船舶目标探测用合成孔径雷达与自动识别系统的研究外文翻译资料

 2022-08-01 22:04:34

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船舶目标探测用合成孔径雷达与自动识别系统的研究

Sudhir Kumar Chaturvedi

Department of Aerospace Engineering, University of Petroleum amp; Energy Studies, Dehradun 248007, India

Received 8 March 2019; received in revised form 5 April 2019; accepted 5 April 2019

Available online 12 April 2019

摘要

在过去，合成孔径雷达(SAR)系统的主要目标是研究电磁波与地球表面的相互作用。最近，多通道合成孔径雷达系统的发展使发展更复杂的监测活动技术成为可能。SAR是最有效的监测手段，为全气象条件下的广域海域监测提供了高分辨率的数据。该仪器的固有功能是提供对海洋表面特征的快速视图，如船舶、波浪和洋流、石油泄漏、洗浴设施和风场。船舶检测或识别是实现两个步骤:第一步是确定目标的SAR图像繁忙的交通,这对应于自动识别系统(AIS)信号的船位推算(DR)的位置,和第二步是估计的位置,大小和速度的船从SAR图像和比较这些结果与AIS“真实的”数据。本文介绍了合成孔径雷达(SAR)的基本原理及其与AIS数据的融合，用于船舶目标检测。

copy; 2019 Shanghai Jiaotong University. Published by Elsevier B.V .

This is an open access article under the CC BY -NC-ND license. ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ )

Keywords: SAR; AIS; Dead reckoning; Target detection

  1. 介绍

海洋环境监测(OEM)已成为当今最重要的任务之一，其中包括跟踪和监测非法船只活动、石油泄漏、检索海浪参数、风和海流观测等。对这些系统、特征和活动的测绘和监测需要高分辨率的广域成像。很多时候，图像必须在不同的天气条件下或白天或晚上获得。星载重粒遥感技术已成为当今迅速扩大海洋观测和监视任务与要求的最具成本效益的研究工具。表面材料对微波能量照射的后向散射响应，也称为“后向散射信号”，与同一材料[36]的可见光的光谱反射率有很大的不同。合成孔径雷达(SAR)，一种星载或空载的有源微波传感器。用聚焦的定向能量束照亮目标，根据被感知物体的方向产生独特的散射效果[10]。

高分辨率合成孔径雷达能够向地球表面提供二维信息物体的图像。良好的雷达图像取决于在数据采集间隔内相位历史的平稳变化。SAR成像系统的高分辨率和大空间覆盖为获取各种海洋特征提供了独特的机会[3]。SAR系统利用雷达信号的远程传播特性和现代数字电子复杂的信息处理能力，提供高分辨率的图像[35]。SAR图像是一种相对较新的数据类型，需要特殊的解释技术，以便用户在大多数可操作和可靠的应用中利用这些数据。这些数据已广泛应用于渔船探测、船舶交通监测、移民控制等物理海洋应用[8,47]。

随着世界范围内货物运输、船舶交通服务、船舶路径选择和监控的增加，船舶在海上和沿海岸航行已成为沿海当局最重要的任务。大多数应用程序需要对船舶进行检测和尽可能详细地分类，然后将提取的信息传输到现有的系统中。因此，不同信息系统的信息融合具有重要的意义。例如，超过一定尺寸的现代船舶大多配备了所谓的自动识别系统(AIS)和航行数据记录器(VDR)系统。他们在离港或进港前以及通过授权企业的技术检查后[17]，进行身份识别。该系统可用于不同处理方案和传感器之间的比较，并可初始化数据关联和跟踪算法的输入参数，融合来自不同来源的信息，提供区域内的综合海监图像[40]。船舶探测系统(VDS)依赖于携带SAR的极轨卫星，可以用于在大多数情况下探测海上船只——白天和夜晚，以及穿过云层。

  1. 合成孔径雷达的几何形状和系统参数

Stimson给出了SAR的详细解释[39]。Curlander和McDonough提供了利用SAR理论理解SAR图像和其他文本上下文的理论基础[8]。合成孔径雷达由一个“端到端”系统组成，该系统包括传统的雷达构件，如天线、发射机、接收机和一个提供同步多普勒相位历史的高技术数据收集系统(DCS)，以及一个类似的先进信号处理器，能够根据这些相位历史生成图像数据。SAR数据技术的“端到端”系统提供了从目标外观开始到目标外观结束的目标图像形成细节。另外，它更适合于生成目标完整的多视点分辨率图像。一个完整的SAR设计必须被认为是一组连接雷达和图像信号处理的“端到端的”选择或决策。必须包括移动卫星平台、发射信号、传播效果、复杂目标相互作用(包括运动)、接收信号、数据恢复和机载或地基信号处理。

合成孔径雷达通过将所有返回信号存储和重构在“合成孔径”中，实现高方位分辨率。通过移动雷达天线，同时对目标进行照射，并对接收到的信号进行相干处理，合成了一个大的雷达孔径，从而实现了高方位角分辨率。无论其他环境条件如何，合成孔径雷达系统都能提供独特的高分辨率，覆盖范围可达500公里。雷达系统的成像几何不同于光遥感常用的分幅和扫描系统。像SAR这样的成像雷达是侧视的，也就是说，雷达天线波束是指向侧面的，几乎垂直于航天器的飞行方向。合成孔径雷达(SAR)数据的获取具有很高的可靠性，可以对地球表面进行精确的预先监测。大部分的地球遥感雷达工作在电磁波谱的微波区域(1 ~ 1毫米波长)，具体是L -(24厘米)、C-(6厘米)、S-(10厘米)和X-(3厘米)波段区域。

SAR系统几何结构如图1(左)所示，海洋表面目标的SAR成像输出如图1(右)所示。较亮的信号特征决定了强目标(高后向散射响应)，而较暗的背景信号(低后向散射信号)代表了背景洋面。合成孔径雷达系统产生大量的数据，需要进行大量的处理以获得所需分辨率的图像。该过程通常在地面站中执行和存储。

合成孔径雷达系统的设计通常取决于它的应用目的。通常情况下，终端数据用户会向设计工程师提供具体的参数，如分辨率、入射角、带宽、波长、极化、信噪比(SNR)等。最终设计是一个迭代的结果程序中，平衡各子系统之间的性能特点，实现最优设计。由于系统性能参数的优先级排序取决于数据的使用情况，因此无法定义能够在广泛的应用程序范围内优化设计的单一算法。雷达通过发射微波能量脉冲来自动照亮一个区域。这些雷达能量脉冲从被照亮的区域散射并被雷达接收器收集。通过精确测量发射脉冲与接收后向散射能量之间的时间差，雷达可以确定反射物体的反射率(称为偏距)。V各种SAR系统和卫星传感器参数如表1所示。

    1. SAR信号处理技术

信号处理可以是任何改变信号特性的技术，如振幅、相位、频率和极化。在合成孔径雷达信号处理器中，要将原始数据集转换成可解释的图像需要特定的操作。原始SAR数据不是图像，因为点目标在距离和方位方向上都是分散的。现代SAR系统利用数字信号处理技术来提高方位和距离分辨率。图像生成总是以原始形式进行的。信号处理技术可以分为两个阶段：距离和方位压缩[12]。方位压缩是因为单点目标反射的每个回波都有不同的相移。方位压缩操作使回波信号聚焦，从而保持零相移并整合聚焦回波。从而提高了方位分辨率。为了有效地将SAR数据从原始信号处理成聚焦良好的图像，人们提出了许多算法。最常见的SAR处理算法是距离多普勒算法，它精确有效地适应了多普勒质心、方位频率调制率和距离信元偏移等距离变化参数[31]。

    1. 合成孔径形成和多普勒数据处理

合成孔径雷达在方位角方向上具有较高的空间分辨率。合成孔径，或虚拟天线，由一长串连续的和相干的雷达信号组成，当它沿着预定的飞行或轨道运行时，由一个物理上短的(真实的)天线发射和接收。图2是SAR长度的基本构成，孔径长度是SAR开始查看目标点到停止查看目标点之间的距离。在雷达波束照射下，SAR平台覆盖的地面称为条带。合成孔径雷达信号以同相位(a)和正交(b)分量的形式存储，并对这些信号进行距离和方位角分量处理以获得图像。SAR传输啁啾信号，啁啾信号方程可以表示为:

其中A、fc、 k、t分别为脉冲振幅、信号载波频率、啁啾斜率、持续时间。由于目标与航天器(或飞行器)之间的相对运动，来自目标的返回信号频移(称为多普勒频移)。当航天器接近目标时，返回信号频率增大，当航天器远离目标时，返回信号频率减小。利用多普勒频率信息形成大口径。多普勒频移与卫星与目标之间的距离变化率成正比，其控制方程为:

f D、c、lambda;r 、f c和˙R显示多普勒频移,电磁波速度、雷达波长、雷达载频和倾斜范围分别率。沿着轨道几何形位的SAR系统是图3所示,在飞船速度Vs, H是地球表面上方的飞船的高度,R是飞船和目标之间的距离,x是目标的目标位置,Rg是 跨轨目标的位置, theta;a是沿径角位置的目标,Rb是目标的船舷范围和s缓慢(集成)时间。

该方程由Curlander和Mc- Donough提出[8]。利用梯形性质(图3)可得：

由上式可知，距离率可以通过假设参考系随航天器(s = 0)求R(即式(1.3))对s的微分：

将式(1.2)中Eq.(1.4)的值代入，得到的多普勒频率为:

      1. 多普勒频率率(fR)

当目标通过雷达足迹时，目标返回的频率改变的速率称为多普勒频率率，可以表示为:

对式(1.3)求导两次，得到，

第一项比第二项(由式(1.7))小得多，我们得到

      1. 多普勒质心频率(fDC)

当目标位于雷达波束中心时，目标返回的频率为多普勒质心频率(f DC)，可表示为:

利用多普勒效应的概念，推导出各种方程，以了解SAR信号在目标与卫星相对运动下的物理现象。完整的、详细的描述SAR理论是超出了这个工作,但一些基本的范围需要为了理解船检测问题除了检索使用SAR波参数。最重要的属性,这是通过特区为了形成一个图像,可以在下面描述。

      1. 方位分辨率

与雷达波束正交的方向称为互角方向或交叉距离方向。它被定义为随着飞行方向的分辨率。方位分辨率取决于天线波束宽度(beta;),和地面距离分辨率(Rg)。如下图所示的著名定义由Beckmann和Spizzichino[5]等人描述，并从SAR的方位角分辨率开始。该分辨率与距离和雷达波长无关，并且随着孔径的减小而提高。

其中rap和da分别为方位角分辨率和天线结构长度。

      1. 距离分辨率

雷达的距离分辨率是确定两个目标之间最小距离的能力，如果目标彼此分离，每个目标将位于不同的分辨率单元中，如果不分离，则雷达反射将是两个目标反射能量的复合组合。对于SAR传感器，距离分辨率(rr)可以表示为:

其中c是电磁波的速度,theta;是雷达之间的入射角地球表面和t梁和正常的脉冲持续时间。为了获得合理、充分的回波信噪比(SNR)，需要正确、准确的脉冲强度。在实际应用中，许多因素都会引起信号的幅值或相位调制，从而影响图像质量。

  1. SAR的应用

SAR图像已经成为众多科学学科中不可分割的一部分。合成孔径雷达在各种应用领域的潜力列于以下[32]:

(a)海洋和冰监测。(b)石油污染和环境监测。(c)船舶监测和监视。(d)雪和海冰监测。(e)地球地形分类。(f)波谱和重要的波高测量等(g)海洋紫菜栽培监测。

SAR处理产品:

(a)快速浏览图像产品。(b)单视复像。(c)多视强度图像。(d)地球编码椭球面校正积。(e)地形校正产品。

SAR的优点：

(a)全天候能力(云层敏感性小，小雨)。(b)日夜运作(太阳光照国独立)。(c)大气成分无影响(多时相分析)。(d)介电特性敏感性(含水量、生物量、冰量)。(e)对表面粗糙度(海洋风速)的敏感性。(f)精确的距离测量(干涉测量法)。(g)对人造物体的敏感性。(h)对目标结构的敏感性(使用偏光法)。(我)地下渗透。SAR (a)复杂交互的缺点(理解困难，复合处理)。(b)散斑效应(视觉上的困难)。(c)地形的影响。(d)表面粗糙度的影响。

SAR的缺点：

(a)复杂的相互作用(理解困难，复合处理)。(b)散斑效应(视觉上的困难) (c)地形的影

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