联合全极化SAR和IRI估计三维电子密度分布.docx
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2022-11-29
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电离层是日-地空间系统的重要组成部分，会对无线电波产生折射、散射、极化面旋
转等影响，对基于无线电波的对地观测技术造成延迟误差，如 GPS 的电离层延迟
[1]
、合成
孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）的相位超前、群延迟以及法拉第旋转
（Faraday rotation，FR）等
[2]
。此外，电离层变化与地震也存在一定关系
[3-4]
。因此，研究
电离层不仅可以了解整个日-地空间系统，而且可以估计空间环境效应对无线电通信的影
响。
总电子含量（total electron content，TEC）和电子密度是研究电离层的两个关键参
数。TEC 表示穿过电离层的单位截面柱体中电子数之和，反映了电离层的二维空间信息；
而电子密度则描述了电离层三维空间结构信息，不仅包含电离层的水平结构信息，还包含
了垂直结构信息。目前，GPS 通过发射不同频率的信号获取垂直总电子含量（vertical
total electron content，VTEC）
[5-6]
；电离层与气候星座观测系统（the constellation
observing system for meteorology，ionosphere，and climate，COSMIC）通过掩星事件
获取电子密度剖线
[7]
；非相干散射雷达（incoherent scattering radar，ISR）利用散射信号
获取连续时间段内的电子密度剖线
[8]
；电离层测高仪通过发射高频脉冲波并测量反射回波
延迟获取 F2 层临界频率（foF2）等电离层参数
[9]
；国际参考电离层（international
reference ionosphere，IRI）
[10]
和差分整合移动平均自回归模型
[11]
等也可获取 VTEC 和电
子密度。然而，上述方法都存在空间分辨率不足的问题，而星载 SAR 凭借全天时、全天
候、空间分辨率高等优点，已成为研究高空间分辨率电离层参数的重要手段。
文献[12]根据 FR 角与 TEC 之间的关系，利用全极化 SAR 数据计算了地磁北极及加
科纳地区的 TEC，证明了使用星载 SAR 数据反演 TEC 的可能性；文献[13]提出了利用距
离分频法获取 TEC 的方法，将获取高空间分辨率 TEC 的方法拓展到单极化 SAR 领域；
文献[14]提出了利用双波段路径延迟获取 TEC 的方法，进一步证实了分频法估计 TEC 的
可行性；文献[15]利用全极化先进陆地观测卫星（advanced land observing satellite，
ALOS）/相控合成孔径雷达（phased array type L-band synthetic aperture radar，
PALSAR）数据，分别计算了高、中、低纬度地区的 TEC 分布，并分析了不同纬度的电离
层特征；基于传统双波段路径延迟的方法，文献[16]提出了三波段路径延迟法，该方法可
获取去除多重散射误差后的 TEC；文献[17]提出了利用方位向子波段获取 hmF2 以及漂移
速度场等电离层参数的方法，并使用 ALOS-1/2 数据进行实验，获取了相应的电离层参数
结果；文献[18]使用全极化 ALOS PALSAR 数据反演了 3 组 VTEC 结果，并将其与 ISR 在
几乎同一时空的实测数据进行比较，首次利用实测数据验证了利用全极化 SAR 反演 VTEC
的有效性。
目前利用 SAR 估计电离层参数只能获取二维的 VTEC 分布，难以获取精细化的三维
电子密度分布。基于此，本文利用全极化 SAR 计算得到的 VTEC 联合 IRI 的电子密度剖线
信息，提出了一种三维电子密度分布估计方法。
1. 本文方法
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