P波段星载SAR电离层衰减效应建模与仿真

摘 要

本文分析了电离层衰减效应对于P波段星载SAR信号的影响，推导出影响模型。并根据模型指出了影响衰减大小的因素，仿真结果表明，电离层衰减强度与信号载频、电离层总电子量（Total Electronics Content，TEC）及电子碰撞频率密切相关，因此，在开展P波段电离层效应研究时，电离层衰减效应的影响不可忽略。

【关键词】电离层衰减 P波段 合成孔径雷达

1 引言

星载SAR运行在离地面数百公里的轨道上，雷达信号的传播不可避免地要经过电离层。而电离层对于较低频率的电磁波的折射、色散、衰减等效应会导致信号的传播延迟、相位失真、幅度衰落、使SAR的成像质量受到影响。目前，在SAR电离层效应影响研究方面，具有代表性的有Ishimaru和Liu的研究工作。Ishimaru在电离层水平方向均匀分布的假设下研究了电离层法拉第旋转影响、电离层色散导致的图像偏移、脉冲信号展宽等影响。Liu进一步研究了由于电离层不均匀性（即闪烁效应）导致的方位向图像退化。而由于电离层中粒子碰撞引起的SAR信号衰减的影响，目前鲜有学者进行该方面的研究。因此，本文基于电磁波传播理论，建立了含电离层衰减影响的P波段星载SAR信号模型，分析了电离层衰减效应对P波段信号的影响，可为后续发展P波段星载SAR提供一定的参考。

2 含电离层衰减影响的星载SAR信号模型

电磁波在低温等离子体中的传播遵循与Klein-Gordon方程：

（1）

上式中，，、、、分别为电离层电子浓度、电子质量、电子电量、等离子体频率，为相应的任意波的电场或磁场的横向分量。对于平面电磁波而已，有如下形式：

（2）

上式中，是角频率，为波数，。将（2）式代入（1）式，可得：

（3）

进一步可得低温等离子体的介电常数为：

（4）

当考虑到电离层中粒子碰撞引起的Ohmic衰减时，当碰撞频率为时，电离层等离子体的介电常数将由下式表示：

（5）

假设由SAR发射的线形调频信号由以下形式表示：

（6）

其中，为信号载波的角频率，为信号包络，，

，、分别为SAR信号调频率、脉冲宽度。

当该信号在电离层中传播时，由于受到电离层效应的影响，电磁的群速度和相速度将发生改变，其中群速度小于光速，相速度大于光速。根据文献中介绍的的方法进行推导，则SAR系统接收到某点目标反射回来的信号可表示为：

（7）

上式中，、分别为信号经历双程传输后的群延时和相延时，R为SAR与目标之间的单程斜距。

积分电子总量是电离层信息的一个关键的参数，简称电子总量（Total Electron Content，TEC），定义为传播路径上电子浓度的积分，单位为，H为SAR卫星轨道高度。因此，电磁波传播路径上的平均电子浓度可由下式计算得到：

（8）

则电磁波传输路径上的平均等离子体频率为：

（9）

用替换（7）式中的，可得：

（10）

由（10）式可以看出，等式右边的最后一项表明，SAR信号在电离层中衰减主要与信号载频、信号传输距离R、电离层积分电子总量、粒子碰撞频率密切相关。

3 仿真验证

为了进一步说明电离层衰减效应对星载P波段SAR的影响，本节设计了仿真参数，如表1所示，对不同载频、不同和不同粒子碰撞频率下电离层衰减对星载P波段SAR系统的影响进行了仿真研究。仿真结果如图1（a）、（b）所示。

通过仿真，可以得出以下结论：

（1）随着频率的降低，电离层衰减愈加严重；

（2）随着总电子含量的增加，衰减程度增大；

（3）随着电子碰撞频率的增加，衰减程度增大。

4 结论

本文基于SAR信号传播理论，结合空间电离层的特点，建立了电离层衰减对低频段SAR信号的影响模型，仿真结果表明，电离层衰减程度与电离层TEC大小、信号载频、电子碰撞频率密切相关，因此，在进行星载P波段SAR研究时，应将电离层衰减带来的影响加以考虑，进而提高SAR图像辐射精度。

参考文献

[1]李凯，潘威炎.关于甚低频无线电波在电离层中衰减的计算[J].空间科学学报，1999（01）.

作者单位

1.华东电子工程研究所 安徽省合肥市 230039

2.合肥师范学院 安徽省合肥市 230601