电离层对P波段星载SAR成像影响分析与研究

发布时间：2017-09-04 08:11

  本文关键词：电离层对P波段星载SAR成像影响分析与研究

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【摘要】：近几年星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)体制得到迅速发展,其中P波段星载SAR由于其对地表和植被的强穿透性,受到国内外研究学者的重视。但是当电波信号穿过电离层进行传播时,空间电离层效应会使其发生改变。特别是P波段,电离层效应尤其严重,这些是制约P波段星载SAR发挥其效能的主要因素,而针对电离层对SAR系统成像性能的影响、分析及误差补偿技术等成为目前研究的热点。作为研究工作的基础,本文在电离层电波传播理论的基础上,对电离层影响下P波段星载SAR成像质量和误差补偿方法进行系统研究,主要从以下几个方面开展具体的研究工作：(1)基于麦克斯韦方程,推导出电离层对电波信号延时的影响；然后利用Klein-Gordon方程和星载SAR成像理论,分析了成像过程中电离层对模糊函数的影响,解释了脉冲压缩后图像质量下降的原因；最后推导出背景电离层和不规则体扰动影响下,线性调频信号新脉宽和调频率的计算公式。(2)用建模仿真的方式系统分析电离层对SAR信号和成像质量的影响规律,并用点目标成像结果,验证了理论分析和建模仿真的正确性,为后面误差补偿算法的研究提供依据和支撑。从两个方面研究电离层效应对SAR回波信号和成像质量的影响：①色散效应对星载SAR距离向分辨率、图像位置、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、峰值功率等影响；②闪烁效应对星载SAR方位向分辨率、峰值功率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比等影响。(3)研究三种由于背景电离层总电子量(Total Electron Content, TEC)导致的色散误差补偿方法。通过理论推导和建模仿真的方式,利用最大对比度自聚焦和随机并行梯度算法实现了星载P波段SAR色散误差的补偿,最终通过仿真结果验证上述方法对距离向色散误差补偿的有效性。①利用二次相位误差会对图像产生散焦的原理,研究了基于最大对比度的自聚焦算法,通过对二次相位误差补偿的方法实现图像的自聚焦；②将自适应光学中使用的随机并行梯度(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法引入到匹配滤波函数的校正中,选取调频率为控制参数,以峰值功率作为性能评价函数,采用双边扰动的方式加快算法收敛速度,通过对点目标回波仿真验证算法的有效性和快速性；③通过系统内窄带双频相关法测量电离层TEC,实现对色散效应影响下的匹配滤波函数的校正,并利用校正后的匹配滤波函数进行匹配滤波,得到校正后的SAR图像。(4)研究几种由于小尺度电离层TEC变化导致的闪烁误差补偿方法。在SAR图像场景特点和闪烁相位误差模型的基础上,利用最小熵自聚焦、相位梯度自聚焦、距离向多子孔径自聚焦等电离层闪烁相位误差补偿方法,通过仿真结果验证上述方法可以有效抑制电离层闪烁效应的影响,提高SAR图像方位向分辨率。①针对均匀场景下的SAR图像,将ISAR成像中对运动目标补偿的最小熵自聚焦算法应用到SAR电离层闪烁误差补偿中,解决了传统算法无法对均匀场景SAR图像聚焦的问题。该方法可以适用于无明显强点目标且信噪比较低的散焦SAR图像校正,仿真结果也验证了方法的有效性。②为提高运算速度,研究了PGA算法。该方法在对相位误差梯度估计过程中用傅里叶变换替代迭代,因此可以对具有多个孤立强点的图像进行快速相位补偿,并且有很好的聚焦效果。③对于相位误差具有二维空变特性的SAR图像,相位误差间不存在或存在较差的冗余性,传统的PGA算法无法进行自聚焦处理。提出基于距离向子孔径分块自聚焦方法,通过实验数据验证,针对大目标区域成像该方法可以明显改善图像的聚焦质量,使图像纹理更加清晰。
【关键词】：电离层效应 P波段 合成孔径雷达 相位误差 误差补偿
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.52
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-22
• §1.1 研究背景及意义12-14
• §1.2 国内外研究现状14-17
• §1.3 论文结构安排17-19
• 参考文献19-22
• 第二章 电离层影响下星载SAR成像研究22-43
• §2.1 电离层结构22-32
• 2.1.1 背景电离层结构22-29
• 2.1.2 不规则体结构29-32
• §2.2 电离层中电波传播机理32-34
• §2.3 电离层对SAR成像影响34-40
• 2.3.1 真空环境对SAR成像影响35-38
• 2.3.2 电离层环境对SAR成像影响38-40
• §2.4 本章小结40-41
• 参考文献41-43
• 第三章 P波段星载SAR电离层效应误差建模仿真43-62
• §3.1 电离层色散效应对SAR信号影响分析43-52
• 3.1.1 色散效应下的SAR回波建模43-47
• 3.1.2 色散效应影响仿真分析47-52
• §3.2 电离层闪烁效应对SAR信号影响分析52-59
• 3.2.1 闪烁效应产生机理53-54
• 3.2.2 闪烁效应影响仿真分析54-59
• §3.3 本章小结59-60
• 参考文献60-62
• 第四章 电离层色散误差补偿方法研究62-83
• §4.1 基于最大对比度自聚焦算法的色散效应误差补偿62-67
• 4.1.1 最大对比度自聚焦算法原理62-63
• 4.1.2 实验数据分析63-67
• §4.2 基于随机并行梯度算法的色散误差补偿67-72
• 4.2.1 随机并行梯度算法原理67
• 4.2.2 电离层色散效应校正的SPGD算法校正模型67-69
• 4.2.3 实验数据分析69-72
• §4.3 基于双频测量的电离层色散效应误差补偿72-79
• 4.3.1 双频分析GPS系统中电离层色散效应72-74
• 4.3.2 SAR系统中电离层色散效应双频校正原理74-77
• 4.3.3 实验数据分析77-79
• §4.4 本章小结79-81
• 参考文献81-83
• 第五章 电离层闪烁误差补偿方法研究83-108
• §5.1 基于最小熵自聚焦算法的电离层闪烁效应误差补偿83-90
• 5.1.1 最小熵自聚焦算法83-86
• 5.1.2 实验数据分析86-90
• §5.2 基于相位梯度自聚焦算法的闪烁误差补偿90-99
• 5.2.1 相位梯度自聚焦算法原理90-95
• 5.2.2 实验数据分析95-99
• §5.3 基于距离向多子孔径PGA的闪烁误差补偿99-104
• 5.3.1 距离向多子孔径PGA原理100-101
• 5.3.2 实验数据分析101-104
• §5.4 本章小结104-106
• 参考文献106-108
• 第六章 总结与展望108-110
• §6.1 总结108-109
• §6.2 展望109-110
• 致谢110-111
• 攻读博士期间的研究成果111

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 伍岳,孟泱,王泽民,徐绍铨;GPS现代化后电离层折射误差高阶项的三频改正方法[J];武汉大学学报(信息科学版);2005年07期

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本文编号：790328