[發明專利]電離層的壓縮層析成像方法

無效

• 申請號: 201110228343.X
• 申請日: 2011-08-10
• 公開（公告）號: CN102930562A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 李芳;李廉林;劉艷麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G06T11/00
• 分類號: G06T11/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及雷達成像技術領域，是一種電離層的壓縮層析成像方法。

背景技術

地球電離層是一種色散媒質，其特性是時間和空間的函數；會引起穿過其中的低頻波段(例如，UHF/VHF、P、L等)無線電信號的相位、幅度及極化產生重要影響；在通信、導航、遙感、隱身/反隱身、全球氣候預測與監控、等眾多軍民用領域有重要的研究和應用價值。目前為止，已發展了眾多電離層不規則體的探測與成像的技術和方法，例如，測高儀、頂部探測儀、非相干探測，基于GPS(Global?Position?System)等觀測數據的電離層層析成像，等。如圖1和圖2所示，根據所處理的電離層不規則體尺度的不同，這些方法可分為確定性和統計兩類。統計成像方法主要針對小尺度(米量級)的電離層不規則體；當感興趣的電離層區域包含大量隨時間和空間變化的小尺度不規則體時，這些不規則體的統計參數的重建顯得更有意義。確定性方法又可分為射線層析成像方法和衍射層析成像方法；其中以電離層層析成像技術為代表的射線層析成像方法主要針對大尺度的不規則體(數十公里至數百公里)，然而衍射層析成像方法針對中等尺度(數百米至數公里量級)的不規則體。

電離層層析成像基于GPS的信標觀測，利用若干空間上分開的TEC(Total?Electron?Content)監測站，通過斷層掃描反演技術獲得電離層結構的方法。1986年，美國伊利諾伊大學Austen等首次提出聯合應用低軌衛星無線電信標測量和計算機層析成像(Computerized?Tomography，CT)技術反演電離層電子密度二維分布的設想。CIT為傳統的電離層無線電探測技術注入了新的活力，使原來僅能提取沿傳播路徑積分電子密度信息的衛星信標差分多普勒測量數據，可以用于反演電離層電子密度沿水平和垂直方向的二維分布信息。眾多科研工作者為CIT的推廣做出了努力，其中大部分研究工作是基于GPS信標的CIT技術，一部分研究工作是基于星載SAR(Synthetic?Aperture?Radar)信號提取電離層TEC信息，然后對電離層結構進行CT成像。CIT已經成為目前最流行的電離層成像方法之一。

通常，電離層層析成像方法基于GPS信標，通過測量電離層觀測剖面內多條路徑的TEC，獲取探測區域內大量彼此交叉路徑電子密度的積分數據，然后利用合適的重建算法，由線積分數據反演出剖面內電子密度的分布。以二維電子密度分布為例，CIT探測的幾何示意如圖3所示。沿某路徑的TEC為沿該路徑的電子密度積分，根據Austen方法將該電子密度用一組基函數展開。將電離層用立方體進行剖分，選擇Pixel基函數：

將GPS與地面之間的電離層探測區域沿垂直高度方向和緯度方向均勻剖分，將連續的電子密度圖像離散化，并假定每個網格內部的電子密度相同，離散值密度值為X(i，j)，其中，i＝1，…，n，j＝1…，N。將待反演區域內的n×N個網格按照一定的順序排列，相應地，離散的電子密度值排列成一個列向量x_k，k＝1，…，n×N，CIT問題轉化成求解：

y‾=A‾‾x‾+n‾---(4)]]>

但由于GPS、接收站、電離層區域之間特定的位置關系：(1)GPS軌道很高，它與地面接收機之間的射線主要集中在接近垂直的方向上；(2)地面接收機數量有限且間隔不均。這導致CIT是一個典型的有限視角成像問題，另一方面為降低地面跟蹤系統的成本，接收站無法做到細密均勻分布，觀測射線分布不均勻，因此有限觀測視角CIT的測量數據量遠遠小于未知數的個數，屬于不適定或病態問題。