江 源，曲長文，周 強(qiáng)

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.電子信息工程系；c.科研部，山東煙臺264001）

雷達(dá)參數(shù)對SAR圖像中Kelvin尾跡的影響

江 源a，曲長文b，周 強(qiáng)c

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.電子信息工程系；c.科研部，山東煙臺264001）

艦船尾跡的SAR成像受到船艇自身、海洋環(huán)境和SAR系統(tǒng)等多種因素的影響，其中起主要作用的是雷達(dá)參數(shù)的影響。文章重點(diǎn)對影響艦船Kelvin尾跡SAR成像的SAR系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)討論和分析，其中包括極化方式、視向角、頻率以及入射角對Kelvin尾跡的影響因素。給出了各種參數(shù)對尾跡成像的影響規(guī)律，通過此規(guī)律有助于下一步得出艦船尾跡的最佳觀測條件。

SAR；Kelvin尾跡；雷達(dá)參數(shù)

當(dāng)艦船在水面上航行時(shí)，其后面會(huì)產(chǎn)生很明顯的尾跡并且在很長一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)消失，Kelvin尾跡就是其中一種主要的特征尾跡[1]。Kelvin尾跡是所有尾跡中包含艦船信息最多的一個(gè)。因此，對Kelvin尾跡的研究顯得尤為重要，有利于對其構(gòu)建仿真模型，并對尾跡檢測提供有利的幫助。SAR對艦船Kelvin尾跡場能否成像以及成像質(zhì)量的好壞取決于3個(gè)方面的因素：一是船艇自身的因素，包括速度、尺寸、船型、吃水深度、潛深（對潛艇來說）等；二是海洋環(huán)境因素的影響，包括海面風(fēng)場的風(fēng)速、風(fēng)向等；三是雷達(dá)參數(shù)，主要包括雷達(dá)頻率、入射角、視向、極化等[2-4]。在進(jìn)行波流相互作用計(jì)算和海面后向電磁散射計(jì)算過程中，選取不同的源函數(shù)和電磁散射模型也會(huì)對尾跡成像產(chǎn)生影響。弄清這些因素在SAR成像過程中的作用及其影響程度，可為設(shè)計(jì)并改進(jìn)SAR觀測系統(tǒng)和選擇尾跡最佳觀測條件提供參考。同時(shí)，也可為后續(xù)應(yīng)用成像結(jié)果進(jìn)行艦船尾跡的檢測以及艦船位置、速度、尺寸等參數(shù)的反演提供數(shù)據(jù)支撐[4-11]。本文主要研究雷達(dá)參數(shù)對Kelvin尾跡的影響。

1 極化方式的影響

極化是一個(gè)描述SAR天線輻射的電場強(qiáng)度矢量和磁場強(qiáng)度矢量在空間的方向概念[12]，極化一般分為線極化、圓極化和橢圓極化等。SAR天線一般采用線極化方式。線極化按照發(fā)射和接收的不同又有HH、HV、VH和VV 4種工作模式。SAR采用不同的天線極化方式會(huì)直接影響到其天線的收發(fā)匹配及接收效率。因而有必要對其進(jìn)行對比研究以確定不同極化方式對尾跡成像產(chǎn)生的影響。

圖1和表1為分別采用HH、VV、HV和VH極化方式的海面場景SAR圖像及其對應(yīng)的尾跡兩臂的相對平均NRCS。從圖1中對比可以看出，極化對艦船產(chǎn)生的Kelvin尾跡后向散射影響不大，差別不明顯。

圖1 采用不同極化方式的尾跡后向散射及其SAR圖像Fig.1 Wake backscattering and its SAR image of difference polarizations

表1 不同極化方式下的尾跡后向散射Tab.1 Backscattering from wake with different polarization

圖2顯示了雷達(dá)采用不同頻段時(shí)極化方式對尾跡后向散射的影響。從圖2中可以看到，隨著頻率的增加，不同極化方式下后向散射具有一致的衰減趨勢，但各種極化方式對后向散射的影響并不明顯，在各種極化方式獲得的成像結(jié)果基本相同。由于在對海面觀測時(shí)，雷達(dá)在VV極化條件下具有最高的信噪比，因而實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮選用VV極化。

圖2 不同頻段極化方式對尾跡后向散射的影響Fig.2 Influence on backscattering with polarization under difference frequencies

2 視向角的影響

Radarsat對海面艦船Kelvin尾跡的觀測結(jié)果顯示，SAR與艦船航向之間的夾角不同，其對尾跡不同部分的散射存在明顯的差異。為探究SAR不同視向?qū)elvin尾跡的成像規(guī)律以及對潛艇Kelvin尾跡成像時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，進(jìn)行如下對比仿真實(shí)驗(yàn)。圖3為SAR對海面尾跡的觀測示意圖。設(shè)定潛艇航行的反方向?yàn)閤軸正向，SAR與x軸正向沿逆時(shí)針方向的夾角為?0。

圖3 SAR對海面尾跡觀測示意圖Fig.3 Schematic graph of SAR wake detection

圖4為采用表2中所示參數(shù)獲得的不同SAR視向下潛艇海面Kelvin尾跡的模擬圖像。從圖4中可以看出，在不同的視向下，海面尾跡呈現(xiàn)出不同的特征，有時(shí)尾跡十分明顯，有時(shí)十分微弱，有時(shí)出現(xiàn)一臂亮一臂暗的情況。

圖4 不同視向下潛艇Kelvin尾跡模擬圖Fig.4 Simulation imaging of submarine wake under different looking direction

表2 SAR不同視向成像時(shí)的仿真參數(shù)Tab.2 Parameters for wake detection under different looking direction

表3為通過采用功率比計(jì)算的圖4中尾跡右臂和尾跡左臂的相對平均NRCS的值 Δσ_dB_r和Δσ_dB_l。對表3中的結(jié)果分析可知：當(dāng)?0=0°時(shí)，尾跡的左臂和右臂的相對平均NRCS值基本相當(dāng)，表明此時(shí)尾跡兩臂對電磁波具有同等散射能力；當(dāng)?0=30°時(shí)，尾跡的右臂散射能力增強(qiáng)而左臂的散射能力下降；當(dāng)?0=90°時(shí)，尾跡兩臂均出現(xiàn)了下降，表明此時(shí)海面尾跡散射的微弱性。為對不同視向下尾跡兩臂隨雷達(dá)視向角的變化規(guī)律有全面的了解，?0取0°～360°之間的各整數(shù)值，模擬出各種視向下尾跡兩臂的相對平均NRCS如圖5所示。從圖5中可看出，隨著SAR視向角的變化，尾跡兩臂交替出現(xiàn)極大值和極小值。以尾跡左臂為例，當(dāng)?0約為40°和220°時(shí)，左臂出現(xiàn)峰值，且在220°時(shí)后向散射略高于40°時(shí)的后向散射。當(dāng)?0約為120°和300°時(shí)，左臂出現(xiàn)谷值。結(jié)合衛(wèi)星海洋學(xué)理論[4]可知，當(dāng)波浪傳播方向與雷達(dá)視向在同一條線上時(shí)，其后向散射最大，從而得知，尾跡左臂上尖波的傳播方向與x軸正向的夾角約為40°或220°。又因雷達(dá)視向與波浪傳播方向反向時(shí)的散射強(qiáng)度高于雷達(dá)視向與波浪傳播方向同向時(shí)的散射強(qiáng)度，故左臂上的尖波與x軸正向的夾角應(yīng)約為220°，與Hennings對艦船尾跡成像的結(jié)論基本一致，即尖波的傳播與航行方向夾角在35.3°≤?≤54.1°范圍內(nèi)。這一結(jié)果同時(shí)也表明潛艇Kelvin興波尾跡與海面艦船Kelvin尾跡具有相似的特征。

圖5 雷達(dá)不同視向下尾跡兩臂的相對平均后向散射值Fig.5 Relative mean NRCS of left and right arm under different looking direction

表3 不同雷達(dá)視向下尾跡兩臂后向散射對比Tab.3 Comparison of left and right arm backscatter under different looking directions

圖6為美國洛克希德?馬丁公司公布的美國海軍編隊(duì)的真實(shí)SAR圖像與仿真圖像的對比。

圖6 真實(shí)圖像與仿真圖像對比Fig.6 Comparison of the real image and the simulated image

本文以圖5中白色方框內(nèi)的艦船的Kelvin尾跡為研究對象，運(yùn)用本文的方法對比了尾跡兩臂相對后向散射信息（由于只獲得了SAR圖像而沒有獲得圖像原始數(shù)據(jù)，因而就無法獲得兩臂的相對后向散射值，此處采用圖像上尾跡兩臂的相對平均灰度值來近似代替兩臂的相對后向散射值），并根據(jù)圖5所示規(guī)律計(jì)算出雷達(dá)視向應(yīng)為142°，最后運(yùn)用本文的方法結(jié)合典型海況仿真了在這一雷達(dá)視向下的尾跡圖，與真實(shí)圖像對比可以看出本文的方法可以較好地仿真海面的尾跡信息，同時(shí)也表明采用此種方法計(jì)算的雷達(dá)視向角應(yīng)是正確、合理的。

3 頻率選擇的影響

當(dāng)前，國際上在運(yùn)行的SAR系統(tǒng)主要工作在P、L、C、X等波段。表4為同一照射幾何下，采用不同波段的SAR觀測同一片海域得到的雷達(dá)后向散射截面。從表中可以看出，L波段圖像尾跡的相對平均后向散射最大，因而在圖像中最明顯，C波段和X波段的圖像效果差別不大，均劣于L波段的成像效果。因而L波段是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)艦船Kelvin尾跡探測的首選波段。

表4 不同波段雷達(dá)對尾跡的后向散射能力對比Tab.4 Comparison of wake backscattering abilities for different radar frequency

圖7為尾跡單臂尖波相對平均后向散射系數(shù)隨入射頻率的變化關(guān)系。從圖7中可以看出，隨著頻率的增加，后向散射在L波段最大，隨后呈現(xiàn)下降的趨勢，且當(dāng)頻率達(dá)到4GHz后，散射值基本保持穩(wěn)定水平，即尾跡后向散射在C波段與X波段差別不大。圖8為當(dāng)尖波傳播方向與雷達(dá)視向逆向、同向和垂直時(shí)其后向散射的變化規(guī)律?？梢钥闯?，尖波傳播方向與雷達(dá)視向逆向時(shí)后向散射最大；同向時(shí)后向散射次之，但與逆向時(shí)差別不大；垂直時(shí)最小。隨著入射頻率的增加，逆向和同向時(shí)的相對平均后向散射迅速減小，而垂直時(shí)其后向散射基本不隨入射頻率的變化而變化。

圖7 尾跡左臂相對平均后向散射系數(shù)隨入射頻率的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between wake left arm relative mean NRCS and incidence angle

圖8 尾跡左臂尖波相對平均后向散射系數(shù)隨入射頻率的變化關(guān)系Fig.8 Relationship between wake left arm crsp relative mean NRCS and incidence angle

4 不同入射角的影響

圖9為SAR不同入射角下對海面尾跡觀測示意圖，圖10為在圖9所示的入射幾何獲得的SAR系統(tǒng)在不同入射角時(shí)對海面尾跡的雷達(dá)后向散射結(jié)果。

圖9 SAR不同入射角下對海面尾跡觀測示意圖Fig.9 Sketch map of wake detection with different incidence

圖10 尾跡左臂的相對平均NRCS隨入射角的變化關(guān)系Fig.10 Relationship between relative mean NRCS of wake and incidence angle

由圖10可見，隨著入射角的增加，雷達(dá)逆著尖波傳播方向照射（以下簡稱逆向）和雷達(dá)順著尖波傳播方向照射（以下簡稱同向）時(shí)，其相對平均NRCS均逐漸減小，且同向時(shí)隨入射角的增加相對平均NRCS下降的相對較快。而當(dāng)雷達(dá)視向與尖波傳播方向垂直（以下簡稱垂直）時(shí)，其相對后向散射系數(shù)隨入射角的增加而緩慢變大[5]。另外，從圖10中也可看出，逆向和同向時(shí)相對平均NRCS最大，且逆向時(shí)稍大于同向時(shí)，而垂直時(shí)相對平均NRCS較小，均小于逆向和同向時(shí)的值，這一結(jié)果與圖8所示的結(jié)果是一致的。

從圖8還可以看出，在高入射角下，雷達(dá)后向散射變化幅度較大，低入射角下，雷達(dá)后向散射變化幅度較小。即在高入射角下，SAR圖像上亮暗條紋差異更明顯，對比度最高，因而成像效果最佳。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為保證在雷達(dá)視向與波傳播方向逆向或同向時(shí)具有較高的后向散射值，且考慮到雷達(dá)視向與波傳播方向垂直時(shí)亦能對海面成像，因而，在選擇雷達(dá)入射角時(shí)，在保證滿足其他工作條件的情況下，應(yīng)盡可能減小雷達(dá)入射角，保證較高的入射幾何。一般選取20°～40°的入射角作為SAR的最佳觀測角。

表5為當(dāng)前國際上幾種典型的SAR雷達(dá)衛(wèi)星參數(shù)，可以看出這些SAR系統(tǒng)一般均將入射角選擇在20°～40°范圍內(nèi)。采用這些衛(wèi)星的典型參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得的相對平均后向散射如表5最后一列所示?？梢娖湎鄬ζ骄笙蛏⑸潆m然受多種因素影響，但隨著入射角的增加，仍然保持了下降的趨勢。

表5 典型衛(wèi)星參數(shù)獲取的相對平均NRCSTab.5 Simulation of relative mean NRCS by typical satellite parameters

5 結(jié)束語

系統(tǒng)分析了SAR系統(tǒng)參數(shù)對Kelvin尾跡SAR圖像特征的影響，得出的結(jié)論如下：雷達(dá)極化方式對Kelvin尾跡后向散射影響較小，但對內(nèi)波尾跡后向散射影響較大，且HV極化和VH極化后向散射大于VV和HH極化；不同頻率對Kelvin尾跡會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但不是主要影響成分；視向角對尾跡兩臂的SAR圖像特征影響較大，也是尾跡經(jīng)常出現(xiàn)一亮一暗甚至觀測不到的主要原因，當(dāng)雷達(dá)視向與Kelvin尾跡尖波傳播方向逆向時(shí)最大，同向次之，垂直時(shí)最??；入射角主要影響尾跡在SAR圖像上的對比度。

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Influence of Rada Parameters on Kelvin Wake in the SAR Image

JIANG Yuana,QU Changwenb,ZHOU Qiangc
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students’Brigade; b.Department of Electronic and Information Engineering; c.Department of Scientific Research,Yantai Shandong 264001,China）

Ship wake of SAR imaging by boat,ocean environment and the influence of many factors such as SAR system, which plays a main role is the effect of radar parameters.In this paper,the key to affect ship Kelvin wake the SAR system parameters of SAR imaging had carried on the detailed discussion and analysis,including polarization modes,depending on the angle,frequency,and incident angle of the influence factors of Kelvin wake.The influence law of various parame?ters on the trail imaging was given,it helped to obtain the best observation condition of the ship wake next.

SAR;Kelvin wake;rada parameters

TN957.52

A

1673-1522（2015）05-0419-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.004

2015-04-30；

2015-07-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60874112）

江 源（1990-），男，碩士生；曲長文（1963-），男，教授，博士，博導(dǎo)。