电离层运动性能影响

电离层对星载SAR特别是高分辨率、宽带SAR的性能影响近年来已成为国际上的研究热点之一，目前我国在这一研究领域研究较少。及时开展该领域的研究，对我国长远发展星载SAR系统有重要的现实意义。 本论文首先简要介绍了电离层的概况及其影响到信号传播的一些重要参数。接着分别基于高斯包络和矩形包络线性调频信号，深入分析了电离层对星载SAR系统的影响机理，并给出相关的定量表达式。文中主要研究了电离层的三种影响：信号经过电离层传播的群延迟引起的成像偏移；电离层的色散效应给线性调频信号带来二次相位误差，导致图像退化、失真；以及电离层的闪烁、湍流等不规则性引起的信号相位起伏。在此基础上，比较分析了不同波段、带宽条件下电离层的影响。结果表明，在信号频段较低、带宽较大的情况下，电离层的影响不容忽视，必须加以校正。本论文介绍了两种校正方法：利用加权函数抑制色散效应引起的二次相位误差，以及使用相位梯度自聚焦算法较正由电离层的不规则性引起的信号相位起伏。最后，根据前面的分析，使用CS成像算法针对L-SAR进行了电离层影响的模拟研究。模拟结果表明，电离层引起的相位起伏对成像影响较大，校正后可得到比较满意的结果。

目前，对电离层运动的认识还不够深刻，现有的电离层动力模式还不能满意地描述电离层运动的平均形态。由于电离层运动直接影响电离层的形态、结构与变化，激发电离层不均匀结构和等离子体不稳定性，对人类活动，特别是地面和空间无线电系统，产生不可忽略的影响。因此，不断完善电离层动力模式，阐明各种运动形式的物理特性，并对电离层中一些暂态动力过程进行实时预报都具有实际意义。

电离层运动的主要形式有：

盛行风 　中层大气环流的上延部分，它是低电离层中的主要风系。由于低电离层中碰撞频率很高，大气中性成分与电离成分一道运动。

大气湍流 　低电离层中的主要运动形式。中层大气的湍流运动由下向上一直延伸到120公里,导致电离层中出现不均匀电离结构。

大气行星波 　又叫长波，是发生在中层大气以下的周期大于一天的大气波动。通常认为，20世纪60年代发现的平流层增温现象和电离层吸收的冬季异常现象之间的联系，与低层大气行星波有关。

热层风 　上部电离层的主要风系。在热层中，太阳辐射使日照半球的大气加热，温度最高与最低点分别出现在地方时约15点和04点的赤道上空。温差引起的大气压力的水平梯度，使大气从高温区向低温区运动。即热层风的基本方向是：跨过南北两极，由向阳面吹向背阳面，在中纬地区，上午有西向分量，上半夜有东向分量。离子拖曳使白天速度低于夜间速度，地球自转使风速矢量每天转动一周。在地磁场洛伦兹力作用下，向赤道的热层风使等离子体向上运动至复合较慢的地方，从而使该处电离密度增大；向两极的热层风使等离子体向下运动至复合较快的地方，使电离更快地消失。因此，热层风影响F层电离的分布和变化。

大气潮汐运动 　电离层中的一种运动形式。E层参量变化的统计分析表明：这里存在较弱的太阴半日潮汐运动，是月球对大气的引力作用激发的。关于太阳潮汐运动，情况比较复杂，因为很难把太阳引力作用、日照加热作用和大气层固有振荡的谐振作用一一区分开来。因此，通常把周期为24小时或其整倍数的周期性大气运动，不管其中引力作用的大小，都叫做太阳潮汐运动。

低电离层中的太阳潮汐运动，是臭氧层中的臭氧吸收和对流层中的水汽吸收对大气的加热作用激发的。根据雷达对流星的观测，在85～100公里的高度上,在东西向的盛行风系之上，叠加着一个幅度与盛行风差不多的太阳半日潮汐运动。有时还观测到周期为 8小时的潮汐分量。在低层大气中，太阳周日潮很弱，因为它的垂直波长很短。　在 110公里附近的电离层发电机区内，存在较强的水平的太阳周日潮汐运动，它的能量只沿水平方向传播。这种潮汐运动的激励源可能是该高度上氧分子对太阳辐射的吸收。它的存在主要是由地面地磁场变化的观测资料间接证实的。因为在电离层发电机区水平方向的电导率很高，大气运动引起很强的电场和电流（见电离层的发电机效应）。

声重波 　电离层中一种很重要的大气波动过程。在相邻不太远的各电离层垂直探测站的频高图上，它表现为一种行波型扰动，称为电离层行进式扰动，记为 TID。通过对电离层漂移的长期无线电观测,现已确认,它的物理本质是大气层中的一种波动过程，叫大气声重波。这种波动的高频部分叫声重波的声波分支，它是低频次声波，振动恢复力主要是空气的绝热压缩和膨胀。这种波动的低频部分叫声重波的重力波分支，振动恢复力主要是气团偏离其流体静力平衡位置时的浮力和重力。由于重力作用,以自由波形式传播的声重波是各向异性的,群速矢量和相速矢量之间的关系式，与通常的波动过程很不相同，如能量向上传播的重力波，其等相面是向下传播的，这是重力波的一种重要特性。潮汐运动可看成是一种频率特别低以致不能忽略科里奥利力影响的重力波。电离层中的大尺度电离层行进式扰动和中尺度电离层行进式扰动也属重力波，但短周期的电离层扰动属声波分支。

极区粒子沉降和极区电急流的焦耳加热作用，在极区电离层中激发短周期声重波。赤道电急流的反向，在赤道上空激发声重波，以弓形激波形式向赤道两测传播。电离层中激发的声重波向下传播至地面，有时可用微压计检测出来。

大尺度电离层行进式扰动是磁层扰动期间的极区电急流激发的，是暴日电离层扰动的一种重要形式，它的主要特征是：水平地向赤道方向传播，速度为400～700米/秒，周期为半小时至几小时；衰减较小，传播上千公里后波形变化不大；东西方向的水平尺度长达一两千公里。

中尺度电离层行进式扰动，周期一般为十几分钟至三十多分钟,水平尺度一般为一、二百公里,典型速度为100～300米/秒。它的扰动源一般是在近地面和低层大气中，如核爆炸、雷暴、台风和地震、火山爆发等。对这种能量向上传播的重力波来说，整个大气层好像是个振幅放大器、频率滤波器和传播方向选择器。因此，近地面源激发的中尺度重力波，多数不能传播到特定的电离层区域，而到达的往往呈图像清晰的波列，信杂比很高，容易用无线电方法检测出来。通过重力波射线追迹计算，可以对地面源进行远距离监视。人们预计用这种方法有可能对龙卷风等自然灾害现象事先发出警告。

电离层运动与中性大气运动在物理特性上有很大不同。电离层大气是部分电离的，带电粒子的运动一方面受大气中性成分运动的控制，另一方面还受电磁场的作用，以致电离层中不同大气成分的运动互不相同。但是，通过极化电场的作用以及中性分子与离子的相互碰撞，不同成分的运动又相互制约与联系。

电离层中的自由电子在电场的作用下，其运动方式是随机的热运动与有规则的振动相叠加。在与其它较重粒子碰撞时，其振动动能由被撞的粒子吸收，而这种动能是由对电子施力的电磁场能流转化而来，因此碰撞使电磁波受到吸收衰减。在D层，由于大气密度高，碰撞频率约有8×107次/秒。在F层，除在太阳爆发时（热骚动）以外，其碰撞几乎可以忽略。电离层中自由电子的运动还受地磁场的影响。电子热运动的轨迹并不是直折线。在电离层中有外电磁场作用时，由于电离程度弱，电荷之间的相互作用以及电磁波中的磁场对电子的作用都相对很弱，决定电子有规运动的力来自电磁波的电场和地磁场。地磁场力的方向正交于地磁场与电子速度所共的平面，使电子随时得到横向加速度，因而电子的有规振动不与电场共直线，于是等效电极化强度矢量与电场强度矢量不平行。电离层在地磁场影响下成为磁旋各向异性媒质。电离层的等效折射率具有双值n1、n2，且与波的传播方向和地磁方向的夹角有关，在n1、n2，都是实数的情况下，n1