解决火星探测难题 南京航空航天大学研究电离层对雷达成像影响

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科技日报记者 李禾

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近日，中国科学院近代物理研究所与国内外多家单位合作，利用天问一号火星能量粒子分析仪获得了首个科学成果，研究讨论了基于该载荷在地火转移轨道中观测到的一个太阳高能粒子事件。

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火星的地下和电离层数据是认知、探索火星并研究其地质演化进程的关键信息。火星轨道飞行器装载了多波段低频合成孔径雷达（SAR），可以发射低频无线电波，这类无线电波能够穿透火星表面并向地下传播。然而，当探测雷达的高频脉冲信号通过火星电离层时，电离层的色散效应会引起信号衰减和时间延迟，并导致相位提前，使得回波无法被匹配和滤波。在期刊《空间科学与技术》（《Space: Science & Technology》）新发表的论文中，南京航空航天大学航天学院副院长盛庆红教授团队提出了一种高频波段模型来研究电离层中信号传播路径的变化，并仿真分析了不同条件下，电离层色散效应对单个SAR信号和成像的影响。

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论文介绍了电离层的色散效应和电离层中的信号路径变化。电离层是一种具有各向异性特性的特殊色散介质。对于频谱较宽的无线电信号，信号的不同频率分量在电离层中以不同的相速度传播，不同频率分量的相位不同。由此，信号会失真，脉冲也会在时间和空间上变宽，这就是电离层的色散现象。色散效应会引起信号幅值衰减、相位提前和信号脉冲展宽，直接影响距离脉冲压缩和校正等回波处理的效果，干扰有效信号提取。盛庆红教授团队应用数学统计模型，量化了电离层色散效应对回波脉冲压缩和范围分辨率的影响。还模拟了信号传输路径，并基于火星真实电离层数据构建了火星电离层模型。采用了路径跟踪方法来获取色散效应对雷达信号的影响，通过泰勒级数展开并保留高阶项来计算信号的累积附加相位。针对信号带宽、载波频率、电离层离子浓度以及路径入射角这四类影响因素，分析了这些因素对火星电离层色散效应带来的相位误差的影响程度。结果表明，在暂时不考虑磁场、太阳异常活动影响等其他因素的情况下，团队所提出模型可以有效模拟火星电离层。

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（文中图片由《空间科学与技术》期刊编辑部提供）

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