El subsuelo de Marte registra importante información histórica sobre la formación y evolución del planeta. Como medio ionizado, la ionosfera marciana juega un papel especial en la propagación de ondas de radio y está directamente relacionada con la comunicación local en Marte y la comunicación entre Marte y la Tierra.

Por tanto, la información sobre el subsuelo y la ionosfera marciana proporciona una base científica para comprender y explorar Marte, así como para estudiar la historia de la evolución geológica. El radar de apertura sintética (SAR) de baja frecuencia y multibanda montado en el Mars Orbiter puede emitir ondas de radio de baja frecuencia que pueden penetrar la superficie de Marte y propagarse hacia abajo.

Al pasar por la ionosfera, la señal de pulso de Alta Frecuencia (HF) del Radar de Exploración de Marte se ve afectada por el error del efecto de dispersión, lo que resulta en la atenuación y retardo de la señal y provoca un avance de fase tal que el eco no puede ser emparejado y filtrado.

En un artículo de investigación publicado recientemente en Space:Science &Technology , Zhijun Yan de la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing, investigó las características de la distorsión ionosférica y construyó un modelo efectivo para la banda de ondas de alta frecuencia para simular y analizar la influencia del efecto de dispersión ionosférica en la señal SAR única y la generación de imágenes bajo diferentes anchos de banda, frecuencias portadoras , ángulos de incidencia de la trayectoria y la concentración de iones en la ionosfera marciana.

En primer lugar, el autor introdujo el efecto de dispersión ionosférica y el cambio de trayectoria de la señal en la ionosfera. La ionosfera era un medio dispersivo especial con características anisótropas. Para una señal de radio con un amplio espectro de frecuencias, diferentes componentes de frecuencia de la señal se propagaron a diferentes velocidades de fase en la ionosfera y, por lo tanto, diferentes componentes de frecuencia tenían diferentes relaciones de fase. La señal se distorsionaría y el pulso se ampliaría en el tiempo y el espacio.

Este fue el fenómeno de dispersión de la ionosfera. Posteriormente, se aplicaron métodos matemáticos y estadísticos para describir los impactos ionosféricos en los ecos. La dispersión ionosférica tuvo efectos tales como distorsión de la señal, amplitud de turbulencia y fluctuaciones de fase.

Los ecos no pueden igualar la función de filtro adaptado, lo que condujo directamente a la degradación de la calidad de la imagen después de la compresión de pulsos y la resolución de rango del radar que afectó gravemente su capacidad de detección. El índice de refracción de la propagación de ondas electromagnéticas en la ionosfera marciana se puede expresar en función de la frecuencia y la densidad electrónica.

Teniendo en cuenta la banda de frecuencia de trabajo (MHz) del radar de exploración de Marte, los términos de alto orden del índice de refracción no pueden ignorarse. A medida que el índice de refracción cambiaba con la frecuencia y la posición, la señal SAR se desviaba de la señal normal en el vacío, lo que afectaba el resultado de las imágenes SAR. La ionosfera marciana cambiaba constantemente y tenía cierto grado de aleatoriedad, lo que provocaba que la fase de eco fuera aleatoria e indeterminada. Por lo tanto, fue necesario utilizar modelos estadísticos para estudiar la influencia de la ionosfera marciana en las imágenes SAR.

Luego, el autor simuló rutas de transmisión de señales y utilizó los datos ionosféricos reales de Marte para desarrollar el modelo ionosférico marciano. Se utilizó el método de seguimiento de trayectoria para obtener la influencia del efecto de dispersión en la señal del radar. El error de fase adicional de la señal se obtuvo mediante la simulación de la aproximación de la serie de Taylor de alto orden.

El paso clave fue establecer la distribución espacial del índice de refracción y determinar la verdadera influencia de la propagación de la señal en el eco SAR. La distribución espacial del índice de refracción se puede determinar mediante la distribución espacial de la densidad de electrones y la frecuencia de la señal. La ruta de propagación de la señal se puede obtener mediante tecnología de seguimiento de ruta. Sobre la base del análisis anterior, los pasos reales de la simulación fueron los siguientes:

1. Según los datos de distribución de concentración de iones de Marte, se utilizó el modelo de Chapman para construir el modelo de relación.
2. Según los parámetros de simulación del sistema y Ne (modelo ionosférico marciano de diferentes períodos de actividad solar y diferentes ángulos cenitales), se utilizó el método de seguimiento de trayectoria para simular la trayectoria de la señal de detección refractada en la ionosfera y para calcular los dos avance de fase de la vía causado por el efecto de dispersión.
3. Multiplicó la señal ideal y el avance de fase adicional en el rango de dominio de frecuencia.
4. La transformada inversa de Fourier se realizó en la señal del dominio de la frecuencia para obtener la señal afectada en el dominio del tiempo y luego compararla con la señal ideal.

Además, se realizan análisis del error de fase así como de los efectos sobre la posición de los puntos de destino. La simulación del modo de procesamiento de compresión de pulsos de la señal de eco del objetivo puntual se lleva a cabo para simular el procesamiento de eco SAR.

El error de fase causado por el efecto de dispersión ionosférica provocó diferentes grados de cambio de frecuencia en el dominio del tiempo, lo que presentó dificultades en la compresión del pulso y la corrección del eco. La compresión de pulso puede separar con eficacia objetivos puntuales fuertes a una distancia relativamente cercana, pero el error de fase hizo imposible distinguir claramente los objetivos puntuales después del procesamiento de eco.

A través de las simulaciones, el autor sostuvo que la influencia del efecto de dispersión cromática en la señal es principalmente la introducción de errores de fase, cambio de señal y retardo de tiempo. Además, un cambio de señal de baja frecuencia se vio muy afectado por el contenido total de electrones (TEC) y la frecuencia portadora.

El ensanchamiento del lóbulo principal del pulso después de que la señal se vio afectada también estuvo relacionado con el ancho de banda, la frecuencia portadora y el TEC. En conclusión, el modelo puede estimar efectivamente Marte sin considerar los efectos de los campos magnéticos y la actividad solar anómala y el efecto de la ionosfera en los ecos del radar de apertura sintética (SAR). + Explora más

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