一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法，包括步骤一：计算方位向合成孔径点数；步骤二：方位向数据补零；步骤三：方位向傅里叶变换；步骤四：方位向信号解压缩，获取等效方位向回波频谱信号；步骤五：方位向逆傅里叶变换；步骤六：估计法拉第旋转角；步骤七：获取合成孔径时间内的时变TEC；经过以上七个步骤，利用全极化高轨SAR信号完成了对合成孔径时间内的时变TEC精确测量。本发明专利技术具有时变TEC测量精度高的特点，由于采用法拉第旋转角模型与TEC反演模型，相对于传统测量方法，具有更高的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法
本专利技术涉及一种基于全极化高轨合成孔径雷达(SAR)的电离层时变总电子量(TEC)测量方法，属于信号处理

技术介绍
近年来，随着科技发展与社会进步，卫星通信、卫星导航和天基雷达系统已广泛应用于军事和民用的各个方面，并成为人类生活必不可少的工具，这使得包括电离层在内的空间环境监测和技术保障愈显重要和迫切。同时，BIOMASS、NISAR等卫星计划将对全球包括电离层在内的大气环境进行探测，该探测数据将为地球空间气象科学以及空间信息系统气象保障等方面提供重要帮助，具有极为重大科学意义和应用价值。当前国内外针对电离层探测仍主要依靠传统电离层探测手段，即地面站垂测、基于GPS信号掩星反演等。但是，由于存在探测区域受地基站布设网络限制，需要搭载专门的电离层探测载荷等问题，导致无法实现全球电离层高精度测量。针对该问题，近年来国外学者提出了利用低频段SAR信号在电离层传播过程中会引入电离层效应误差，通过误差估计进而对电离层特征参数进行反演，实现电离层高精度探测。现有研究中，利用全极化SAR系统，可以通过估计电离层所引入的法拉第旋转角，根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：计算方位向合成孔径点数；根据雷达系统参数，计算方位向合成孔径点数Num_a；步骤二：方位向数据补零；根据步骤一计算得到的方位向合成孔径点数Num_a，分别在每个极化通道图像数据每一列的头部和尾部补零，补零数目均为Num_a/2，得到新的四个极化通道图像数据分别为MHH‑ins、MHV‑ins、MVH‑ins、MVV‑ins；步骤三：方位向傅里叶变换；将步骤二得到的补零后的四个极化通道图像数据MHH‑ins、MHV‑ins、MVH‑ins、MVV‑ins沿每个距离门(按列)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到...

【技术特征摘要】
1.一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤一：计算方位向合成孔径点数；根据雷达系统参数，计算方位向合成孔径点数Num_a；步骤二：方位向数据补零；根据步骤一计算得到的方位向合成孔径点数Num_a，分别在每个极化通道图像数据每一列的头部和尾部补零，补零数目均为Num_a/2，得到新的四个极化通道图像数据分别为MHH-ins、MHV-ins、MVH-ins、MVV-ins；步骤三：方位向傅里叶变换；将步骤二得到的补零后的四个极化通道图像数据MHH-ins、MHV-ins、MVH-ins、MVV-ins沿每个距离门(按列)进行快速傅里叶变换(FFT)，得到方位向频谱数据MHH-FFT、MHV-FFT、MVH-FFT、MVV-FFT；步骤四：方位向信号解压缩，获取等效方位向回波频谱信号；根据雷达系统参数，计算每个距离门对应的参考斜距Rref，进而计算出方位向信号解压缩因子Φdecom，利用该解压缩因子乘以步骤三所得的方位向频谱数据MHH-FFT、MHV-FFT、MVH-FFT、MVV-FFT得到等效方位向回波频谱信号MHH-decom-FFT、MHV-decom-FFT、MVH-decom-FFT、MVV-decom-FFT；步骤五：方位向逆傅里叶变换；将步骤四得到的等效方位向回波频谱信号MHH-decom-FFT、MHV-decom-FFT、MVH-decom-FFT、MVV-decom-FFT沿每个距离门进行快速逆傅里叶变换，得到方位向回波信号MHH-echo、MHV-echo、MVH-echo、MVV-echo；步骤六：估计法拉第旋转角；根据步骤五得到的四个极化通道方位向回波信号MHH-echo、MHV-echo、MVH-echo、MVV-echo，通过线性组合得到一组正交圆极化波信号Z12和Z21，通过该组正交圆极化波信号共轭相乘取幅角FRtemp，对FRtemp进行平滑处理后得到法拉第旋转角估计值FR；步骤七：获取合成孔径时间内的时变TEC；根据步骤六得到的估计法拉第旋转角值FR，利用时变TEC与法拉第旋转角间的线性转换关系，获得合成孔径时间内每个方位时刻的TEC，即合成孔径时间内的时变TEC。2.根据权利要求1所述的一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法，其特征在于，所述的步骤一具体包括：根据雷达系统参数，计算方位向合成孔径点数Num_a：式中，λ表示雷达系统工作波长，Ro表示场景中心点的参考斜距，La表示方位向天线长度，Vref表示以场景中心点为参考时的等效速度，PRF表示雷达脉冲重复频率；floor(x)表示取不大于x的最大偶数运算。3.根据权利要求1所述的一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：设原始四个极化通道数据MHH、MHV、MVH、MVV分别为：式中，表示HH通道图像中第(1,1)个像素的数值，表示HH通道图像中第(1,Nr)个像素的数值，表示HH通道图像中第(Na,1)个像素的数值，表示HH通道图像中第(Na,Nr)个像素的数值；表示HV通道图像中第(1,1)个像素的数值，表示HV通道图像中第(1,Nr)个像素的数值，表示HV通道图像中第(Na,1)个像素的数值，表示HV通道图像中第(Na,Nr)个像素的数值；表示VH通道图像中第(1,1)个像素的数值，表示VH通道图像中第(1,Nr)个像素的数值，表示VH通道图像中第(Na,1)个像素的数值，表示VH通道图像中第(Na,Nr)个像素的数值；表示VV通道图像中第(1,1)个像素的数值，表示VV通道图像中第(1,Nr)个像素的数值，表示VV通道图像中第(Na,1)个像素的数值，表示VV通道图像中第(Na,Nr)个像素的数值；结合步骤一计算得到的方位向合成孔径点数Num_a，分别在四个极化通道数据每一列的头部和尾部分别补零Num_a/2，得到补零后新的四个极化通道图像数据MHH-ins、MHV-ins、MVH-ins、MVV-ins，其均扩大为大小Na-ins×Nr-ins的二维复数矩阵，且Na-ins＝Na+Num_a，Nr-ins＝Nr，四个通道的信号分别为：式中，表示补零后HH通道图像中第(Num_a/2+1,1)个像素的数值，表示补零后HH通道图像中第(Num_a/2+1,Nr)个像素的数值，表示补零后HH通道图像中第(Num_a/2+Na,1)个像素的数值，表示补零后HH通道图像中第(Num_a/2+Na,Nr)个像素的数值；表示补零后HV通道图像中第(Num_a/2+1,1)个像素的数值，表示补零后HV通道图像中第(Num_a/2+1,Nr)个像素的数值，表示补零后HV通道图像中第(Num_a/2+Na,1)个像素的数值，表示补零后HV通道图像中第(Num_a/2+Na,Nr)个像素的数值；表示补零后VH通道图像中第(Num_a/2+1,1)个像素的数值，表示补零后VH通道图像中第(Num_a/2+1,Nr)个像素的数值，表示补零后VH通道图像中第(Num_a/2+Na,1)个像素的数值，表示补零后VH通道图像中第(Num_a/2+Na,Nr)个像素的数值；表示补零后VV通道图像中第(Num_a/2+1,1)个像素的数值，表示补零后VV通道图像中第(Num_a/2+1,Nr)个像素的数值，表示补零后VV通道图像中第(Num_a/2+Na,1)个像素的数值，表示补零后VV通道图像中第(Num_a/2+Na,Nr)个像素的数值。4.根据权利要求1所述的一种基于全极化高轨SAR的电离层时变TEC测量方法，其特征在于，所述的步骤三具体为：式中，表示HH通道方位向频谱数据中第(1,1)个像素的数值，表示HH通道方位向频谱数据中第(1,Nr-ins)个像素的数值，表示HH通道方位向频谱数据中第(Na-ins,1)个像素的数值，表示HH通道方位向频谱数据中第(Na-ins,Nr-ins)个像素的数值；表示HV通道方位向频谱数据中第(1,1)个像素的数值，表示HV通道方位向频谱数据中第(1,Nr-ins)个像素的数值，表示HV通道方位向频谱数据中第(Na-ins,1)个像素的数值，表示HV通道方位向频谱数据中第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杰，郭威，曾虹程，王鹏波，杨威，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11