P波段ISAR信号电离层污染相位校正方法

周　芳, 张佳佳, 孙光才, 邢孟道

(1. 西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室, 陕西 西安 710071;

2. 合肥工业大学计算机与信息学院, 安徽 合肥 230009)



P波段ISAR信号电离层污染相位校正方法

周芳1,2, 张佳佳1, 孙光才1, 邢孟道1

(1. 西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室, 陕西 西安 710071;

2. 合肥工业大学计算机与信息学院, 安徽 合肥 230009)

摘要：P波段合成孔径雷达具有一定的穿透性,在军事和民用具有重要前景。利用地基P波段雷达对电离层中空间目标进行监测时,电离层会影响雷达回波信号相位。通过建模和仿真,对电离层的时空变化对雷达回波相位的影响进行了定性和定量分析,基于平移相关法提出了一种电离层参数估计方法,并利用估计的电离层参数对雷达回波相位进行校正,消除了电离层对雷达回波的污染,还原了目标图像。仿真实验及实测结果验证了该算法的有效性。

关键词：电离层; P波段; 逆合成孔径雷达; 平移相关法

0引言

地球电离层是近地空间环境的重要组成部分,主要分布于地面60 km以上的大气层中。利用地基逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar, ISAR)对空间目标(人造卫星或空间碎片)进行监控时,由于大部分人造卫星都处于电离层范围内,雷达电磁波在电离层传播过程中会与带电粒子相互作用,导致电磁波的延时、色散、衰减以及折射等,且频率越低影响越为严重[1-2]。

自20世纪八九十年代开始,低频段、大带宽成为雷达系统发展的一个重要方向,利用低频段信号(VHF/UHF/L/P)的穿透特性进行目标监测的优势也引起关注。但长波信号受电离层的影响十分明显,回波信号幅度被削弱、相位严重恶化,从而难以形成高质量图像,在一定程度上限制了长波雷达的发展和应用。国内外学者对恢复受电离层影响的电磁波已进行了部分研究[3-8],但P波段的实测校正研究目前较少。文献[5]针对超高频段(ultra high frequency, UHF)信号分析了电离层对SAR雷达信号分辨率和成像位置的影响。文献[6-7]分别研究了电离层对VHF波段和L波段的地基雷达对空间目标ISAR成像时的电离层影响,并提出了校正方法。文献[8]给出了一种通过测量P波段回波时宽展宽量的校正方法,这种方法需要微秒级的测量精度,在存在杂波时难以实际应用。

本文研究的P波段ISAR雷达信号电离层污染相位校正,是新体制卫星导航和雷达系统技术发展的需要,对低波段SAR成像雷达平台的建设具有重要的理论借鉴意义。本文第1节通过采用建模和仿真的方法,定性和定量分析了电离层对成像雷达信号的影响。第2节研究了电离层对P波段雷达信号相位的污染,提出了基于回波数据的一种背景电离层污染估计及校正方法。该方法能够有效反演出电离层的特性参数,并对回波数据进行有效补偿,提高成像结果的聚焦效果。第3节对文章提出的算法进行了仿真和实测数据验证。第4节对文章进行了总结。

1电离层对传播相位的影响建模

在太阳照射均匀的条件下,由于地球重力的作用,大气温度及气体成分随高度分布,构成球面分层大气层。根据分层大气层模型也为了便于理论分析以及仿真,选用经典Chapman模型对电离层进行建模[5,7-8]

(1)

式中，ζ=(z-zm)/H;Ne为电子浓度;z为高度;Nm为最大电子浓度;zm为对应的高度;H为大气标高。在Nm=2×1012e-/m3;zm=320 km,H=50 km时,某时刻电离层Chapman模型电子浓度分布图如图1所示。

图1　电离层电子浓度沿高度分布剖面

Chapman模型较好的说明了大气层中不同高度区域中的电子密度不同。传播路径上电子浓度的总和,称为积分电子总量(total electron content,TEC),定义为NTEC=∫Ne(z)dl,单位为e-/m2,它是表征电离层对电磁波影响程度的一个重要参数。背景电离层是随时间变化的,在宁静电离层情况下,NTEC变化率很小(平均大概0.2 TECU/s,1 TECU=1016e-/m2),但是当电离层高度活动期间(太阳风,耀斑,磁暴等),则TEC快速变化,可能会导致接收机失锁。

由电磁波理论可知,电磁波在等离子体中传播会发生色散现象,不同频率的电磁波具有不同的传播路径。雷达发射的电磁波分为载波和包络波,载波和包络波的传播分别为相速度和群速度,在真空中两者是相等的且都等于光速[1-3]。常规SAR成像发射电磁波为调频波,调频波穿过电离层时,电离层会改变载波相位的变化速度,使相速度大于光速。从而,相对于真空,电离层的存在缩短了载波的相路径长度,导致了相位超前

(2)

式中,b=e2/2ε0m,e为电子电量,m为电子质量,ε0为自由空间中介电常数；ω=2πf为载波角频率；C为光速。由式(2)可见,电离层引入的相位Δφ与载波频率ω和积分电子总量NTEC有关。电磁波中的不同频率成分的相位变化不一致,产生回波信号的失真,带来成像困难,需要在成像处理时进行校正。

在图1参数的Chapman模型下,P波段中(300 MHz~1 GHz)不同频率的电磁波对应的电离层折射率[1]分布及相位超前量分布结果分别见图2(a)和图2(b)所示。由图2(a)可见,电磁波频率越低,折射率越高,那么电磁波在电离层中传播路径越长,积分电子总量NTEC越大,受电离层影响将越严重。由图2(b)可见,在相同的雷达波束入射电离层角度下,对于500 km处的目标,随着载波频率的降低相位超前量也随之增加,相路径偏移会对回波相位造成较大的污染。

图2　电离层对不同频率电磁波的影响

2电离层相位污染估计及校正

2.1电离层相位污染

由于成像雷达发射调频波,成像也是基于调频回波的相位,因此需要对相位超前量Δφ进行详细分析。设地基ISAR雷达发射线性调频脉冲信号存在电离层影响时,雷达接收到的线性调频回波信号在距离频域可表示为

(3)

式中，fr为距离频率;Sr_ideal为理想回波信号;Δφp(f)为电离层引起的双程相位超前量,它仅与电磁波频率f相关,且f∈fc+[-B/2,B/2]。对Δφp(f)在每个子脉冲的中心频率fc处进行泰勒展开,记fr=f-fc,则结合式(2),双程相位超前量可表示为

(4)

下面分别对电离层污染相位Δφp对距离偏移量和散焦影响进行定性分析。信号带宽为50 MHz,载频分别为300MHz、500MHz、700MHz时,不同TEC条件下回波距离偏移量如图3(a)~图3(c)所示,不同TEC条件下距离散焦量如图3(d)~图3(f)所示。可见,由于电离层对信号的污染,回波包络发生距离向偏移,距离向脉冲压缩质量明显下降,主瓣展宽、旁瓣升高。并且随着工作频率的降低,距离偏移和散焦情况越发严重,愈发无法对点目标进行定位和区分。

图3　不同TEC条件下电离层对回波污染分析

2.2电离层TEC参数反演

如果可以利用合作目标的轨道参数,对回波信号进行距离脉压和走动校正及耦合相位补偿,去除回波中目标运动的影响。之后,通过对距离向散焦量的估计,得到由电离层引入的距离频率的二次项的系数,那么就可以反演得到背景电离层的重要参数NTEC,从而可以对电离层污染相位进行校正。

设补偿后的信号为

(5)

为了估计出距离频域二次项的系数a,从而反演得到电离层参数NTEC,可以利用地图漂移算法[9]、图像对比度算法[10]、图像最小熵算法[11-12]、平移相关法(shift-and-correlation,SAC)[13]等。本节利用SAC的思想,利用距离频域数据对进行粗估计,再根据最小熵算法通过迭代得到精细的估计值。

2.2.1粗估计方法

频域估计方法示意图如图4(a)所示。将一次距离频域信号分为左右两个频带,对两个子频带分别进行频移,使之关于中心频率对称,得到

(6a)

(6b)

(7a)

(7b)

于是,可以从前后子频带之间的时移差量δ=aB/2π估计出距离频域二次项的系数a。

将式(7a)与式(7b)共轭相乘,得到

S1(fr)·conj(S2(fr))=exp(-jabfr)

(8)

(9)

图4　频域估计算法示意图

2.2.2精估计方法

步骤 1设定搜索步长ε;

步骤 2建立一维搜索电离层参数向量α(m),记为α(m)=[-M ε,…,-ε,0,ε,…,M ε],其中参数m为m∈[-M,…,-1,0,1,…,M];

步骤 5若mmin=±M,扩大步长ε,令ε=2ε,转到步骤2,否则转到步骤6;

(10)

2.2.3估计精度分析

图5　不同残留误差时回波距离散焦量分析

3实验结果

3.1仿真验证

本节对文中给出的特性估计及参数反演方法进行仿真验证。

首先,对电离层电子密度分布进行仿真。如第2.1节所述,对背景电离层的电子密度的垂直分布可采用Chapman分布来描述。对水平层内的电子密度随机起伏分布采用粗糙表面的电波散射仿真中常用的一维随机表面生成技术[9]来描述。融合电子密度的垂直和水平分布,得到电离层电子密度的全空间分布。

其次,根据仿真中地基ISAR发射的信号参数和目标运动参数得到理想的回波信号,再结合电离层电子密度的全空间分布,确定信号传播的真实路径和电子积分总量TEC,构建出实际的被电离层污染的回波信号。设置zm平滑波动10%、不规则体扰动5%,分别得到最大电子浓度所在高度zm随方位时间的垂直变化和最大电子浓度Nm随方位时间的水平变化,从而利用Chapman模型可以构建出电离层电子密度的全空间分布。由此,确定了整个空间中电离层分布的三维模型。

在表1的仿真参数下进行一组对比仿真实验,对第2节提出的电离层污染相位校正算法进行验证。以80 m×30 m×20 m的空间卫星为仿真模型,目标共有500个散射点。在仿真构建的电离层空间模型中,不同载频信号的传播路径不同,对应的电离层参数NTEC不同,所受相位污染亦不相同,此外不同载频信号的方位分辨力不同。

表1　仿真参数

3种载频信号对空间目标RD算法直接成像结果分别如图6(a)~图6(c)所示,可见由于电离层的污染,越低载频信号的成像距离偏移越大,聚焦效果越差,无法对目标进行有效辨认。

利用本节提出的估计方法,对电离层带来的二次散焦量进行粗估计和精估计,并利用估计得到的电离层参数NTEC对ISAR雷达回波进行补偿。图6(d)~图6(f)分别为不同载频信号电离层污染相位校正后的成像结果,图6(g)~图6(i)为无电离层污染时对应的成像结果。从图6可见载频越低图像的方位分辨力越低,但经过电离层污染相位校正之后,方位可以聚焦,目标形状可以辨识。比较图6(d)~图6(f)和图6(g)~图6(i)可知,本文提出的电离层相位污染校正方法真实有效。

图6　污染相位校正成像结果

图7　电离层参数估计结果

从图7可见,估计误差为10-3个TECU,远小于1个TECU,此时已经满足补偿的精度。

3.2实测数据分析

图8给出一组P波段20 MHz窄带雷达对国际空间站观测的实测数据处理结果。图8(a)为对单次回波进行SAC粗估计偏移结果,图8(b)为该次实测数据的直接ISAR成像结果,图8(c)为采用本文方法对电离层污染相位进行校正后的成像结果,可见经过校正成像聚焦效果得到了较大的提升。

图8　实测数据结果

4结论

本文的研究成果为开展P波段电离层效应抑制方法提供了依据,能够有效去除由背景电离层带来的相位污染,有利于发展地基低波段ISAR进行空间目标监测。此外,电离层对P波段ISAR信号进行研究能够促进P波段星载SAR发展,对国家空间信息基础平台的建设具有重要的理论意义和应用价值。

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周芳(1987-),女,讲师,博士,主要研究方向为高分辨合成孔径雷达和逆合成孔径雷达信号处理。

E-mail: zhoufang@hfut.edu.cn

张佳佳(1986-),男,工程师，博士,主要研究方向为高分辨合成孔径雷达成像和动目标成像。

E-mail: plusharp@gmail.com

孙光才(1984-),男,讲师,博士,主要研究方向为高分辨合成孔径雷达成像、动目标检测。

E-mail: rsandsgc@126.com

邢孟道(1975-),男,教授,博士,主要研究方向为高分辨合成孔径雷达和逆合成孔径雷达信号处理、雷达成像、目标识别算法。

E-mail: xmd@xidian.edu.cn

网络优先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150330.1109.014.html

Correction method for ionospheric contaminated

phase on P-band ISAR signals

ZHOU Fang1,2, ZHANG Jia-jia1, SUN Guang-cai1, XING Meng-dao1

(1.NationalLaboratoryofRadarSignalProcessing,XidianUniversity,Xi’an710071,China;

2.SchoolofComputerandInformation,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Abstract:P-band synthetic aperture radar(SAR) has superiority for its strong abi1ity to survei1 the hidden targets in both mi1itary and civi1 app1ications. Observating space objects existing in or above the ionosphere with P-band ground-based radar, the phase of the echo will be changed randomly due to ionosphere. This paper analyzes the background ionospheric effects on ISAR with modeling and simulation, and gives the qualitative and quantitative analysis based on the spatio-temporal variability of ionosphere．An estimating method is proposed for acquiring the characteristic of ionospheric using the shift and correlation (SAC) method. With the obtained ionosphere parameters, the degradation of image quality caused by the ionosphere is corrected. The simulation and the real data results confirm the validity of the approach.

Keywords:ionosphere; P-band; inverse synthetic aperture radar (ISAR); shift and correlation (SAC)

作者简介：

中图分类号：TN 957

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.09

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20120203130001);中央高校基本科研业务费专项资金(JZ2015HGQC0191)资助课题

收稿日期：2014-06-11；修回日期：2015-01-19；网络优先出版日期：2015-03-30。