一種電離層閃爍對geo sar成像質量影響的預估方法
【專利摘要】本發明公開了一種電離層閃爍對GEO SAR成像質量影響的預估方法，使用本發明能夠預估出GEO SAR成像的質量，以便后續進行補償或者修正處理。本發明所提供的方法通過建立合理的GEO SAR回波模型并利用經典的電離層統計模型，分析不同電離層閃爍強度和合成孔徑時間對GEO SAR方位向成像質量的影響，評價的成像指標包括方位向分辨率、方位向點擴展函數的積分旁瓣比(ISLR)和峰值旁瓣比(PSLR)。通過獲取電離層閃爍的強度參數，以一定改進的公式計算出對GEO SAR成像質量的三指標的數值，從而預估出GEO SAR成像的質量，以便后續進行補償或者修正處理。
【專利說明】-種電罔層閃爍對GEO SAR成像質量影響的預估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及合成孔徑雷達【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 合成孔徑雷達SAR是一種全天候、全天時的高分辨率微波遙感成像雷達，可安裝 在飛機、衛星、導彈等飛行平臺上。自上世紀50年代發明以來，已經在很多領域取得了越來 越廣泛的應用，例如災害控制、植被分析、微波遙感等領域。
[0003] 地球同步軌道合成孔徑雷達GEO SAR是運行在36000km高度地球同步橢圓軌道上 的SAR衛星。相比于低軌SAR(LE0 SAR，軌道高度低于lOOOKm)而言，GEO SAR具有成像范 圍大、重訪時間短、抗打擊與抗摧毀能力強等特點，目前已成為國內外的研究熱點。
[0004] 成像處理是GEO SAR研究的一個重要方面。然而，由于GEO SAR回波信號在傳輸 的過程中要穿過電離層區域并且考慮到GEO SAR特殊的軌道參數，GEO SAR將受到更為嚴 重的電離層干擾。首先，GEO SAR較長的合成孔徑時間可能使得GEO SAR信號受電離層閃 爍影響更嚴重。一方面，電離層閃爍帶來的信號擾動將會在GEO SAR較長的合成孔徑時間 內進行積累，影響GEO SAR的成像工作性能。另一方面對于GEO SAR分鐘量級以上的合成 孔徑時間，GEO SAR在成像過程中將有更大的概率在電離層閃爍高發的赤道和兩極地區遭 遇電離層閃爍的干擾。同時由于GEO SAR的軌道較高，GEO SAR信號將會穿過整個電離層， 所以受到電離層閃爍的概率和影響均比低軌SAR要嚴重，因此考慮上述兩個方面，十分有 必要進行電離層閃爍對GEO SAR影響的預估和分析工作，以便進行合理的系統修正、參數 設計及補償，以提高成像質量實現GEO SAR的良好應用。
[0005] 由于電離層閃爍具有沿GEO SAR慢時間變化的特性，因此電離層閃爍對地球同步 軌道合成孔徑雷達成像的分析方法要解決的核心問題就是確定不同電離層閃爍強度和合 成孔徑時間對GEO SAR方位向成像質量的影響，評價的成像指標包括三個，分別為方位向 分辨率、方位向點擴展函數的積分旁瓣比（ISLR)和峰值旁瓣比（PSLR)，而傳統的方法中計 算上述三個指標均是在成像之后進行的，其中方位向分辨率是在成像之后計算主瓣寬度獲 得分辨率，方位向點擴展函數的積分旁瓣比是成像之后計算所有旁瓣能量積分與主瓣能量 之比獲得，峰值旁瓣比，峰值旁瓣比是成像之后旁瓣能量電平與主瓣能量電平之比，如何在 成像之前就對成像質量進行預估，并進行合理的系統修正、參數設計及補償，以提高成像質 量，在現有的各種GEO SAR的成像研究工作中并未有提及。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明提供了一種電離層閃爍對GEO SAR成像質量影響的預估方法，能 夠通過獲取電離層閃爍的強度參數，以一定改進的公式計算出對GEO SAR成像質量的三指 標的數值，從而預估出GEO SAR成像的質量，以便后續進行補償或者修正處理。
[0007] 為達到上述目的，本發明的技術方案為：該方法包括如下具體步驟：
[0008] 步驟一、針對地球同步軌道合成孔徑雷達GEO SAR，獲取其在電離層閃爍干擾下， 信號傳輸的幅度起伏A(u)和相位起伏?>(ιι),同時獲取信號的幅度閃爍因子S4以及相位起 伏標準差0fW ;其中u為所述GEO SAR的慢時間變量。
[0009] 步驟二、依據步驟一所獲取的數據，分別計算獲得方位向分辨率最大值P _ax、方 位向點擴展函數的積分旁瓣比ISLR以及峰值旁瓣比PSLR。
[0010] n .... n 氣d I . (卜間 l +2 i?,.十 i，，.}，
[0011] 其中α PKA為幅度閃爍展寬系數；相位起伏最大值，=max^Kti)|; 〇3為方位向 天線大小，隊為方位向視數，RE是地球平均半徑，Η為衛星高度，Θ s是地心跨越角。
[0012] ISLR * 10!c>g(%.M + a2S; + 4r：si + r1#);
[0013] 其中?IS_為理想點擴展函數的積分旁瓣比對應的對數取值，為電離層幅相 閃爍交調項引入的方差項；Ω為幅度起伏A (u)的均值。 I+0Q ~ II r V J (?λ?ω Λ)β (i - τ.ω ~~ηω ^)?ω Αω ^ JJ η、 \ m2 /} os max m 2/ ml m.2 ?--- J| K,Jn(2A(mm2))s〇(i ^ τβ)?ωηβω?Η2 L^l^j 件 - % |J Γ(ω",) Σ (2Λ (^,,2 -(?ηη^η(^α)ιΗΜ，α ·?,>.、 ?- y- I +-：- |J α-./(1(2Λ(?,,)).-,；(i - T.Q)ik〇mid(〇m2
[0015] 其中式中，K是沒有單頻幅度誤差時信號的幅度，幅度平方的功率譜的ωηι1 頻率分量，c〇ml的取遍范圍為Si的值，Si為幅度平方的功率譜，相位功率譜中的C0m2 頻率分量，c〇m2的取遍范圍為s2的值，S2為相位功率譜，Γ (c〇ml)為頻點c〇ml對應的 幅度誤差的大小，Λ (ωπ2)為頻點ωπ2對應的相位誤差的大小，Jn(·)表示第一類 第η階貝塞爾函數，ω_為最大旁瓣電平對應的角頻率，氣(i - r.0) = |"?4ΛΛ(? -為理想的信號輸出項，s r，· -Λ-- 7丨為理想信號在wml干擾處產生的成對回 〇\ 7 max m2, 波，，S 0 - Γ, ft* - Ο , - W?，j為理想信號在ωml和ω m2干擾處產生的成對回波， 丨- 是電離層閃爍干擾下的GEO SAR回波信號的包絡，^為距離徙動校正后的時延 量。
[0016] 步驟三、以所述步驟二中計算獲得的方位向分辨率最大值P %、方位向點擴展函 數的積分旁瓣比ISLR以及峰值旁瓣比PSLR作為評價指標對所述GEO SAR成像質量進行評 價。
[0017] 有益效果：
[0018] 本發明所提供的方法能夠通過建立合理的GEO SAR回波模型并利用經典的電離層 統計模型，分析不同電離層閃爍強度和合成孔徑時間對GEO SAR方位向成像質量的影響，評 價的成像指標包括方位向分辨率、方位向點擴展函數的積分旁瓣比（ISLR)和峰值旁瓣比 (PSLR)。通過獲取電離層閃爍的強度參數，以一定改進的公式計算出對GEO SAR成像質量 的三指標的數值，從而預估出GEO SAR成像的質量，以便后續進行補償或者修正處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為GEO SAR成像幾何示意圖；
[0020] 圖2為AJ-Stanford模型的幅度譜和相位譜示意圖；
[0021] 圖3為不同電離層閃爍強度下GE0的成像結果；
[0022] 圖4為不同合成孔徑時間下GE0的成像結果。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0024] 實施例1 :
[0025] 本發明提供了一種電離層閃爍對地球同步軌道合成孔徑雷達成像的分析方法，具 體步驟如下：
[0026] 步驟一、針對地球同步軌道合成孔徑雷達GEO SAR，獲取其在電離層閃爍干擾下， 信號傳輸的幅度起伏A(u)和相位起伏,同時獲取信號的幅度閃爍因子S4以及相位起 伏標準差 0^其中u為所述GEO SAR的慢時間變量。
[0027] 考慮到本發明是分析GEO SAR在電離層閃爍影響下的成像效果，需要在合適的GE0 SAR回波模型和成像算法處理下進行。因此，在本發明在分析成像影響之前，先進行添加電 離層閃爍干擾的GEO SAR成像處理。
[0028] 具體方法如下：
[0029] 如圖1所示，成像坐標系為地球固定坐標系。0表示為地心，衛星位置表示為S，地 面點記作g。為衛星角速度矢量，方向沿軌道面正交方向。v s(u)為衛星速度矢量,rs(u) 為衛星位置矢量。《e(u)為地球自轉角速度矢量，r g(u)為地面點位置矢量，Rsg(u)為衛星 到地面點斜距；
[0030] 根據GEO SAR回波模型，添加了電離層幅度和相位閃爍情況下GEO SAR回波信號 表示為：
[0031] .sM (/,,?) = - Γ,(?),?) exp(]2π!η(? - τΛ(ιφ)exp(；}πΙ：Γ(I, - τΛ(u))2)exp -j ^(ti) j| (I)
[0032] 其中s^a，!!）為電離層閃爍干擾下的GEO SAR回波信號。t和u分別是GEO SAR的快時間和慢時間變量。p (xg, yg, zg)表示歸一化的目標點處的后向散射系數， W(t-TA(U)，U)是信號的包絡，λ為信號載波波長。匕是距離向調頻率，τ?是信號時 延，并且隨慢時間變化。A d_(u)表示為信號向下傳輸時的幅度起伏，Aup(u)表示為信號向 上傳輸時的幅度起伏，A(u) = {Aup(u)，Ad_(u)} ;%_(?)表示為信號向下傳輸時的相位起 伏，為信號向上傳輸時的相位起伏，f<tt) = 。式⑴中，{ ·}中的部 分表示未受電離層閃爍影響的回波信號。其中ta(u)表示為：
[0033]
【權利要求】
1. 一種電離層閃爍對GEOSAR成像質量影響的預估方法，其特征在于，包括如下具體 步驟： 步驟一、針對地球同步軌道合成孔徑雷達GEOSAR，獲取其在電離層閃爍干擾下，信號 傳輸的幅度起伏A(U)和相位起伏供(《)，同時獲取信號的幅度閃爍因子S4以及相位起伏標 準差其中u為所述GEOSAR的慢時間變量； 步驟二、依據步驟一所獲取的數據，分別計算獲得方位向分辨率最大值Pa_x、方位向 點擴展函數的積分旁瓣比ISLR以及峰值旁瓣比PSLR;
其中apkA為幅度閃爍展寬系數；相位起伏最大值灼;Da為方位向天線 大小，隊為方位向視數，Re是地球平均半徑，H為衛星高度，0s是地心跨越角；
其中〇IS_為理想點擴展函數的積分旁瓣比對應的對數取值，ffL為電離層幅相閃爍 交調項引入的方差項；Q為幅度起伏A(U)的均值；
其中式中，K是沒有單頻幅度誤差時信號的幅度，幅度平方的功率譜的COml頻率 分量，《ml的取遍范圍為S1的值，S1為幅度平方的功率譜，相位功率譜中的《m2頻率 分量，《m2的取遍范圍為S2的值，S2為相位功率譜，r(COml)為頻點COml對應的幅度 誤差的大小，A(COm2)為頻點COm2對應的相位誤差的大小，Jn(_)表示第一類第n階 貝塞爾函數，為最大旁瓣電平對應的角頻率，r，0) =Mt.,辦-r. ?>1?為理 想的信號輸出項，sG-r,〇 - 為理想信號在wml干擾處產生的成對回波， 〇、3maxm2 ^1111 氣-觀Ptn2)為理想信號在《ml和《m2干擾處產生的成對回波，-f5?) 是電離層閃爍干擾下的GEOSAR回波信號的包絡q為距離徙動校正后的時延量； 步驟三、以所述步驟二中計算獲得的方位向分辨率最大值P%、方位向點擴展函數的積 分旁瓣比ISLR以及峰值旁瓣比PSLR作為評價指標對所述GEOSAR成像質量進行評價。
【文檔編號】G01S13/90GK104267382SQ201410492168
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月23日 優先權日:2014年9月23日
【發明者】胡程, 曾濤, 龍騰, 李元昊, 毛二可, 董錫超 申請人:北京理工大學