Effekten af ​​Mars ionosfæriske spredning på SAR-billeddannelse

Mars' undergrund registrerer vigtige historiske oplysninger om planetens dannelse og udvikling. Som et ioniseret medium spiller Mars ionosfære en særlig rolle i radiobølgeudbredelsen og er direkte relateret til den lokale kommunikation på Mars og kommunikationen mellem Mars og Jorden.

Derfor giver oplysningerne om undergrunden og Mars ionosfære et videnskabeligt grundlag for at forstå og udforske Mars, samt for at studere historien om geologisk evolution. Den multibånds lavfrekvente nedadvendte Synthetic Aperture Radar (SAR) monteret på Mars Orbiter kan udsende lavfrekvente radiobølger, der kan trænge ind i Mars' overflade og forplante sig nedad.

Ved passage gennem ionosfæren påvirkes højfrekvente (HF) pulssignaler fra Mars Exploration Radar af spredningseffektfejlen, som resulterer i signaldæmpning og tidsforsinkelse og bevirker en fasefremgang på en sådan måde, at ekkoet ikke kan matches og filtreres.

I en forskningsartikel for nylig offentliggjort i Space:Science &Technology , Zhijun Yan fra Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, undersøgte egenskaberne ved ionosfærisk forvrængning og konstruerede en effektiv model for HF-bølgebåndet til at simulere og analysere indflydelsen af ​​den ionosfæriske spredningseffekt på det enkelte SAR-signal og billeddannelse under forskellige båndbredder, bærefrekvenser , baneindfaldsvinkler og ionkoncentrationen i Mars ionosfære.

Først og fremmest introducerede forfatteren den ionosfæriske spredningseffekt og signalvejsændring i ionosfæren. Ionosfæren var et specielt dispersivt medium med anisotrope egenskaber. For et radiosignal med et bredt frekvensspektrum forplantede forskellige frekvenskomponenter af signalet sig ved forskellige fasehastigheder i ionosfæren, og derfor havde forskellige frekvenskomponenter forskellige faseforhold. Signalet ville blive forvrænget, og pulsen blev udvidet i tid og rum.

Dette var spredningsfænomenet i ionosfæren. Bagefter blev matematiske og statistiske metoder anvendt til at beskrive ionosfæriske påvirkninger på ekkoer. Ionosfærisk spredning havde virkningerne såsom signalforvrængning, turbulensamplitude og faseudsving.

Ekkoer kan ikke matche den matchede filterfunktion, som direkte førte til forringelse af billedkvaliteten efter pulskompression og rækkeviddeopløsningen af ​​radaren, hvilket alvorligt påvirkede dens detektionsevne. Brydningsindekset for elektromagnetisk bølgeudbredelse i Mars ionosfære kan udtrykkes som en funktion af frekvensen og elektrondensiteten.

I betragtning af arbejdsfrekvensbåndet (MHz) af Mars Exploration Radar, kan de høje ordens vilkår for brydningsindekset ikke ignoreres. Da brydningsindekset ændrede sig med frekvens og position, afveg SAR-signalet fra det normale signal i et vakuum, hvilket påvirkede resultatet af SAR-billeddannelse. Mars-ionosfæren ændrede sig konstant og havde en vis grad af tilfældighed, hvilket gjorde, at ekkofasen var tilfældig og ubestemmelig. Derfor var det nødvendigt at bruge statistiske modeller til at studere Mars-ionosfærens indflydelse på SAR-billeddannelse.

Derefter simulerede forfatteren signaltransmissionsveje og brugte Mars' rigtige ionosfæriske data til at udvikle Mars ionosfæriske model. Vejsporingsmetoden blev brugt til at opnå indflydelsen af ​​spredningseffekten på radarsignalet. Den yderligere fasefejl af signalet blev opnået ved simulering af højordens Taylor-serietilnærmelse.

Nøgletrinet var at etablere den rumlige fordeling af brydningsindekset og bestemme den sande indflydelse af signaludbredelse på SAR-ekkoet. Den rumlige fordeling af brydningsindekset kan bestemmes af den rumlige fordeling af elektrondensitet og signalfrekvens. Signaludbredelsesvejen kan opnås ved stisporingsteknologi. På baggrund af ovenstående analyse var de faktiske simuleringstrin som følger:

1. I henhold til Mars' ionkoncentrationsfordelingsdata blev Chapman-modellen brugt til at bygge relationsmodellen.
2. I henhold til systemsimuleringsparametrene og Ne (Mars ionosfæriske model af forskellige solaktivitetsperioder og forskellige zenitvinkler) blev stisporingsmetoden brugt til at simulere banen for detektionssignalet, der blev brudt i ionosfæren og til at beregne de to- vej fase fremgang forårsaget af spredningseffekten.
3. Multiplicerede det ideelle signal og den ekstra fasefremgang i området frekvens-domæne.
4. Invers Fourier-transformation blev udført på frekvensdomænesignalet for at opnå det berørte signal i tidsdomænet og derefter sammenligne det med det ideelle signal.

Desuden foretages analyser af fasefejlen samt effekterne på placeringen af ​​pointmål. Simulering af pulskompressionsbehandlingstilstanden for punktmålekkosignalet udføres for at simulere SAR-ekkobehandlingen.

Fasefejlen forårsaget af den ionosfæriske spredningseffekt medførte forskellige grader af tidsdomænefrekvensskift, hvilket gav vanskeligheder med pulskompression og ekkokorrektion. Pulskompressionen kan effektivt adskille stærke punktmål på en relativt tæt afstand, men fasefejlen gjorde det umuligt klart at skelne punktmål efter ekkobehandling.

Gennem simuleringerne mente forfatteren, at indflydelsen af ​​den kromatiske spredningseffekt på signalet hovedsageligt er introduktionen af ​​fasefejl, signalskift og tidsforsinkelse. Desuden var et lavfrekvent signalskift stærkt påvirket af det totale elektronindhold (TEC) og bærefrekvensen.

Udvidelsen af ​​hovedloben af ​​pulsen efter signalet var påvirket var også relateret til båndbredden, bærefrekvensen og TEC. Som konklusion kan modellen effektivt estimere Mars uden at overveje virkningerne af magnetiske felter og unormal solaktivitet og virkningen af ​​ionosfæren på syntetiske aperture radar (SAR) ekkoer. + Udforsk yderligere

Et skridt i retning af at gøre GPS mere modstandsdygtig over for rumvejr