电离层闪烁对星载P波段SAR的影响分析

冯 健甄卫民吴振森刘 钝

①(西安电子科技大学物理与光电工程学院 西安 710071)

②(中国电波传播研究所 青岛 266107)

电离层闪烁对星载P波段SAR的影响分析

冯 健*①甄卫民②吴振森①刘 钝②

①(西安电子科技大学物理与光电工程学院 西安 710071)

②(中国电波传播研究所 青岛 266107)

电离层闪烁会破坏星载合成孔径雷达(SAR)回波信号之间的相关性，使其成像性能下降。已有的工作都是假设已知电离层电子密度的扰动开展的，但是目前的测量手段无法直接获取该参量。该文利用海口观测站超高频(UHF)频段太阳活动高年和中等年份的实测数据，分析电离层闪烁的变化特征，并基于相位屏理论，给出一种利用闪烁指数评估电离层闪烁对星载P波段SAR系统影响效应的方法。结果表明：电离层闪烁在低纬地区主要发生在夜间，且在两分季高发；太阳活动高年，全年约有3.8%的时间会发生电离层闪烁现象；对于P波段SAR系统来说，弱闪烁使得方位向冲激响应函数(IRF)的主瓣宽度和副瓣增益增大，分辨率下降；中等强度闪烁使得方位向冲激响应函数发生严重的扰动，副瓣增益增大到主瓣的水平，主瓣中心也发生平移，可能使得系统无法直接成像。

合成孔径雷达；电离层闪烁；P波段；相位屏；分辨率

1 引言

星载合成孔径雷达(SAR)具有全天候、全天时、高分辨率成像的能力，已发展成为一种重要的对地观测手段[1]。特别是工作在L, C和X波段的SAR系统，已经获得了较高的经济和社会效益。不同波段的无线电信号对于不同的目标有不同的散射特性，SAR的波段选择应与地物目标的特征和尺度相匹配，P波段(400～900 MHz)的无线电信号对植被和土壤有很强的穿透能力[2]。因此，无论在军事侦察领域，还是在民用的资源勘查、环境测量和自然灾害监测等领域中，P波段星载SAR系统都具有广泛的应用前景，多个国家都在实施星载P波段SAR的研制计划。例如，欧盟正在实施名为BIOMASS的SAR卫星研制计划。

对于装载在卫星上的SAR系统，当对地面目标成像时，其信号将不可避免地受到电离层的影响。这些影响效应主要分为两类[3]，一类是背景电离层造成的折射、色散和法拉第旋转等效应，另一类是电离层中的小尺度不规则结构(电离层电子密度的随机波动或扰动)引起的信号强度、相位和到达角的随机起伏，即电离层闪烁效应。背景电离层的影响效应与信号路径上的总电子含量(Total Electron Content, TEC)相关，TEC可以通过SAR信号直接测量[4]，或利用外部系统数据获得(如利用GPS-TEC测量)[5]，也可以利用电离层模型计算得到。电离层闪烁的强度与电离层不规则结构的特性、无线电信号的频率和几何路径等参数相关，通常利用卫星信号对其进行观测。由于电离层闪烁是一种随机现象，难以通过建立确定性描述模型的方法进行补偿修正。

在特高频(VHF)和超高频(UHF)频段，当信号穿越电离层时，经常会发生闪烁现象[6]。从对太平洋测试场内的ALTAIR雷达(工作频率为156 MHz和415 MHz)的测量中就发现有严重的闪烁产生。甚至当频率高到C波段时，偶尔也能观察到强闪烁事件[7]。因为即使接收信号的微小起伏变化也会降低雷达系统的性能，所以对于P波段SAR系统而言，必须考虑电离层闪烁的影响。

由于目前尚无在轨运行的P波段SAR系统，因此国内外学者大都利用仿真分析的方法研究电离层闪烁对星载SAR的影响效应。文献[8]利用合成天线增益方向图模拟了电离层闪烁对SAR的影响。文献[3]在假定一定的电离层扰动下，将电离层的影响引入到星载SAR的点目标扩散函数，分析了电离层对200 MHz～2 GHz范围内星载SAR的影响，并指出电离层湍流(即电离层不规则体)导致的折射指数起伏将使星载SAR的方位向分辨率大大降低。文献[9]利用美国的宽带闪烁模型(WideBand ionospheric scintillation MODel, WBMOD)预测的不规则体强度分布，分析了北欧地区电离层闪烁对欧空局实施的BIOMASS计划的影响。文献[10]利用冷等离子体模型(cold plasma model)分析了电离层的色散性对星载SAR的影响，指出电离层的规则性变化和随机变化都会影响SAR的分辨率，且认为电离层对方位向分辨率的影响比对距离向分辨率的影响更为严重。基于此分析，文献[11]提出利用两个载波频率测量地形进行电离层效应修正的方法[1]。国内方面，文献[12]分析得出了电子密度不规则体多重散射引起的脉冲展宽使星载SAR的距离向分辨率下降。文献[13]分析了电离层不规则体对星载SAR方位向分辨率的影响。文献[14]利用功率谱模型仿真了电离层不规则体对P波段星载SAR成像性能的影响。另外，文献[15]分析了背景电离层及其时空变化对中高轨SAR系统图像质量的影响。

电离层闪烁对星载SAR影响的上述研究都是基于对电离层电子密度波动的假设开展的，但目前电离层闪烁的常规观测手段是利用卫星信号提取幅度闪烁指数和相位闪烁[16]。为了把实测的电离层闪烁数据和闪烁对SAR的影响效应分析关联起来，本文利用我国海口地区UHF频段的实测数据，分析了低纬地区电离层闪烁的变化特征；基于文献[17]的相位屏理论，提出了一种利用闪烁指数仿真电离层闪烁对SAR成像影响效应的方法；仿真分析了不同强度的电离层闪烁对合成增益的影响，计算了冲激响应宽度(Impulse Response Width, IRW)、峰值旁瓣比(Peak SideLobe Ratio, PSLR)和积分旁瓣比(Integrated SideLobe Ratio, ISLR)，用以评估对成像质量的影响。

2 电离层闪烁变化特征分析

电离层闪烁是由电离层中的小尺度不规则结构引起的。当无线电信号穿越电离层传播时，受电离层不规则结构的影响，信号的振幅、相位等会产生短周期不规则变化，称作电离层闪烁。电离层闪烁影响的无线电频段从几十MHz到十GHz。电离层闪烁现象导致的信号幅度、相位的随机起伏，轻则会使卫星通信、卫星导航、目标监测和星载SAR等各种地空信息系统的性能下降，严重时可造成信号中断，使系统无法工作。在地理区域上，有两个闪烁高发区[18]。一个集中在以磁赤道为中心±20°的低纬区域，该地区的电离层不规则结构主要是由碰撞型瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor)不稳定性引起的。另一个在高纬地区，闪烁在极光带及其附近特别强，在极盖区也会发生闪烁。高纬地区闪烁的发生比近赤道闪烁更加无规律，一般认为高纬地区的电子密度不规则结构主要是由于电磁场梯度漂移不稳定引起的。我国南方地区，特别是台湾、福建、广东、广西、海南及南海地区，均处在磁赤道异常区的峰值区域，其闪烁出现率和严重程度较磁赤道和极区都显著，在全球范围内是电离层闪烁衰落出现最频繁、影响最严重的地区之一[19]。

地基电离层闪烁观测技术通过测量不规则结构对无线电信号的效应来实现对电离层中的不规则结构信息的获取，它主要包括卫星信标测量、雷达和垂测仪等。其中，卫星信标测量是目前电离层闪烁的主要观测手段，它通过在地面接收卫星信标信号的强度和相位，实现闪烁的测量。它的优势是被动接收信号、布站简单，可以长时间连续监测指定地区的电离层闪烁情况。

描述电离层闪烁强弱的参量称为电离层闪烁指数。目前，最为常用的为幅度闪烁指数S4，它定义为一定时间间隔(典型的为1 min)内，接收到的信号强度的归一化方差，即

式中，I为信号的强度，符号＜⋅＞表示计算均值。

理论分析表明，当多重散射不重要时，尺度量级为第1个菲涅耳带的不规则结构对引起振幅闪烁起主要作用。若电离层不规则性具有幂律谱，即

ΦΔN为电离层电子密度涨落的功率谱，k为波数，q为谱指数。并且，在电离层不规则体的外尺度远大于菲涅耳带的情况下，S4与无线电波的波长λ和频率f的关系为

闪烁指数对电波频率的上述依赖关系已经在许多实验中观测到，一次闪烁事件中，相同的电离层扰动水平对不同频率的无线电信号造成的影响是不同的。相比于L波段来说，P波段SAR系统受电离层闪烁的影响更加严重。为了评估P波段SAR系统的可用性，应选择频率相近的闪烁测量结果进行参考。目前，国际上关于这个频段的闪烁测量较少，为此本文利用UHF频段卫星信号的测量数据统计分析了我国海口地区的闪烁变化特征。

由于电离层闪烁发生的频次和强弱与太阳活动程度有关，本文分析了2005年(太阳活动中等年份)和2013年(太阳活动高年)海口地区UHF频段电离层闪烁的变化特征。在数据处理时，判别条件为：闪烁指数大于0.1且持续10 min以上，视为一次闪烁事件。

观测数据统计分析表明，海口地区的电离层闪烁事件主要发生在夜间20:00以后，凌晨4:00以前。在所有的闪烁事件中，仅有一次发生在6:30 ～7:50。图1以2013年5月27日夜间至28日凌晨间观测数据为例给出了一次事件中闪烁指数的变化情况。

由图1可知，27日夜间至28日凌晨期间，海口地区发生了一次强烈的闪烁事件，闪烁指数大多为0.8左右，甚至超过了1。此次事件大约20:50开始，到次日凌晨3:30左右结束，历时大约7 h个小时。

为了得出闪烁的逐日变化，统计了每天的闪烁发生率。这里，闪烁发生率定义为

图2和图3分别给出了2005年和2013年每天的闪烁发生率。2005年期间共有31天发生了闪烁，且主要集中在春分附近的3月，4月，6月，8月，9月，11月和12月中无闪烁事件发生。2013年共有156天发生了闪烁，除了1月份没有发生闪烁外，其余11个月都发生了闪烁，发生事件最多的为春分附近的3月，4月和秋分附近的9月，10月份。

电离层闪烁强度分布方面，统计得出了2005年和2013年的闪烁指数累计概率分布，如图4所示。由于2005年闪烁事件较少，闪烁指数大于0.1的时间约占全年的0.67%。2013年闪烁指数大于0.1的时间约占全年的3.84%，大于0.5的时间也达到了2.22%。

3 仿真方法

对于星载P波段SAR来说，小尺度的电离层不规则结构(电离层闪烁)将在方位向造成随机的相位误差，从而使合成孔径内的相位相干性减弱，使方位向冲激响应函数的主瓣宽度增大，从而降低了方位向分辨率。因此电离层闪烁对SAR分辨率的仿真可分为两步：首先，仿真电离层不规则结构造成的相位变化；然后，仿真相位扰动对分辨率的影响。

电离层不规则结构对信号相位的影响仿真是本工作的关键。如前所述，目前能直接获取的观测量为电离层闪烁指数。若能把电离层闪烁指数与相位变化联系起来，便可以利用不同地区不同年份的闪烁指数观测数据对SAR的系统可用性进行评估。本文正是基于这个需求，发展了一种仿真方法，主要过程描述如下。

图1 UHF频段电离层闪烁指数变化情况

图2 2005年闪烁发生率的逐日变化

图3 2013年闪烁发生率的逐日变化

图4 2005年和2013年闪烁指数累计概率分布

相位屏理论广泛地用于研究电离层、行星际介质和星际介质的闪烁问题，它假定随机介质集中在一块薄屏内，无线电波被一个使其相位发生变化的不规则屏衍射，当电波通过不规则层时，电离层的作用好像是一个改变相位的屏幕，它仅仅改变波的相位[17]。

由文献[17]可知，相位谱为

这里，re为经典电子半径，L为不规则结构的厚度，θ为入射角，Cs为电离层不规则结构的扰动强度，p为相位谱指数，Γ(·)为欧拉伽马函数，υeff为有效扫描速度，lo为外尺度。G为几何因子，与不规则体的结构参数、电波与不规则结构的相对位置和磁倾角等有关，其详细描述可参考文献[17]。

由式(5)～式(6)可得

由式(8)可知，若要仿真出不同扰动电离层环境下相位的变化，必须先获知不规则结构扰动强度Cs，但是Cs无法直接测量得到。文献[9]在分析电离层闪烁对BIOMASS的影响时，采用了WBMOD模型给出的不规则体强度的预测值。

为了把电离层闪烁幅度闪烁指数与相位变化联系起来，可作的处理为：

不考虑多重散射，幅度闪烁指数与不规则结构扰动强度的关系为

其中，

其中，zR=zzs/(z+zs), z和zs分别为电离层相位屏高度到地面接收机和发射源的距离。

传播几何因子F为

由式(8)和式(9)可得到

式(12)给出了幅度闪烁指数S4与相位谱的关系。

当不规则性很强时，考虑多重散射，则闪烁指数表示为

把式(13)代入到式(12)，便可以得到幅度涨落饱和时闪烁指数与相位谱的关系。

当SAR信号受到电离层闪烁的影响时，整个合成孔径内，方位向回波的相位历程为

其中，V为卫星的等效速度，Na为方位向采样点数，η为方位向慢时间，R0为最短斜距，ϕ(n)为电离层闪烁造成的SAR信号相位扰动。

参考函数的相位历程为

进行方位向匹配滤波：

利用上述方法便可以分析不同强度的电离层闪烁对星载SAR信号方位向聚焦的影响。

4 仿真结果

为了仿真不同强度的电离层闪烁对P波段SAR的成像影响，本文采用了文献[8]提出的仿真模型，即冲激响应函数的幅度为

其中，wn为权重函数，k=2πf/c , d为地面上的方位向距离，a为卫星轨道上的脉冲重复间隔，R为SAR到目标的距离，ϕn为相位的扰动(这里为电离层闪烁造成的相位起伏)，各参量的具体描述可参考文献[8,9]的仿真模型。

然后，计算冲激响应函数的增益：

利用G(d)，便可以得出SAR系统的图像质量参数，如IRW, PSLR和ISLR等，实现对成像质量的评估。本文所用的仿真方法，仅考虑了电离层闪烁对星载SAR冲激响应函数的影响，没有考虑星地速度之比、处理的加权展宽和方向图宽度系数等其它参数对星载SAR图像的影响效应。

仿真中，本文选取的系统参数和电离层参数如表1所示。

表1 仿真参数

分别计算得出了理想状态(无电离层影响)合成增益仿真结果(图5所示)，S4分别为0.03(无闪烁发生)、0.10(弱闪烁)和0.30(中等强度闪烁)下，相位屏得出的相位分布和合成增益的仿真结果(图6、图7和图8所示)，以及IRW, PSLR, ISLR的计算结果(如表2所示)，用以评估对成像质量的影响。

图5为理想状态下，即式(17)中的ϕn为0时，方位向合成增益仿真结果。由表2的仿真结果可知，理想状态下，冲激响应宽度为5.9984 m，峰值旁瓣比为13.3531 dB

−，积分旁瓣比为10.1657 dB−

。因此，无电离层影响情况下，SAR的方位向分辨率等于理论计算值，为天线在方位向上尺度的一半。

图6为S4取0.03时利用相位屏仿真得出的相位分布和合成增益的仿真结果。由图6(a)可知，S4为0.03时SAR信号的相位起伏很小。因此，冲激响应函数的形状与理想情况下的相似，如图6(b)所示。进一步，由表2中的IRW, PSLR和ISLR计算结果可知，此时电离层闪烁对点目标的成像质量影响很小，基本上可以忽略。−3.2915 dB 。

图5 理想情况下(无电离层影响)的方位向合成增益图

表2 仿真结果

图8(a)为中等强度电离层闪烁(S4取0.30)造成的相位起伏，可以看出此时相位发生了明显的起伏。图8(b)为S4等于0.30时的合成增益仿真结果。由仿真结果可知，当发生中等强度的电离层闪烁时，冲激响应函数出现了严重的扰动，IRW增大至8.1617 m；副瓣增益增大至了主瓣增益水平；并且，主瓣发生移动，中心平移了12.22 m。

大量的仿真结果表明，电离层闪烁对P波段SAR系统的影响较为严重，当闪烁指数大于0.10时便会使方位向分辨率、峰值旁瓣比和积分旁瓣比等指标下降，影响系统工作；当闪烁指数大于0.30时，冲激响应函数出现严重扰动，可能使得系统无法直接成像。由第2节电离层闪烁统计特征可知，对于海口地区而言，P波段星载SAR系统在该地区受电离层闪烁现象影响的时间主要在地方时的20:00到凌晨4:00的时段内；春分附近的3月，4月份和秋分附近的9月，10月份是闪烁事件的高发季节，相应的SAR系统可用性受到的影响最大；在太阳活动高年，全年约有3.8%的时间会发生大于0.10的闪烁，将影响到SAR系统的工作性能。因此在星载SAR系统设计时，应考虑电离层闪烁的变化特征，通过合理的卫星轨道设计减少电离层闪烁的影响。

图7(a)为弱电离层闪烁(S4取0.10)引起的SAR信号相位扰动仿真结果，与图6(a)对比可知，此时相位已经发生了一定的扰动。相位扰动造成的合成增益变化情况如图7(b)所示，与理想状态相比，冲激响应函数出现了明显的扰动，IRW增大至7.8738 m；副瓣增益增大，PSLR 为−4.4088 dB, ISLR 为

图6 无电离层闪烁情况下(S4取0.03)的仿真结果

图7 弱电离层闪烁情况下 (S4取0.10)的仿真结果

图8 中等强度电离层闪烁情况 下(S4取0.30)的仿真结果

5 结束语

电离层闪烁会破坏星载SAR系统回波信号之间的相关性，从而使得方位向分辨率降低。以前的工作都是基于对电离层电子密度扰动水平的假设开展的，但电子密度扰动参数无法直接测量。为了评估不同强度的电离层闪烁对P波段SAR方位向分辨率的影响，本文统计分析了海口观测站的UHF频段电离层闪烁的特征，并给出了一种利用闪烁指数评估SAR成像质量的方法。结论为：(1)在低纬地区电离层闪烁主要发生在夜间，并且在春分和秋分高发，太阳活动高年，全年约有3.8%的时间会发生电离层闪烁；(2)基于描述电离层闪烁的经典理论-相位屏理论，建立了电离层闪烁指数与相位谱之间的关系，用于评估电离层闪烁对P波段SAR系统的影响效应；(3)对于P波段SAR系统来说，弱闪烁使得SAR方位向分辨率下降，中等强度闪烁可能使得系统无法直接成像；(4)与电离层闪烁的变化特征相对应，星载SAR系统在低纬地区的可用性在两分季夜间受到的影响最大，太阳活动高年SAR系统的可用性将进一步降低。

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冯 健： 男，1981年生，高级工程师，博士生，研究方向为雷达与导航系统中的电波传播和电离层物理等.

甄卫民： 男，1963年生，研究员，博士生导师，研究方向为空间环境、电磁环境和卫星导航应用技术等.

吴振森： 男，1946年生，教授，博士生导师，研究方向为随机介质中电磁(光)波传播和散射、目标激光散射特性等.

刘 钝： 男，1973年生，高级工程师，研究方向为卫星导航应用技术和空间环境对信息系统的影响评估等.

Effects of Ionospheric Scintillation on P Band Spaceborne SAR

Feng Jian①Zhen Wei-min②Wu Zhen-sen①Liu Dun②

①(School of Physics and Optoel Ectronic Engineering, Xidian University, Xi'an 710071, China)

②(China Research Institute of Radiowave Propagation, Qingdao 266107, China)

The ionospheric scintillation can destroy the coherence of SAR echos, and correspondingly degrade SAR imaging performance. The previous studies are conducted under the hypothesis of the given ionospheric electron density irregularities, which are unavailable with the current measurement technologies. In this paper, the characteristics of ionospheric scintillations at low latitudes are analysed by using the observational data of Ultra High Frequency (UHF) band scintillations in the years of high and moderate solar activity at Haikou station. Based on the phase screen theory, a method is proposed to quantify the effects of ionospheric scintillation on P-band spaceborne SAR by using the scintillation index. The results show that the scintillations occur mostly at the night time at low latitudes, especially in equinoxes. The scintillations occur approximately 3.8% during a typical year of high solar activity. For P band SAR, the weak scintillation widens the mainlobe of azimuthal Impulse Response Function (IRF), increases the intensity of sidelobe, and reduces the azimuthal resolution. The moderate scintillation disturbs the IRF seriously, increases the intensity of sidelobe to the degree of mainlobe, and makes the peak of mainlobe shift in azimuthal direction, which can result in the disability of SAR imaging.

SAR; Ionospheric scintillation; P band; Phase screen; Resolution

TN958

： A

：1009-5896(2015)06-1443-07

10.11999/JEIT140948

2014-07-17收到；2014-11-05改回

国家国际科技合作专项(2011DFA22270)资助课题

*通信作者：冯健 fengjian428@163.com