民用P波段SAR卫星 原理及应用

本书是作者在P波段SAR卫星系统技术研究方面开展系列研究工作和成果的总结。
全书共8章。第1章介绍了P波段SAR卫星的应用需求和发展现状及趋势;第2章从微波理论的角度分析了P波段空间传播和与地表多层作用的机理，建立了雷达方程并研究了穿透性特征;第3章从P波段SAR卫星遥感探测的任务分析出发，对P波段SAR卫星工作原理进行了研究;第4章针对层析模式，主要介绍了层析模式的工作原理和轨道设计;第5章针对P波段星载SAR对电离层敏感的特征，介绍了电离层探测与补偿技术;第6章针对P波段SAR卫星易受干扰的特征，给出了抗干扰抑制的方法和试验验证结果;第7章针对高品质P波段SAR卫星成像数据的获取，给出了辐射定标、极化定标、波束指向在轨定标与修正、斜距定标与修正技术和方法;第8章给出了森林地上生物量反演、林高测量反演和林下地形测绘处理的方法。

第1章P波段SAR天基遥感应用及发展现状1

11概述1

12应用需求1

121森林资源监测管理和生态环境保护需求1

122林下地形测绘需求3

123次地表探测需求4

124电离层TEC监测需求6

125其他需求7

13国内外发展现状及趋势8

131P波段SAR探测技术发展现状及趋势8

132P波段SAR遥感数据应用处理技术发展现状及趋势21

参考文献27
第2章微波理论30

21概述30

22微波基础理论30

23微波传输理论33

231与电离层相互作用33

232与地表多层相互作用37

24雷达方程40

25真实自然物体的微波特性42

26长波长电磁波信号穿透性特征分析49

参考文献51

第3章P波段SAR天基遥感原理及系统设计53

31星载P波段SAR行业应用产品需求分析53

311行业应用需求分析53

312专题信息产品需求分析54

313卫星数据产品及参数配置需求分析54

314应用指标需求分析55

32工作原理及系统设计55

321工作频率选择55

322极化方式选择61

323入射角范围选择66

324系统灵敏度设计68

325模糊度设计72

326辐射分辨率74

327几何分辨率74

328成像带宽75

329极化性能指标76

3210工作模式设计77

3211轨道设计81

33性能分析82

331波位设计及成像性能分析82

332辐射分辨率分析83

333极化精度分析84

334森林地上生物量探测精度分析85

参考文献89
第4章层析成像模式及轨道设计95

41概述95

42层析成像模式原理95

43轨道设计99

431层析轨道的回归重访优化设计99

432效能最优多任务规划105

433层析轨道自主导航与控制107

参考文献118
第5章电离层影响机理及探测补偿119

51概述119

52电离层建模及影响分析119

521电离层结构及信号传播119

522色散效应误差建模及仿真分析125

523闪烁效应误差建模及仿真分析131

524法拉第旋转效应误差建模及仿真分析149

53P波段SAR卫星电离层联合探测155

531探测手段155

532联合探测方法156

54基于模型的电离层补偿技术158

541电离层色散效应误差补偿处理158

542电离层闪烁效应误差补偿处理162

543法拉第旋转效应误差补偿处理165

参考文献173
第6章射频干扰抑制技术175

61P波段 SAR干扰抑制需求分析175

62P波段星载SAR潜在射频干扰建模与影响分析176

621潜在干扰分析176

622干扰模型176

623影响分析177

63星载SAR系统抗干扰能力分析180

64干扰抑制算法181

641频域陷波法181

642最小均方算法182

643自适应线谱增强器算法183

644特征子空间分解法183

645时频域非相干滤波184

646时频域相干滤波184

647算法性能比较185

65干扰侦听与跳频规避方案186

参考文献188
第7章在轨定标192

71概述192

72辐射定标192

721图像产品的雷达方程192

722定标常数193

723辐射定标195

73极化定标197

731极化精度指标定义198

732极化定标的理论模型199

733极化定标的工作流程201

734极化外定标202

735极化内定标和极化校正203

74波束指向在轨定标与修正204

741概述204

742波束指向误差模型204

743定标方案和流程206

744数学推导207

745仿真试验208

746在轨试验210

75在轨联合斜距定标212

751斜距测量误差建模212

752在轨联合定标方法214

753数学分析验证215

参考文献219
第8章P波段数据应用处理221

81概述221

82森林地上生物量反演221

821基于P波段SAR生物量估算模型222

822基于P波段SAR生物量估算实例223

83森林高度及林下地形反演225

831PolInSAR森林高度及林下地形反演基本原理226

832单基线PolInSAR森林高度与林下地形反演算法227

833多基线PolInSAR森林高度与林下地形反演算法230

834层析SAR森林高度与林下地形反演231

835P波段PolInSAR森林高度及林下地形反演实例236

836P波段层析SAR森林高度及林下地形反演实例239

参考文献246

在空间遥感技术中，光学与红外遥感技术具有较佳的分辨率和感官可视性，但易被云雨遮盖，而微波遥感具有全天时、全天候的特点，特别是SAR不仅具有全天时、全天候的特点，而且具有成像的能力，是继可见光和红外遥感之后又一个有效的对地观测成像手段。SAR在遥感技术领域占有越来越重要的地位，已广泛应用于全球变化检测、空间定位、资源开发、环境保护以及其他民用和军事领域。1978年6月28日，首颗SAR卫星—“SeaSAT1”卫星发射升空，随着SAR卫星及其成像技术的研究引起全世界的广泛关注，美国、俄罗斯、德国、意大利、英国、西班牙、芬兰、加拿大、阿根廷、日本、以色列、印度、韩国、中国、欧洲空间局等国家和组织都相继研制、发射了SAR卫星，并成功地投入应用。

随着科学技术的不断发展和人类认知水平的不断提高，人们逐渐认识到生存环境对生产、生活的重要制约作用，森林、土壤、冰川等自然资源的变化对人类的生存发展影响至关重要。有效获取森林蓄积量、植被覆盖下的地形、土壤湿度和西部地区冻土、全球电离层TEC等方面的数据，可以极大丰富完善人类对周围生存环境的感知，为国民经济建设提供信息支撑和决策支援。针对森林资源监测、次地表探测等，需要强穿透性，与其他遥感手段和常规X、L、C波段相比，P波段SAR微波遥感除了具有穿透云层和雨区的能力之外，还能穿透一定深度的地表和植被，从而可以获取植被覆盖的地面信息以及地表下一定深度的信息。此外，P波段SAR天基遥感还可以多极化、多模式获取多维度的观测信息，使得长波长P波段SAR天基微波遥感在遥感领域占有特别重要的地位。

本书是作者在P波段SAR卫星系统技术研究方面开展系列研究工作和成果的总结，全书共8章。第1章介绍了P波段SAR卫星的应用需求和发展现状及趋势；第2章从微波理论的角度分析了P波段空间传播和与地表多层作用的机理，并建立了雷达方程和分析了穿透性特征；第3章从P波段SAR卫星遥感探测的任务分析出发，对P波段SAR卫星工作原理进行了研究；第4章针对层析模式，主要介绍了层析模式的工作原理和轨道设计；第5章针对P波段星载SAR对电离层敏感的特征，介绍了电离层探测与补偿技术；第6章针对P波段SAR卫星易受干扰的特征，给出了抗干扰抑制的方法和试验验证结果；第7章针对高品质P波段SAR卫星成像数据的获取，给出了辐射定标、极化定标、波束指向在轨定标与修正、斜距定标与修正技术和方法；第8章给出了森林地上生物量反演、林高测量反演和林下地形测绘处理的方法。

本书第1章由陈筠力、陈尔学、葛家龙撰写，第2章由胡广清、艾韶杰撰写，第3章由陈筠力、姚佰栋撰写，第4章由张德新、汪长城撰写，第5章由陈杰、姚佰栋、陈筠力撰写，第6章由姚佰栋、陈筠力撰写，第7章由胡广清、陶满意撰写，第8章由汪长城、陈筠力撰写。全书由陈筠力统合定稿。

本书从星地一体化的角度把长波长P波段SAR天基遥感在对地观测方面的应用需求、国内外研究现状、散射理论、任务分析、轨道设计、电离层影响机理及探测补偿、数据处理及应用融合起来。在研究工作中，作者得到了龚健雅院士、李增元研究员的支持和帮助。

由于作者的水平有限，加上P波段SAR卫星系统技术属于国内外新领域，新技术、新应用、新方法在不断发展，书中难免存在疏漏和不足，敬请读者不吝指教。