離層效應尤其嚴重，這些是制約P波段星載SAR發(fā)揮其效能的主要因素，而針對電離層對SAR系統(tǒng)成像性能的影響、分析及誤差補償技術(shù)等成為目前研究的熱點。作為研究工作的基礎(chǔ)，本文在電離層電波

2、傳播理論的基礎(chǔ)上，對電離層影響下P波段星載SAR成像質(zhì)量和誤差補償方法進行系統(tǒng)研究，主要從以下幾個方面開展具體的研究工作:
　　(1)基于麥克斯韋方程，推導出電離層對電波信號延時的影響;然后利用Klein-Gordon方程和星載SAR成像理論，分析了成像過程中電離層對模糊函數(shù)的影響，解釋了脈沖壓縮后圖像質(zhì)量下降的原因;最后推導出背景電離層和不規(guī)則體擾動影響下，線性調(diào)頻信號新脈寬和調(diào)頻率的計算公式。
　　(2)用建模仿真的方式

3、系統(tǒng)分析電離層對SAR信號和成像質(zhì)量的影響規(guī)律，并用點目標成像結(jié)果，驗證了理論分析和建模仿真的正確性，為后面誤差補償算法的研究提供依據(jù)和支撐。從兩個方面研究電離層效應對SAR回波信號和成像質(zhì)量的影響:①色散效應對星載SAR距離向分辨率、圖像位置、峰值旁瓣比、積分旁瓣比、峰值功率等影響;②閃爍效應對星載SAR方位向分辨率、峰值功率、峰值旁瓣比、積分旁瓣比等影響。
　　(3)研究三種由于背景電離層總電子量（Total Electron

4、 Content，TEC）導致的色散誤差補償方法。通過理論推導和建模仿真的方式，利用最大對比度自聚焦和隨機并行梯度算法實現(xiàn)了星載P波段SAR色散誤差的補償，最終通過仿真結(jié)果驗證上述方法對距離向色散誤差補償?shù)挠行?。①利用二次相位誤差會對圖像產(chǎn)生散焦的原理，研究了基于最大對比度的自聚焦算法，通過對二次相位誤差補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)圖像的自聚焦;②將自適應光學中使用的隨機并行梯度(StochasticParallel Gradient Descen

5、t，SPGD)算法引入到匹配濾波函數(shù)的校正中，選取調(diào)頻率為控制參數(shù)，以峰值功率作為性能評價函數(shù)，采用雙邊擾動的方式加快算法收斂速度，通過對點目標回波仿真驗證算法的有效性和快速性;③通過系統(tǒng)內(nèi)窄帶雙頻相關(guān)法測量電離層TEC，實現(xiàn)對色散效應影響下的匹配濾波函數(shù)的校正，并利用校正后的匹配濾波函數(shù)進行匹配濾波，得到校正后的SAR圖像。
　　(4)研究幾種由于小尺度電離層TEC變化導致的閃爍誤差補償方法。在SAR圖像場景特點和閃爍相位誤差模

6、型的基礎(chǔ)上，利用最小熵自聚焦、相位梯度自聚焦、距離向多子孔徑自聚焦等電離層閃爍相位誤差補償方法，通過仿真結(jié)果驗證上述方法可以有效抑制電離層閃爍效應的影響，提高SAR圖像方位向分辨率。①針對均勻場景下的SAR圖像，將ISAR成像中對運動目標補償?shù)淖钚§刈跃劢顾惴☉玫絊AR電離層閃爍誤差補償中，解決了傳統(tǒng)算法無法對均勻場景SAR圖像聚焦的問題。該方法可以適用于無明顯強點目標且信噪比較低的散焦SAR圖像校正，仿真結(jié)果也驗證了方法的有效性。②