電離層對(duì)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(dá)(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(duì)地表和植被的強(qiáng)穿透性，受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的重視。但是當(dāng)電波信號(hào)穿過(guò)電離層進(jìn)行傳播時(shí)，空間電離層效應(yīng)會(huì)使其發(fā)生改變。特別是P波段，電離層效應(yīng)尤其嚴(yán)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(duì)電離層對(duì)SAR系統(tǒng)成像性能的影響、分析及誤差補(bǔ)償技術(shù)等成為目前研究的熱點(diǎn)。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(duì)電離層影響下P波段星載SAR成像質(zhì)量和誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展具體的研究工作:
　　(1)基于麥克斯韋方程，推導(dǎo)出電離層對(duì)電波信號(hào)延時(shí)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(guò)程中電離層對(duì)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(dǎo)出背景電離層和不規(guī)則體擾動(dòng)影響下，線性調(diào)頻信號(hào)新脈寬和調(diào)頻率的計(jì)算公式。
　　(2)用建模仿真的方式

3、系統(tǒng)分析電離層對(duì)SAR信號(hào)和成像質(zhì)量的影響規(guī)律，并用點(diǎn)目標(biāo)成像結(jié)果，驗(yàn)證了理論分析和建模仿真的正確性，為后面誤差補(bǔ)償算法的研究提供依據(jù)和支撐。從兩個(gè)方面研究電離層效應(yīng)對(duì)SAR回波信號(hào)和成像質(zhì)量的影響:①色散效應(yīng)對(duì)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(yīng)對(duì)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(dǎo)致的色散誤差補(bǔ)償方法。通過(guò)理論推導(dǎo)和建模仿真的方式，利用最大對(duì)比度自聚焦和隨機(jī)并行梯度算法實(shí)現(xiàn)了星載P波段SAR色散誤差的補(bǔ)償，最終通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證上述方法對(duì)距離向色散誤差補(bǔ)償?shù)挠行?。①利用二次相位誤差會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生散焦的原理，研究了基于最大對(duì)比度的自聚焦算法，通過(guò)對(duì)二次相位誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)圖像的自聚焦;②將自適應(yīng)光學(xué)中使用的隨機(jī)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(píng)價(jià)函數(shù)，采用雙邊擾動(dòng)的方式加快算法收斂速度，通過(guò)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)回波仿真驗(yàn)證算法的有效性和快速性;③通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)窄帶雙頻相關(guān)法測(cè)量電離層TEC，實(shí)現(xiàn)對(duì)色散效應(yīng)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(jìn)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(dǎo)致的閃爍誤差補(bǔ)償方法。在SAR圖像場(chǎng)景特點(diǎn)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(bǔ)償方法，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證上述方法可以有效抑制電離層閃爍效應(yīng)的影響，提高SAR圖像方位向分辨率。①針對(duì)均勻場(chǎng)景下的SAR圖像，將ISAR成像中對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)補(bǔ)償?shù)淖钚§刈跃劢顾惴☉?yīng)用到SAR電離層閃爍誤差補(bǔ)償中，解決了傳統(tǒng)算法無(wú)法對(duì)均勻場(chǎng)景SAR圖像聚焦的問(wèn)題。該方法可以適用于無(wú)明顯強(qiáng)點(diǎn)目標(biāo)且信噪比較低的散焦SAR圖像校正，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了方法的有效性。②