[发明专利]一种基于星载冰雷达的电离层层析成像方法

说明书

本发明公开了一种基于星载冰雷达的电离层层析成像方法。利用冰雷达信号收发分置双程传播特点，无需设置地面接收站，即可得到不同角度的电离层总电子含量TEC值。然后根据射线传播路径，计算出穿过电离层内部不同网格的投影长度，最后根据初值和乘法代数重建方法MART反演得到电离层电子密度空间分布情况。该方法根据冰雷达工作特点进行电子密度重建工作，由于结合了冰雷达高分辨率特点，其可反演比现有GPS层析成像更高分辨的电离层信息。

技术领域

本发明设计一种基于星载冰雷达的电离层层析成像方法，属于合成孔径雷达和电离层电波传播领域，主要用于极区电离层高分辨率探测。

背景技术

极区的冰川、冰盖/冰架等对全球气候变化最为敏感，响应最为剧烈，是气候变化的指示器与放大器，在维持全球水、能量和物质的循环中发挥着重要作用。针对上述需求，利用星载冰雷达进行极区大范围的观测是目前最佳手段。然而，星载冰雷达由于工作在P波段，其信号会受到电离层的严重影响而不得不进行补偿研究，但另一方面，由于回波中包含有丰富的电离层信息，若能利用回波进行电离层探测，结合冰雷达的高分辨率特点，可为极区电离层精细观测提供一种新的手段。

目前对电离层层析成像的研究，均是基于GPS或三频信标信号进行的。然而，无论是GPS还是三频信标，信号单程传播的特点需在地面设置接收站。因此，接收站的疏密决定了层析成像的分辨率，但为了提高分辨率在极区建立更多的接收站会导致成本急剧增大而不现实，且现有稀疏分布的接收站得到的层析成像分辨率，对极区电离层的精细观测效果并不理想。而本发明设计的冰雷达工作体制是一颗主卫星发射信号，垂直于卫星飞行方向的交轨向有数个接收雷达，跨度在100公里左右。因此，冰雷达在进行电离层探测时，充分利用了冰雷达信号的双程传播特点，无需设置地面接收站，利用既有资源，即可扩展星载并卫星系统的使用模式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：充分利用冰雷达高分辨率特点，利用雷达回波数据进行电离层层析成像研究，提高现有GPS/三频信标三频信标电离层层析成像分辨率，更好地观测极区电离层精细结构。

本申请提供了一种基于星载冰雷达的电离层层析成像方法，所述方法包括如下步骤：

(1)根据冰雷达工作几何和层析成像原理，建立电离层影响的雷达回波频域模型S_r(f_τ)：

其中，f_τ为雷达频谱范围，B为带宽，K_r为距离向调频斜率，R_T和R_R分别为发射信号和接收信号传播距离，c为光速，Δφ_iono(f_τ)为回波中由电离层色散引起的附加相位；

(2)构建包含持续时间的N组参考函数H′(f_τ)，其中，N为迭代次数，将雷达回波频域模型S_r(f_τ)与N组参考函数分别进行距离向压缩，得到N组脉压结果，根据N组脉压结果中振幅最大值对应的参数进行TEC_R估计，其中，TEC_R为接收路径所受到的电离层大小；

(3)将电离层分割成数个网格，假设每个网格的电子密度值相同，共分割成M个网格，假设冰雷达接收卫星有I颗，那么总射线为I条，第i条射线的TEC_R值表示为：

其中，TEC_{R_i}为第i条射线的TEC_R值，A_ij表示第i条射线在第j个网格的投影长度矩阵，当第i条射线穿过第j个网格时，射线与网格的边必有两个交点，这两个交点的坐标可根据射线和边的几何表达式求得，根据两个交点坐标计算的两点之间距离就是第i条射线在第j个网格的投影长度，即A_ij；