基于尾跡極化SAR 圖像的艦船速度反演*

范文娜 畢 楊 翟 維 劉 坤 逯九利

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院 西安 710077）

1 引言

近年來(lái)隨著高分辨合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術(shù)的發(fā)展，SAR 已成為地面、海洋環(huán)境中車(chē)輛、艦船等目標(biāo)監(jiān)測(cè)、探測(cè)、識(shí)別的重要工具。而針對(duì)海洋環(huán)境中的艦船目標(biāo)，基于SAR 圖像開(kāi)展其速度反演工作，無(wú)論是在貨輪、軍艦的監(jiān)測(cè)或是雷達(dá)圖像的校正方面均具有重要的應(yīng)用價(jià)值［1～2］。

另一方面，艦船尾跡作為艦船速度反演的一個(gè)重要特征，其幾何特征與艦船速度相關(guān)，且具有存在范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此已成為開(kāi)展艦船速度反演的有力工具，并收到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。G. Zilman［3］、A. Panico［4］等先后開(kāi)展了基于SAR 圖像中開(kāi)爾文尾跡特征的艦船速度估計(jì)工作。復(fù)旦大學(xué)的徐鵬教授等提出了基于尾跡空間譜特征開(kāi)展尾跡特征增強(qiáng)，并用于艦船速度的預(yù)估［5］。西安電子科技大學(xué)張民教授等提出了一種基于艦船尾跡二維譜特征的艦船速度估計(jì)方法，在實(shí)際SAR 圖像中艦船速度預(yù)估上取得了比較好的結(jié)果［6］。

前述研究工作主要關(guān)注的是基于尾跡的艦船速度反演方法研究。而不同極化下的艦船尾跡SAR圖像具有不同的特征，因此本文的主要目的是通過(guò)開(kāi)展艦船尾跡全極化SAR圖像仿真，分析極化對(duì)速度反演精度的影響，為雷達(dá)對(duì)海探測(cè)提供理論指導(dǎo)。

2 含艦船尾跡的海場(chǎng)景幾何構(gòu)建

海上艦船運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾跡包括Kelvin 尾跡、湍流尾跡、內(nèi)波尾跡等，本文的主要針對(duì)Kelvin 尾跡進(jìn)行研究。L. Kelvin 給出了運(yùn)動(dòng)艦船產(chǎn)生的Kelvin 尾跡的理論公式，速度為V 且沿著負(fù)x 方向運(yùn)動(dòng)的艦船Kelvin尾跡可表示為［7］

而對(duì)于海面幾何，本文則根據(jù)海譜，采用線(xiàn)性濾波方法生成，其基本思想是在頻域利用海譜對(duì)高斯白噪聲進(jìn)行濾波，并轉(zhuǎn)換到空間域得到海面高度起伏分布。本文采用的海譜是利用Elfouhaily 提出的能量譜［8］和Longuet-Higgins 提出的空間分布函數(shù)［9］共同組成的，而后者主要是為了考慮風(fēng)向的影響。在此基礎(chǔ)上，將尾跡幾何與海面幾何進(jìn)行線(xiàn)性疊加便可得到含艦船尾跡的復(fù)合海場(chǎng)景。圖1 給出了不同風(fēng)速、船速情形下的含尾跡海場(chǎng)景，海面尺寸為300m×300m，風(fēng)速分別為6m∕s 和10m∕s；船長(zhǎng)120m，船寬30m，吃水深度為8m，船速分別為6m∕s 和10m∕s。從圖中可以看出當(dāng)船速固定時(shí)，在風(fēng)速較小時(shí)，海浪較為平靜，尾跡幾何表現(xiàn)較為明顯；而隨著風(fēng)速的增加，海浪起伏增大，尾跡將會(huì)被海浪淹沒(méi)。而對(duì)于同一風(fēng)速，船速越大，尾跡在海場(chǎng)景中幾何結(jié)構(gòu)越明顯。

圖1 含艦船Kelvin尾跡的海場(chǎng)景幾何

3 含艦船尾跡的海場(chǎng)景全極化SAR圖像仿真

對(duì)于海場(chǎng)景的SAR 圖像仿真，可以按照真實(shí)SAR的成像過(guò)程進(jìn)行回波數(shù)據(jù)獲取，進(jìn)而利用成像算法（例如距離多普勒算法、調(diào)頻變標(biāo)算法等）對(duì)回波進(jìn)行處理，得到SAR圖像。然而由于海面場(chǎng)景的時(shí)變特性、海面尺寸的電大特性以及SAR成像過(guò)程中雷達(dá)視角的變化，使得SAR真實(shí)回波的仿真計(jì)算量巨大。而針對(duì)海場(chǎng)景，眾多學(xué)者通過(guò)對(duì)其成像機(jī)理進(jìn)行研究，提出了不同的仿真模型，而其中最具

代表性的是W. Aplers 等提出的速度聚束模型，此模型考慮了大尺度波對(duì)微尺度毛細(xì)波浪成分的傾斜調(diào)制和流體力學(xué)調(diào)制以及海浪運(yùn)動(dòng)對(duì)成像的速度聚束調(diào)制三部分，從而能夠高效地獲取海浪的SAR 圖像。根據(jù)速度聚束模型，對(duì)于圖2 中沿x 方向運(yùn)動(dòng)的SAR 平臺(tái)，成像平面內(nèi)任意位置（x，y）處的圖像強(qiáng)度表示為［10～11］

此時(shí)，關(guān)于上式，最重要一點(diǎn)則為σsea( )x0，y0的求解，而速度聚束模型實(shí)際上也就是通過(guò)考慮海浪SAR 機(jī)理后的由海面二維空間面元散射分布向雷達(dá)圖像平面的映射過(guò)程。對(duì)于含尾跡的海場(chǎng)景的任意位置處面元的雷達(dá)散射截面σsea(x0，y0)的求解，本文采用基于面元思想的全極化散射模型（Full-Polarized Facet-based Scattering Model，F(xiàn)PFSM）方法進(jìn)行求解［12］。

圖2～圖4 給出了基于速度聚束模型仿真得到的對(duì)應(yīng)于圖1 幾何的不同極化模式下的SAR 圖像，其中SAR工作在C波段，分辨率為1.6m×1.6m，入射角度為45°。從仿真結(jié)果可以看出，極化模式、風(fēng)速、船速對(duì)于尾跡SAR圖像均有較大的影響。對(duì)于同極化情形，尾跡紋理特征較為清晰，橫斷波和擴(kuò)散波均能夠較好地觀察到，并且HH 極化圖像中波峰、波谷對(duì)比更為明顯。而在交叉極化圖像中，尾跡橫斷波成分難以觀測(cè)到，但是尾跡圖像整體強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于海面本身，因此也可以作為探測(cè)艦船位置的工具。

圖2 HH極化下含艦船Kelvin尾跡的海場(chǎng)景SAR圖像，從上至下船速與風(fēng)速與圖1一致

圖3 VV極化下含艦船Kelvin尾跡的海場(chǎng)景SAR圖像，從上至下船速與風(fēng)速與圖1一致

圖4 HV極化下的含艦船Kelvin尾跡的海場(chǎng)景SAR圖像；從上至下船速與風(fēng)速與圖1一致

4 極化模式對(duì)反演精度的影響分析

基于上述結(jié)果，本節(jié)主要開(kāi)展極化模式對(duì)艦船速度反演精度的影響分析，艦船速度反演方法為文獻(xiàn)［6］提出的自動(dòng)估計(jì)方法，基于圖2～圖4 中不同極化SAR圖像對(duì)不同風(fēng)速、船速情形下的艦船速度（包括大小與方向）預(yù)估結(jié)果如表1所示。

表1 艦船速度反演結(jié)果

從反演結(jié)果可以看出，HH 極化和VV 極化SAR圖像在不同船速、風(fēng)速情形下都具有較好的預(yù)估精度，而交叉極化圖像雖然也能夠較好地對(duì)船速進(jìn)行反演，但在船向的預(yù)估精度上略低于同極化情形。此外，由于交叉極化尾跡中波峰波谷特征不明顯，使得基于波浪長(zhǎng)度反演艦船速度的方法難以在尾跡交叉極化圖像中實(shí)現(xiàn)。即便如此，文獻(xiàn)［6］中提出的方法依舊可以較好地實(shí)現(xiàn)艦船速度反演。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合電磁散射模型和SAR 成像模型開(kāi)展了不同海況、船速、極化情形下的含艦船尾跡的海場(chǎng)景SAR 圖像仿真與艦船速度反演工作。仿真結(jié)果表明，尾跡SAR圖像特征與雷達(dá)極化模式、海況、艦船船速相關(guān)。同極化SAR 圖像中可觀測(cè)到清晰的尾跡波浪特征，而在交叉極化圖像中，尾跡橫斷波成分難以觀測(cè)到，且波浪特征不明顯，但是尾跡圖像整體強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于海面本身。此外，艦船速度預(yù)估結(jié)果表明，盡管交叉極化和同極化SAR圖像中表現(xiàn)出不同的尾跡特征，不同極化下的SAR圖像均可以用來(lái)反演艦船運(yùn)動(dòng)速度。