论文标题： Equatorial Ionospheric Scintillation Measurement in Advanced Land Observing Satellite (ALOS) Phased Array-Type L-Band Synthetic Aperture Radar (PALSAR) Observations

期刊：Engineering

作者：Yifei Ji, Zhen Dong, Yongsheng Zhang, Feixiang Tang, Wenfei Mao, Haisheng Zhao, Zhengwen Xu, Qingjun Zhang, Bingji Zhao, Heli Gao

发表时间： March 2024

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.027

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星载合成孔径雷达（SAR）作为一种通常运行在500~800 km地球轨道上的空间对地观测传感器，在环境监测、资源勘探、地形测绘等方面具有独特优势。其信号在发射和接收过程中两次穿过电离层的主要层区，势必受到电离层传播效应的影响，且工作频率越低，其影响越恶劣。赤道电离层等离子体泡（EPB）引起的幅度与相位闪烁对L波段及以下波段星载SAR成像及干涉测量产生消极而复杂的影响。但换个角度来看，尽管电离层闪烁导致了星载SAR回波失真及成像恶化，但SAR图像携带丰富的电离层信息，为EPB探测与参数反演提供了可能性。通过开展SAR信号及图像处理技术研究，实现电离层与地物信息的解耦合以及电离层闪烁参数信息提取，完全具备从空间对EPB进行多维度、高分辨、高精度反演的潜力。

国防科技大学计一飞等研究人员在中国工程院院刊Engineering发表了题为“Equatorial Ionospheric Scintillation Measurement in Advanced Land Observing Satellite (ALOS) Phased Array-Type L-Band Synthetic Aperture Radar (PALSAR) Observations（《利用L波段SAR卫星探测赤道电离层等离子体泡闪烁现象》）”的研究论文。该研究提出了基于L波段星载SAR幅度闪烁条纹图像的EPB闪烁测量方法及流程，利用子孔径分割、频域能量加权以及滤波分别实现了条纹增强、方向估计以及幅度闪烁误差提取，然后通过幅度闪烁功率谱估计结果与理论功率谱拟合实现EPB闪烁参数反演（图1）。利用两组ALOS PALSAR数据开展实验验证（图2），结果显示不同测向的测量结果具有高度一致性；还与GNSS监测仪闪烁测量进行了对比验证（图3），对比发现L波段SAR卫星在EPB探测方面具备以下技术优势：

（1）具备二维高分辨观测能力，不仅能够提供数十米量级尺度的电离层幅度闪烁条纹分辨能力，还可以对单个闪烁事件实现距离向几十公里、方位向跨越上千公里量级的二维观测。

（2）SAR卫星飞行及波束扫描速度远大于EPB漂移速度，在几分钟之内即可完成上千公里的方位向扫描，在如此短的时间尺度内EPB漂移和结构耗散时变效应可忽略，故具备“准冻结场”观测能力。

（3）幅度闪烁条纹的方向和样式本身蕴含着EPB高度及电离层闪烁参数等丰富信息，具备多元参数高精度反演能力。

（4）单颗SAR卫星便可实现局部广域观测以及全球观测，能够提供EPB局域精细化特征以及全球分布趋势分析。

图1 EPB闪烁参数反演方法。

图2 利用ALOS PALSAR实现EPB幅度闪烁功率谱估计、拟合及参数测量结果。(a) 距离向测量；(b) 方位向测量。

图3 与GNSS监测仪闪烁测量结果的交叉验证。(a) 闪烁指数测量空间分布情况及对比；(b)闪烁指数测量时间分布情况及对比。

这一研究是基于L波段SAR卫星探测EPB闪烁的首次尝试和重要研究成果，为EPB研究提供一种全新技术体系和观测视角，与传统EPB探测设备和手段相互验证、互为补充，对于推动天基微波遥感、地球空间物理和空间天气等相关学科的深度交叉融合具有重要的理论意义和实用价值。

该研究由国防科技大学董臻教授领衔的研究团队发起，第一作者是国防科技大学计一飞副教授，通讯作者是国防科技大学张永胜教授和中国电波传播研究所的许正文研究员。研究团队还包括来自国防科技大学、香港中文大学、中国电波传播研究所以及中国空间技术研究院遥感卫星研究所的学者。该研究得到了国家自然科学基金项目和国防科技大学科研计划项目的资助。

引用信息：Yifei Ji, Zhen Dong, Yongsheng Zhang, Feixiang Tang, Wenfei Mao, Haisheng Zhao, Zhengwen Xu, Qingjun Zhang, Bingji Zhao, Heli Gao. Equatorial Ionospheric Scintillation Measurement in Advanced Land Observing Satellite (ALOS) Phased Array-Type L-Band Synthetic Aperture Radar (PALSAR) Observations[J]. Engineering.

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https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.027

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