軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)BiSAR海浪成像的影響

楊永紅，林明，陸南

（江蘇科技大學(xué)電子與信息學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)BiSAR海浪成像的影響

楊永紅，林明，陸南

（江蘇科技大學(xué)電子與信息學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

速度聚束調(diào)制是研究BiSAR海浪成像機(jī)理的一個(gè)重要方面，而海浪的軌道運(yùn)動(dòng)是速度聚束調(diào)制產(chǎn)生的根源。在平飛非等速情況下，本文以單色波為例，建立了含有軌道速度和加速度擾動(dòng)的海面回波模型，推導(dǎo)了BiSAR海浪圖像強(qiáng)度的表達(dá)式。當(dāng)收發(fā)平臺(tái)取適當(dāng)?shù)膮?shù)時(shí)，數(shù)值計(jì)算表明BiSAR是可以對(duì)一定條件下的海浪成像，并比較了單站SAR和雙站SAR海浪圖像的異同點(diǎn)。

雙站SAR；速度聚束調(diào)制；海浪

與單站SAR相比，雙站SAR可以獲取目標(biāo)的豐富信息，提高系統(tǒng)的抗摧毀，抗隱身性能等優(yōu)點(diǎn)。BiSAR是目前遙感領(lǐng)域中最為活躍的研究方向之一。由于 BiSAR系統(tǒng)的收/發(fā)平臺(tái)是分置的，一方面，有利于提升接收系統(tǒng)的生存能力和降低成本；另一方面，給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和信號(hào)處理帶來了一定的困難，如信號(hào)接收和同步（時(shí)間/頻率/相位）的問題。目前國內(nèi)外已對(duì)機(jī)載 BiSAR進(jìn)行了多次的飛行試驗(yàn)，并獲取了高分辨率的 BiSAR圖像，這標(biāo)志著BiSAR的研究取得了重大的突破。因此，可以預(yù)見，在不久的未來 BiSAR會(huì)作為一種新的探測(cè)海洋手段和工具[1-5]。

研究表明，海浪的運(yùn)動(dòng)模式是通過傾斜調(diào)制、流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制以及速度聚束調(diào)制在 SAR圖像上的。海浪的軌道運(yùn)動(dòng)是 SAR海浪圖像速度聚束調(diào)制產(chǎn)生的根源。文獻(xiàn)[6]，研究了平飛等速斜視情況下BiSAR海浪速度聚束調(diào)制，推導(dǎo)出了海浪圖像強(qiáng)度的表達(dá)式。此外，文獻(xiàn)[7-9]，研究了BiSAR海浪回波的時(shí)域仿真，涉及到海面電磁散射模型、海浪譜模型以及相干斑噪聲模型。仿真的回波數(shù)據(jù)可用于BiSAR海浪成像算法和成像機(jī)理方面的研究。

本文以單色波為例，推導(dǎo)了平飛非等速情況下BiSAR海浪圖像強(qiáng)度的表達(dá)式，對(duì)海浪軌道運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行了定量分析。當(dāng)收發(fā)平臺(tái)取適當(dāng)?shù)膮?shù)時(shí)，數(shù)值計(jì)算表明BiSAR是可以對(duì)一定條件下的海浪成像，比較了單站SAR和雙站SAR圖像的異同點(diǎn)。

1 BiSAR海浪圖像模型

為了分析方便起見，我們以單色波為例，海面中的任一點(diǎn)P的二維運(yùn)動(dòng)可表示為，

圖1為BiSAR海浪幾何模型，Tr表示發(fā)射機(jī)，Re表示接收機(jī)。發(fā)射機(jī)的速度為 V1，接收機(jī)的速度為V2。發(fā)射機(jī)與點(diǎn)P的最近距離為R1， 接收機(jī)與點(diǎn)目標(biāo)P的最近距離為R2。

圖 1 BiSAR 海浪幾何模型Fig. 1 Geometric model of BiSAR ocean wave

經(jīng)過距離壓縮以后，BiSAR的回波信號(hào)可表示為，

式中：k為雷達(dá)波的波數(shù)；下標(biāo)i={1，2}，i=1表示的是發(fā)射機(jī)；i=2表示的是接收機(jī)。?i是由于點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加相位。通常，我們采用海浪的軌道速度和軌道加速度兩項(xiàng)來表示點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)，

式中：Ui為點(diǎn)目標(biāo) P的軌道速度，iA為點(diǎn)目標(biāo) P的軌道加速度，i0為常數(shù)相位項(xiàng)。海浪的軌道速度和加速度與所觀測(cè)的位置以及海浪的傳播方向密切相關(guān)。根據(jù)水波的線性理論，軌道速度和加速度可分別表示為，

式中：θi表示的是發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的入射角，Φi表示的是發(fā)射機(jī)/接收機(jī)飛行方向在地面的投影與海浪傳播方向之間的夾角，可參考圖1中的幾何模型。

其中，‘’表示的是時(shí)域中的卷積運(yùn)算。結(jié)合式（1）—（9），忽略了常數(shù)相位項(xiàng)后，式（10）可整理為，

由于軌道速度Ui和加速度iA是與點(diǎn)目標(biāo) P的位置x0有關(guān)的函數(shù)，可參考式（5）和（6）。對(duì)式（13）很難求出具有物理含義的解析式，一般都采用數(shù)值的方法來求解。

2 仿 真

為了分析軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)BiSAR海浪成像的影響，本文進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。假設(shè)海浪表面的NRCS為均勻分布，即()為常數(shù)。在仿真中，令() = 1。海浪的波長110 m，波高分別為{1.3 m, 2 m, 3 m}。假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為平飛的模式，可參考圖1。海浪的傳播方向與接收機(jī)的飛行方向一致，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的入射角均為30°。合成孔徑時(shí)間為2.5s，雷達(dá)波的波長為0.25m。

圖 2 單站SAR海浪圖像強(qiáng)度Fig. 2 Image intensity of Mono-SAR ocean wave

當(dāng)R1=R2=7 km，V1=V2=200 m時(shí)，利用數(shù)值方法計(jì)算式（13），在一個(gè)波浪傳播周期內(nèi)圖像強(qiáng)度的變化如圖 2所示。該幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)于單站 SAR情形，從圖2可以看出，在波谷的附近處，對(duì)波高為1.3 m的海浪來講，速度聚束的效果較好，而且速度展寬的效果較弱。對(duì)于海浪表面的() =1來說，由于軌道運(yùn)動(dòng)的影響，使得海浪圖像強(qiáng)度呈現(xiàn)出了聚束和展寬的效果，這就是速度聚束調(diào)制海浪成像機(jī)理的具體體現(xiàn)。對(duì)于對(duì)波高為3 m的海浪來講，雖然也存在著速度聚束的效果，但是速度展寬的效果較強(qiáng)，此時(shí)海浪成像效果較差。

圖 3 雙站SAR海浪圖像強(qiáng)度（a：Φ=0；b：Φ=25°）Fig. 3 Image intensity of BiSAR ocean wave（a：Φ=0；b：Φ=25°）

當(dāng)R1=9 km，R2=7 km，V1=220，V2=200 m時(shí)，該幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)于BiSAR平飛非等速的情形，海浪的傳播方向與SAR的飛行方向一致時(shí)，即 Φ = 0，得到的結(jié)果如圖3a所示；當(dāng)海浪的傳播方向與SAR的飛行方向成25°時(shí)，得到的結(jié)果如圖3b所示。從圖3和圖2可以看出，對(duì)于波高為1.3 m的海浪來說， 雙站SAR和單站SAR的成像效果幾乎是一樣，也就是說，利用BiSAR同樣也可以探測(cè)到該海浪。而對(duì)于波高為3 m的海浪來說，雙站SAR的成像效果明顯要比單站SAR的差，幾乎很難探測(cè)到。

3 結(jié) 語

本文以單色波為例，建立了含有海浪軌道擾動(dòng)的回波模型，推導(dǎo)了平飛非等速BiSAR海浪圖像強(qiáng)度的表達(dá)式。當(dāng)收發(fā)平臺(tái)取適當(dāng)?shù)膮?shù)時(shí)，通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了 BiSAR是可以對(duì)一定條件下的海浪成像，并比較了單站SAR和雙站SAR海浪圖像的異同點(diǎn)。在其它雙基地幾何模型下，海浪速度聚束調(diào)制的效果還有待于進(jìn)一步的研究。

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Effect of orbit motion for BiSAR imaging of ocean waves

YANG Yong-hong, LIN Ming, LU Nan

(Department of Electric & Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, 212003, China)

Velocity bunching modulation embodies one main aspect of BiSAR-ocean imaging mechanisms, while orbital motion of ocean waves is the source of velocity bunching modulation. For parallel mode and non-equal velocities of BiSAR systems, the model of echo signal with respect to monochromatic waves is developed, which includes the perturbations of orbital velocity and acceleration of ocean waves; the formula of BiSAR image intensity for ocean waves is derived. Via numerical method, ocean waves can be seen by BiSAR systems in the case of the proper parameters of receiving and transmitting platform and it can describe the similarities and differences of ocean waves of monostatic SAR and bistatic SAR.

bistatic SAR; velocity bunching modulation; ocean waves

P714+.3; TN958

A

1001-6932(2010)06-0613-04

2009-06-29；收修改稿日期：2010-01-28

楊永紅（1971—），女，博士，講師，主要從事海洋遙感研究。電子郵箱：yangyhxax@163.com