Влияние марсианской ионосферной дисперсии на изображения SAR
В исследовательской статье, недавно опубликованной в журнале Space: Science & Technology, Чжицзюнь Ян из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики исследовал характеристики ионосферных искажений Марса и построил эффективную модель для ВЧ-диапазона волн для имитации и анализа влияния эффекта ионосферной дисперсии на одиночный сигнал SAR и визуализация при различной полосе пропускания, несущих частотах, углах падения пути и концентрации ионов в марсианской ионосфере.
Временная задержка и сдвиг сигнала, вызванные ионосферой. a) и b) показывают взаимосвязь между временной задержкой и несущей частотой и TEC, а также зависимость между сдвигом сигнала, несущей частотой и TEC, соответственно. Предоставлено: Космос: наука и технологии
Недра Марса хранят важную историческую информацию о формировании и эволюции планеты. Как ионизированная среда марсианская ионосфера играет особую роль в распространении радиоволн и имеет непосредственное отношение к локальной связи на Марсе и связи между Марсом и Землей.
Таким образом, информация о недрах и марсианской ионосфере обеспечивает научную основу для понимания и исследования Марса, а также для изучения истории геологической эволюции. Многодиапазонный низкочастотный радар с синтезированной апертурой (SAR) нижнего обзора, установленный на орбитальном аппарате Mars, может излучать низкочастотные радиоволны, которые могут проникать сквозь поверхность Марса и распространяться вниз.
При прохождении через ионосферу высокочастотный (ВЧ) импульсный сигнал марсианского исследовательского радара подвержен влиянию ошибки дисперсионного эффекта, что приводит к затуханию сигнала и временной задержке, а также к сдвигу фазы таким образом, что эхо-сигнал не может быть сопоставлены и отфильтрованы.
В исследовательской статье, недавно опубликованной в журнале Space: Science & Technology, Чжицзюнь Ян из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики исследовал характеристики ионосферных искажений и построил эффективную модель для ВЧ-диапазона волн для имитации и анализа влияния эффекта ионосферной дисперсии на одиночный сигнал SAR и визуализация при различной полосе пропускания, несущих частотах, углах падения пути и концентрации ионов в марсианской ионосфере.
Во-первых, автор ввел эффект ионосферной дисперсии и изменение пути прохождения сигнала в ионосфере. Ионосфера представляла собой особую дисперсионную среду с анизотропными характеристиками. Для радиосигнала с широким частотным спектром разные частотные составляющие сигнала распространялись с разными фазовыми скоростями в ионосфере, и, таким образом, разные частотные составляющие имели разные фазовые соотношения. Сигнал будет искажен, а импульс расширен во времени и пространстве.
Это было явление дисперсии ионосферы. Впоследствии математические и статистические методы были применены для описания ионосферных воздействий на эхосигналы. Ионосферная дисперсия имела такие эффекты, как искажение сигнала, амплитуда турбулентности и фазовые флуктуации.
Эхо-сигналы не могут соответствовать функции согласованного фильтра, что напрямую приводит к ухудшению качества изображения после сжатия импульса и разрешающей способности радара по дальности, что серьезно влияет на его способность обнаружения. Показатель преломления распространения электромагнитных волн в марсианской ионосфере можно выразить как функцию частоты и электронной плотности.
Учитывая рабочую полосу частот (МГц) марсианского исследовательского радара, нельзя игнорировать старшие члены показателя преломления. Поскольку показатель преломления менялся в зависимости от частоты и положения, сигнал РСА отклонялся от нормального сигнала в вакууме, что влияло на результат визуализации РСА. Марсианская ионосфера постоянно менялась и обладала определенной степенью случайности, из-за чего фаза эха была случайной и неопределенной. Поэтому было необходимо использовать статистические модели для изучения влияния марсианской ионосферы на РЛИ.
Затем автор моделировал пути передачи сигналов и использовал данные реальной ионосферы Марса для построения модели марсианской ионосферы. Метод слежения за траекторией использовался для получения влияния эффекта дисперсии на радиолокационный сигнал. Дополнительная фазовая ошибка сигнала была получена путем моделирования приближения ряда Тейлора высокого порядка.
Ключевым шагом было установление пространственного распределения показателя преломления и определение истинного влияния распространения сигнала на эхо-сигнал РСА. Пространственное распределение показателя преломления можно определить по пространственному распределению электронной плотности и частоты сигнала. Путь распространения сигнала может быть получен с помощью технологии отслеживания пути. На основе приведенного выше анализа фактические этапы моделирования были следующими:
- По данным о распределении концентрации ионов Марса для построения модели взаимосвязи использовалась модель Чепмена.
- В соответствии с параметрами моделирования системы и Ne (марсианская ионосферная модель с различными периодами солнечной активности и различными зенитными углами) метод отслеживания пути был использован для моделирования пути преломленного в ионосфере сигнала обнаружения и для расчета двустороннего фазового опережения вызвано дисперсионным эффектом.
- Умножается идеальный сигнал и дополнительный фазовый сдвиг в частотной области диапазона.
- Обратное преобразование Фурье было выполнено для сигнала в частотной области, чтобы получить измененный сигнал во временной области, а затем сравнить его с идеальным сигналом.
Кроме того, проводится анализ фазовой ошибки, а также влияния на положение точечных целей. Моделирование режима обработки импульсного сжатия эхо-сигнала от точечной цели проводится для имитации обработки эхо-сигнала SAR.
Фазовая ошибка, вызванная эффектом ионосферной дисперсии, приводила к различной степени смещения частоты во временной области, что создавало трудности при сжатии импульсов и коррекции эха. Сжатие импульсов позволяет эффективно разделять сильные точечные цели на относительно близком расстоянии, но фазовая ошибка делает невозможным четкое различение точечных целей после обработки эха.
С помощью моделирования автор пришел к выводу, что влияние эффекта хроматической дисперсии на сигнал в основном заключается в введении фазовых ошибок, сдвиге сигнала и временной задержке. Кроме того, на сдвиг низкочастотного сигнала большое влияние оказывали полное электронное содержание (ПЭС) и несущая частота.
Расширение основного лепестка импульса после воздействия на сигнал также было связано с шириной полосы, несущей частотой и ПЭС. В заключение, модель может эффективно оценивать Марс без учета влияния магнитных полей и аномальной солнечной активности, а также влияния ионосферы на эхо-сигналы радара с синтезированной апертурой (SAR).
