SAR探测水下运动物体波浪尾迹的模拟研究

水下运动物体可以在海面产生波浪,这种波浪与海洋表面波相互作用改变了海浪谱的高低频分布而形成波浪尾迹。将这样的波-波相互作用处理为对背景海浪谱的扰动,利用海面微波散射的二尺度模型,分析波浪尾迹对雷达散射系数的影响,并给出相应的数值计算模型;对水下不同运动状态物体的波浪用汇源分布法计算出波面函数,将它们分别与一些特定海况的海浪波面函数叠加,并对之进行微波后向散射测量仿真计算,给出波浪尾迹的SAR(Synthetic Aperture Radar、合成孔径雷达)探测图像;再利用二维谱分析技术对模拟SAR图像进行处理,提取波浪尾迹信息。初步结果表明,SAR探测下运动物体是可行的。
     

SAR海浪方向谱的Monte Carlo仿真

利用Longuet-Higgins线性海浪模型和JONSWAP海浪谱来表示海浪方向谱。在Bragg波散射模型的假设下,推导了海浪谱与SAR图像谱之间的映射变换,它适用于线性海浪的成像范围。采用Monte Carlo方法,可产生具有随机性的海浪方向谱。对于时不变的海面来讲,该方法具有计算效率适中的特点。仿真结果表明,海浪谱与SAR图像谱之间存在着谱的畸变、谱的分裂和方位向谱的移位等特点。     

干涉合成孔径雷达海浪遥感研究

海浪是重要的海洋环境参数, 它对港口建设、海上航行、油气田开发等具有重要的意义。合成孔径雷达(Syn thet ic Apertu re Radar, SAR ) 是目前大范围测量海浪的主要工具, 用它来估计海浪主波系统的波长和传播方向比较好, 但要定量的提供海浪的振幅以及SAR 图像强度与实际海面的关系是相当困难的, 而且由SAR 图像获取海浪方向谱也比较复杂。沿航迹干涉合成孔径雷达(Along-Track Interferometric Synthet ic Aperture Radar,ATI-SAR ) 是在平台飞行方向上安置两根天线的双天线合成孔径雷达。相对于合成孔径雷达, 真实孔径雷达调制传递函数对沿航迹干涉合成孔径雷达相位图像的影响很小, 因此沿航迹干涉合成孔径雷达更适合测量海浪。详细介绍了沿航迹干涉合成孔径雷达海浪遥感的成像机制, 为进一步反演海浪方向谱奠定了基础, 最后针对目前研究存在的问题以及今后有待研究的方向进行了探讨。     

双峰海浪谱的SAR图像交叉谱仿真研究

由6参数双峰频谱和cos-2s型分布函数得到了双峰海浪方向谱的波数谱形式,并利用海浪谱到合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)图像交叉谱的非线性转换关系,对双峰海浪谱的SAR图像交叉谱进行了仿真,分析了不同海浪参数和SAR平台参数对SAR图像交叉谱的影响,并与SAR图像谱进行了比较。     

SAR图像海洋表面油膜检测方法

海洋表面油膜对海洋环境影响极大,因此,及时获取海面油膜信息对保护海洋具有重要意义。目前各国采用的油膜检测方法主要有直接探测法和遥感方法。其中,遥感方法中的合成孔径雷达(SAR)是目前研究的热点。总结了SAR图像应用于海面油膜检测的主要特点,介绍并分析比较了SAR图像油膜检测的一般步骤及其实现方法。最后提出了SAR图像海洋表面油膜检测的发展方向。     

SAR图像海洋表面油膜检测方法

海洋表面油膜对海洋环境影响极大,因此,及时获取海面油膜信息对保护海洋具有重要意义。目前各国采用的油膜检测方法主要有直接探测法和遥感方法。其中,遥感方法中的合成孔径雷达(SAR)是目前研究的热点。总结了SAR图像应用于海面油膜检测的主要特点,介绍并分析比较了SAR图像油膜检测的一般步骤及其实现方法。最后提出了SAR图像海洋表面油膜检测的发展方向。     

多视SAR图像交叉谱虚部反演海浪信息

提出利用多视处理子视图交叉谱虚部反演海浪信息的方法。子视图中心频率差分别为400Hz,600Hz和800Hz。所用四幅SAR图像均由JERS-1不同时间采集的。地点为东京附近海域,并有对应的测量所得海浪信息,包括波向、波高和周期。反演结果表明,中心频率差为400Hz的处理方法所得结果精度最高,对应的波向和周期信息都与实测数据相差无几。     

海洋SAR图像分割及边缘梯度特征的提取

为提高合成孔径雷达(SAR)海洋溢油图像的分割效果,得到海洋表面溢油的准确信息,提出一种改进的迭代算法,能更为有效地选取阈值,尤其适用于暗斑区域与背景灰度值差异悬殊的情况.对海洋SAR图像进行预处理,并且对处理后的SAR样本图像进行边缘分割,在此过程中通过优化迭代算法得到一种新的选取阈值的方法,运用此方法成功将暗斑区域与海洋背景分离;使用5*5窗口提取样本图像的边缘梯度特征量,对梯度均值与方差进行分析、理解达到识别SAR图像中的溢油区域的目的.将仿真结果与传统分割结果进行了比较,比较结果表明了该方法在选取阈值进行图像分割方面要优于其它算法.     

SAR图像船只尾迹检测研究综述

利用星载合成孔径雷达(SAR)图像进行海面船只尾迹检测的研究在海洋领域具有重要意义。SAR海洋图像中尾迹线性特征的检测和精确定位是个难点,研究了SAR图像中船只尾迹的检测方法,根据近年来SAR图像海面船只尾迹检测的发展,总结了尾迹类型及其成像机理,分析了影响尾迹检测的因素和目前国内外的尾迹检测算法,通过对这些方法的对比分析得出它们的优缺点,并对今后的研究方向进行了展望。     

基于机载SAR图像的海面船只实时检测分类应用架构

合成孔径雷达(SAR)被广泛应用于军事侦察、海洋监测、灾害应急评估等各类应用中.其中,SAR海面船只检测分类是SAR海洋应用的重要一环.限于SAR特殊的成像机理,SAR图像中的目标特征多变,导致基于SAR图像的目标分类应用进展缓慢.机载SAR因其实时、便捷的部署和使用方式得到了快速发展,基于机载SAR图像的海面船只检测...     

极化合成孔径雷达测量海浪的研究

描述了极化合成孔径雷达海浪成像过程。提出了一种极化雷达反演海浪方向谱的方法,该方法利用合成孔径雷达图像谱与海浪方向谱之间简单的线性关系和最优方法反演得到海浪方向谱,并将结果与现场资料进行了比较。经过对同一海区机载雷达P、L、C 3个波段的图像进行反演,其方向谱相当一致,而且有效波高和波向与实测数据吻合相当好。     

High-resolution satellite measurements of coastal wind field and sea state

Methods to derive wind speed and sea state by simple empirical models from synthetic aperture radar (SAR) data are presented and applied for use in high-resolution numerical modelling for coastal applications. The new radar satellite, TerraSAR-X (TS-X), images the surface of the sea with a high resolution up to 1 m. Therefore, not only wind information and integrated sea state parameters but also individual ocean waves with wavelengths down to 30 m are detectable. Two-dimensional information on the ocean surface retrieved using TS-X data is validated for different oceanographic applications: derivation of finely resolved wind fields (XMOD algorithm) and integrated sea state parameters (XWAVE algorithm). Both algorithms are capable of taking into account fine-scale effects in coastal areas. Wind and sea state information retrieved from SAR data are applied as the input for a wave numerical spectral model (wind forcing and boundary condition) running at a fine spatial horizontal resolution of 100 m. Results are compared to collocated buoy measurements. Studies are carried out for varying wind speeds and comparisons against wave height, simulated using original TS-X-derived wind data, showing the sensitivity of waves to local wind variation and thus the importance of local wind effects on wave behaviour in coastal areas. Examples for the German Bight (North Sea) are shown. The TS-X satellite scenes render well-developed ocean wave patterns of developed swell at the sea surface. Refraction of individual long swell waves at a water depth shallower than about 70 m, caused by the influence of underwater topography in coastal areas, is imaged on the radar scenes. A technique is developed for tracking wave rays depending on changes in swell wavelength and direction. We estimate the wave energy flux along wave tracks from deep water to the coastline based on SAR information: wave height and wavelength are derived from TS-X data.     

星载SAR在海气边界层气象学中的应用研究

SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)作为一种现代高空间分辨率成像侧视雷达,对地球表面海洋所成的图像中蕴含了极为丰富的中尺度及亚中尺度海洋大气边界层的信息,因此对边界层气象学研究有着非常重要的意义。但是,使用SAR研究海气边界层这一涵盖微波遥感、气象学及海洋学等学科的科学前沿课题在国内却少有文献报道。在此背景下,首先介绍了SAR反演海洋大气边界层的研究概况,回顾了SAR反演海气边界层参数的原理和方法。然后以2002年5月7日当地时间10时53分ERS-2卫星获取的香港地区(22.097°N,E 114.300°E)SAR海洋图像为例,进行了反演风向风速的初步试验,最终获得了较高精度的风矢量。具体过程如下:先对SAR图像进行预处理,包括ADC(Analog Digital Converter,模数转换器)补偿、精确校准及斑点滤波等过程;然后利用经典的谱分析方法求得具有180°模糊度的风向,再用香港天文台气象浮标实测资料消除这一不确定性得到了真实的相对风向;紧接着利用CMOD4地球物理模式函数计算得到了海面上10 m高的风速。与气象浮标站所记录的平均风速和风向比较,两个20 km×20 km大小的试验区域求得的风向误差分别为23.71°和7.00°,平均风速误差分别为0.18 m/s和-0.12 m/s。结果表明,如果对SAR预先进行严格的预处理,结合经典的谱分析方法和CMOD4模型,即可获取高精度的风矢量。这一结果为今后海洋大气边界层的研究奠定了良好的基础。     

Radar imaging of Kelvin arms of ship wakes

The wave pattern generated by a moving ship is formed by two dominant features: the turbulent wake and a 'V'-shaped pattern trailing the ship, consisting of the two Kelvin arms. In this paper we investigate the radar imaging mechanism of Kelvin arms, which are formed by the cusp waves. A composite surface model for the radar backscattering at the ocean surface is used. The radar signatures of Kelvin arms can be attributed to tilt and hydrodynamic modulation of Bragg waves by the cusp waves. The proposed model allows the computation of the normalized radar backscattering cross-section (NRCS) as a function of radar frequency, polarization, incidence angle, wind speed and direction, and wavelength, direction, and slope of the cusp waves. By using this imaging model, radar signatures of cusp waves are calculated for several spaceborne Synthetic Aperture Radars (SARs): (1) the SEASAT L-band HH-polarized SAR, (2) the ERS-1/-2 VV-polarized SAR, (3) the RADARSAT C-band HH-polarized SAR, and (4) the X-, C- and L-band multipolarization SARs of the Space Radar Laboratory flown on the space shuttle during the SIRC/X-SAR mission in 1994. The results of the simulations are compared with SEASAT and SIR-C/X-SAR imagery of ship wake patterns. It is shown that the dependence of the observed radar signatures of Kelvin arms on radar look direction is consistent with the proposed imaging theory and that the measured relative mean NRCS values induced by Kelvin arms can be fairly well reproduced by the proposed model. The simulations indicate that ship wake signatures should be more clearly visible on SEASAT L-band SAR than on ERS-1/-2 or RADARSAT C-band SAR images. The radar signatures of Kelvin arms are strongest at low wind speeds and are not very sensitive to wind direction.     

Synthetic aperture radar observations of interaction of OCE'an swell and Semidi Islands in the Gulf of Alaska

Synthetic aperture radar (SAR) images of the ocean surface can show evidence of the sheltering elTects of barriers, such as islands, on the incoming long ocean waves. In the presence of high background noise in SAR images, these elTects arc not always observed by visual inspection. As shown in this paper, they can be determined most effectively in the spectral domain. From the ERS–1 SAR data of 17 October 1991, we noticed that two separate swell components almost perpendicular to each other were incident on the Semidi Islands in the Gulf of Alaska. By spectral analysis, the shadow zone associated with each wave component can be identified. The distribution of an equivalent dilTraetion coefficient has been estimated at the Ice of the Chowiet Island which has a sharp tip. It has been compared to that obtained from the Sommerfeld solution of dilTraction for a semi-infinite barrier. The SAR data shows a similar dilTraction pattern to the model solution but has a slower fall-off into the geometric shadow zone.     

Typhoon eye extraction with an automatic SAR image segmentation method

Spaceborne microwave synthetic aperture radar (SAR), with its high spatial resolution (10–100 m), large area coverage, and day/night imaging capability, has been used as an important tool for typhoon monitoring. Since the microwave signal can penetrate through clouds, SAR images reveal typhoon morphology at the sea surface. Within the region of a typhoon eye, wind speed and the associated sea surface roughness are usually low. Therefore, the typhoon eye can be well distinguished as dark areas in SAR images. However, automatic typhoon eye extraction from SAR images is hampered by SAR image speckle noise and other false-alarm dark features contained in an image. In this study, we propose an image processing approach to extract typhoon eyes from SAR images. The three-step image processing includes: (1) applying an extended non-local means image denoizing algorithm to reduce image speckle noise; (2) applying a top-hat transform to denoized imagery to enhance the contrast; and (3) using a labelled watershed to segment the typhoon eye. Experimental results from analysing three Environmental Satellite SAR typhoon images show that our approach provides fast and efficient SAR image segmentation for typhoon eye extraction. Typhoon eyes are segmented correctly, and their edges are well detected. Our experimental results are comparable to manually extracted typhoon eye information. Fine-tuning of this approach will provide an automatic tool for typhoon eye information extraction from SAR images.     

基于多次散射目标模型的雷达成像研究

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）作为一种主动微波传感器,被广泛应用于遥感对地观测。然而,传统上的雷达散射模型是基于几何光学近似的,忽略了地物目标之间的相互作用,即多次散射效应。为了充分挖掘和利用毫米波雷达影像中目标电磁散射特性信息,亟需对典型目标的多次散射效应进行建模仿真和验证。基于矩量法（Method of Moments, MoM）分析了球体、二面角等目标表面等效电流分布与分段成像结果的对应关系,并利用后向投影（Back-Projection, BP）算法进行电磁仿真成像,总结了单/双基地雷达模式对成像中散射机制的影响。结果表明：目标表面等效电流分布以及分段等效合成孔径张角会随入射角度发生改变,其中分段等效合成孔径张角会影响方位向分辨率;双基地雷达成像结果中包含更丰富的电磁散射信息。本研究可为SAR系统设计和验证、典型目标回波特性数据收集以及如何基于高解析度SAR影像进行目标识别等研究提供借鉴与参考。     

基于地形信息的Landsat与Radarsat-2遥感数据协同分类研究

针对不同成像机理的光学与雷达遥感数据协同应用于地表信息提取瓶颈问题，提出了一种基于地形信息的光学与雷达数据协同分类方法。首先利用InSAR测量技术从Radarsat-2数据中提取DEM地形信息，然后构建基于地形信息的Landsat光学数据和Radarsat-2雷达数据的不同特征集输入模型，最后通过随机样本选取构建随机森林（Random Forest,RF）、支持向量机（Support Vector Machine, SVM）和决策树（Decision Tree,DT）分类算法模型提取地表信息。结果表明：①针对不同特征协同策略，在随机选取10%训练样本时，Radarsat-2干涉提取DEM与Landsat数据集提取精度优于ASTER GDEM与光学影像协同策略；②针对不同地表信息提取算法模型，通过50次随机选取训练样本构建模型评价分类精度，验证RF算法的鲁棒性和提取精度都要优于DT算法和SVM算法。研究充分利用光学和雷达遥感的优势信息，为光学和雷达遥感协同地表信息提取提供新的思路。     

基于地形信息的Landsat与Radarsat-2遥感数据协同分类研究

针对不同成像机理的光学与雷达遥感数据协同应用于地表信息提取瓶颈问题,提出了一种基于地形信息的光学与雷达数据协同分类方法。首先利用InSAR测量技术从Radarsat-2数据中提取DEM地形信息,然后构建基于地形信息的Landsat光学数据和Radarsat-2雷达数据的不同特征集输入模型,最后通过随机样本选取构建随机森林（Random Forest,RF）、支持向量机（Support Vector Machine, SVM）和决策树（Decision Tree,DT）分类算法模型提取地表信息。结果表明：①针对不同特征协同策略,在随机选取10%训练样本时,Radarsat-2干涉提取DEM与Landsat数据集提取精度优于ASTER GDEM与光学影像协同策略;②针对不同地表信息提取算法模型,通过50次随机选取训练样本构建模型评价分类精度,验证RF算法的鲁棒性和提取精度都要优于DT算法和SVM算法。研究充分利用光学和雷达遥感的优势信息,为光学和雷达遥感协同地表信息提取提供新的思路。     

基于纹理的雷达与多光谱遥感数据小波融合研究

众所周知,多光谱与雷达影像融合具有重要的意义,但雷达影像小尺度的纹理特征在先前的融合方法中却没有被考虑。为了更好地对多光谱与雷达影像进行融合,基于双正交小波变换,提出了一种小尺度纹理影像参与融合的三影像小波融合方法。该方法借鉴多通道滤波及基于亮度调节的平滑滤波(SFIM)融合的原理,首先提取多时相雷达影像的小尺度纹理数据;然后再将该纹理数据、单时相JERS-1SAR数据及TM多光谱数据进行小波融合。分析表明,该方法的融合结果较雷达与多光谱影像小波融合的结果不仅具有更丰富的光谱特征,而且由于继承了雷达影像丰富的小尺度纹理特征,因而具有更高的清晰度。实验证明,该方法可获得较好的融合结果,是一种切实有效的融合法。