核心提示：

电离层改正及反演是低频SAR系统高精度研究与应用的重要问题, 通过低频SAR系统可以实现高分辨率、高精度的电离层参数反演，能够极大地提高电离层特征与变化的探测能力。南极中山站是我国空间环境监测的重要地点之一，可以对南极高空大气环境的电离层参数、极光、地磁变化和甚低频辐射等要素进行连续监测，本次报告对基于SAR技术的电离层反演及其应用、中山站空间环境观测、中山站越冬科考经历进行了介绍。

人物介绍：

李冰，武汉大学中国南极测绘研究中心2015级博士，目前主要从事合成孔径雷达（SAR）电离层反演、雷达干涉测量等方面的研究工作。于2018年11月至2019年12月参加中国第35次南极科学考察，作为越冬队员，负责中山站空间环境观测、GNSS跟踪站维护、地磁观测等任务。博士期间发表论文6篇，其中第一作者论文3篇。

报告详情：

2021年6月16日晚上7点，由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的“智汇极地”学术沙龙第40期在中心三楼会议室以及腾讯会议成功举办，2019级硕士生杨子健主持本次讲座。本期讲座嘉宾为李冰博士，曾参加中国第35次南极科学考察，作为越冬队员，负责中山站空间环境观测、GNSS跟踪站维护、地磁观测等任务。李冰博士的报告聚焦于中山站高空大气物理综合观测系统，主要分为三个部分：基于SAR技术的电离层反演及其应用、中山站空间环境观测、中山站越冬科考经历。

一、基于SAR技术的电离层反演及其应用研究

1、研究背景及意义

电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域，位于地面约60公里以上，是近地大气与外部空间连接的纽带。地球大气层受到来自太阳的紫外线、X射线等辐射作用下产生电离，充斥着大量的自由电子、离子以及中性分子（图1）。

图1 电离层研究背景及意义

当前电离层探测能够获得详尽的电离层物理参量，覆盖全球大部分区域且时间分辨率高，但是也存在建设成本高、空间分辨率较低等缺点。对此，相关学者提出了利用SAR技术实现电离层反演。基于SAR像元后向散射信号提取高分辨率二维电离层信息，其分辨率可以达到公里甚至亚公里级，能探测中小尺度电离层不均匀结构和扰动，并且校正SAR测量中的电离层误差。

  2、研究方法

合成孔径雷达的基本思想是以实际天线（D）作为基本单元，随平台运动形成天线阵列（Ls），等效于一个长孔径的雷达天线。利用两景及以上SAR影像可以实现地表三维重建，地表形变信息的提取。

SAR测量通常采用两种极化方式：水平极化（H）和垂直极化（V）。独立目标的电磁散射特性可以由单个极化散射矩阵确定。对于复杂目标或分布式目标，应对极化散射矩阵矢量化处理，通过不同基矩阵生成的极化协方差或者相干矩阵来描述其散射特征。

电离层对SAR测量的影响包括SAR影像畸变、距离延迟、法拉第旋转等。

当前，SAR电离层反演方法主要有方位向偏移法、裂谱法和FR反演法。因为只有法拉第旋转反演法可以得到绝对电离层信息，因此选择此方法作为电离层反演的主要方法（图2）。

图2 SAR电离层反演方法

由于FR估计只利用了散射矩阵和极化协方差矩阵元素，更易于表达散射物理特性的极化相干矩阵元素没有得到有效利用，因此尝试利用极化相干矩阵元素推导稳健的FR估计方法（图3）。

图3 新算法原理

采用不同地物类型的SAR数据验证算法的可靠性，对FR估计结果进行评估。本研究算法、经典（Bickel&Bates）算法、Qi&Jin算法估计均值与标准差整体较小；由于皆由圆极化基交叉极化相关项推导而来，本研究算法和Bickel&Bates算法均值与标准差均相等，且整体表现优于其他算法。通过联立色散公式和基于相干矩阵FR估计算法，可以达到基于FR估计的电离层反演算法的精度。

在SAR研究中，相关结果通常采用斜距坐标系或地理坐标，这两种坐标系参考面为地球表面或椭球表面。而在电离层研究中，为了简化模型，通常定义单层薄层（距离地面250~450km）来代替整个电离层。借鉴GPS电离层穿刺点的计算方法，建立SAR TEC像元坐标由地面向薄层映射的转换模型（图4）。

图4 SAR TEC穿刺面

穿刺面的确定有以下步骤，SAR轨道拟合、SAR像元坐标计算、计算SAR像元卫星高度角和方位角矩阵和SAR像元穿刺面坐标计算。

3、实验与验证

（1）极区

极区是地理和地磁极点所在地，是地球开向太空的窗口，也是监测空间天气活动最理想的地基平台。电离层监测设备受极区环境和地理位置所限，无法大规模布设。地貌单一（冰雪覆盖为主），利用SAR影像后向散射信号反演电离层时受到的噪声干扰更小。数据处理流程与参数如图5，对比结果如图6和图7所示。

图5 数据处理流程及关键参数

图6 GIM电离层对比结果

图7 区域电离层模型对比结果

（2）赤道区域

赤道区域电离层因为被太阳直接照射，活动强度和变化更为剧烈；赤道电离层变化剧烈，闪烁效应更是频繁发生；赤道区域的低频SAR也因此常常受到电离层的影响。作用于电磁波的电离层不规则结构尺寸较小，介于几百米到十几公 里之间，对比结果如图8和图9所示。

图8 GIM电离层对比结果

图9 区域电离层模型对比结果

4、SAR电离层误差改正

InSAR测量中，两次成像时背景电离层的差异能够引起差分相位的偏差，多数情况下这项误差直接被判别为轨道或者大气误差，直接校正可能造成过拟合，甚至引入更大的偏差；尝试利用FR电离层反演方法对InSAR电离层误差进行改正。图10给出了InSAR电离层相位校正结果与裂谱法校正结果的对比，图11与图12给出了不同研究地区的GIM对比结果和IRI对比结果。

图10 InSAR电离层相位校正结果与裂谱法校正结果的对比

图11 GIM对比结果

图12 IRI对比结果

5、结论与展望

本研究围绕低频SAR数据处理中的电离层误差问题，分析了电离层对SAR测量的影响，利用SAR技术实现了电离层反演，校正了SAR 数据及产品中的电离层误差，主要结论：

（1）推导了基于极化相干矩阵的法拉第旋转（FR）估计算法，以此为基础，提出了相应的电离层反演方法，并测试了算法的可靠性；建立了SAR TEC像元坐标由地面向薄层映射的转换模型。

（2）利用SAR技术实现了南极区域和赤道区域电离层的反演，将电离层空间分辨率提高至百米级别。对比结果表明SAR TEC与GPS TEC差值低至1个TECU，SAR电离层反演方法结果比较可靠。

（3）提出了基于法拉第旋转反演的InSAR电离层相位补偿方法，建立了电离层效应补偿的相应流程。以电离层扰动频繁发生的高纬度和赤道地区为例，验证了方法的有效性。

工作展望：

（1）未来基于更加丰富的数据对SAR电离层在全南极、甚至于全球的反演精度进行更加系统的评估。

（2）通过SAR和GNSS的有机融合，进一步提高SAR反演电离层的空间覆盖范围和时间分辨率。

（3）本研究对InSAR电离层误差校正方法的改正效果进行了对比和评估，未来将尝试融合多种校正方法，进一步改善校正结果。

二、中山站空间环境观测

极区是地球开向太空的窗口，南极是监测空间天气活动最理想的地基平台。在南极对极区空间环境开展长期、连续的业务化监测，对空间天气预报研究及其应用，具有重要的价值。同时，在日地空间物理研究中，极区观测研究占有极其重要的地位。

极区空间环境监测的首要任务是保证中山站高空大气物理综合观测系统（共15台（套）设备）的运转与维护，获取规范的观测数据。中山站极区空间环境观测系统设备从观测要素的角度可以分为电离层、地磁和极光观测三类。对南极高空大气环境的电离层电子密度、电离层漂移、电离层吸收、极光全天空图像、极光光度、地磁三分量和地磁脉动和甚低频辐射等要素进行连续监测，至今已积累了超过十年的观测数据（图13）。

图13 中山站高空物理科学观测

三、中山站越冬

继《南极公约》冻结了世界各国对南极的领土要求后，从科学的角度认识南极便成为中国及其他大国探索南极的根本动机。南极洲大陆经历过十分复杂的地质运动，在厚重的冰层下及周边海域内蕴含大量潜在资源，是人类社会未来发展的重要保障之一。认识南极的演变、形成和矿产分布，是针对南极展开综合研究的重要目标。

李冰博士向大家科普了南极的自然环境与南极的科考价值，分享了在雪龙船和中山站的见闻（图14）。

图14 南极科考介绍

报告结束后，与会的各位老师和同学与李冰博士进行了热烈讨论，大家受益匪浅。倾听报告的各位老师和同学对这次讲座精彩纷呈表示感谢！

（编辑：王俊豪  审核：郝卫峰）