基于SAR的海洋艦船目標(biāo)檢測＊

張兵兵 武昕偉 趙建春

（1.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊 合肥 230031）（2.陸軍軍官學(xué)院電子工程教研室 合肥 230031）

1 海洋SAR圖像特點(diǎn)

在SAR傳感器對目標(biāo)成像時，SAR圖像的灰度值反映了地面目標(biāo)對SAR發(fā)射的微波信號的回波的強(qiáng)弱，當(dāng)回波信號強(qiáng)時，在圖像中目標(biāo)比較亮，反之則暗。然而，回波信號的強(qiáng)弱取決于目標(biāo)的粗糙度和介電質(zhì)屬性。由于目標(biāo)的特性（如艦船的金屬特性），目標(biāo)與海洋表面構(gòu)成角反射器，同時其上層結(jié)構(gòu)也構(gòu)成了許多角反射器，因此目標(biāo)對雷達(dá)波具有極強(qiáng)的后向散射能力，從而在SAR圖像上表現(xiàn)為由幾個乃至數(shù)十個像素構(gòu)成的高亮度的點(diǎn)目標(biāo)或硬目標(biāo)，且經(jīng)常伴隨有“十字叉”。而作為背景的海洋表面，在海面比較平靜時，海面對雷達(dá)波束表現(xiàn)為鏡面反射，后向散射回波比較弱，此時背景很暗；海風(fēng)比較強(qiáng)烈的情況下，海面發(fā)生Bragg共振散射，回波信號較強(qiáng)，背景偏亮。但是在上述兩種情況下，目標(biāo)的后向散射回波均遠(yuǎn)強(qiáng)于海洋背景的回波。因此在SAR圖像上直接檢測目標(biāo)，其本質(zhì)就是在存在雜波和噪聲干擾的暗背景中檢測高亮度的點(diǎn)目標(biāo)或硬目標(biāo)。

2 SAR艦船目標(biāo)檢測影響因素

影響艦船目標(biāo)檢測能力的物理因素有艦船因素、SAR系統(tǒng)因素和海洋因素。艦船因素主要是艦船目標(biāo)雷達(dá)截面積；SAR系統(tǒng)因素包括系統(tǒng)極化方式、工作模式和雷達(dá)觀測條件等；海洋因素主要指海況。

2.1 艦船因素

艦船目標(biāo)通常含有數(shù)個散射中心和散射源，艦船的雷達(dá)截面積主要來源于角反射情況，許多艦船表面是垂直的，這樣就容易形成有效地二面角反射器。艦船的上層建筑和桅桿都是散射源，煙囪、升降機(jī)、貨船起重臂等都影響著艦船的雷達(dá)截面積。

2.2 雷達(dá)系統(tǒng)因素

不同SAR系統(tǒng)，性能參數(shù)（如波段，極化方式，入射角等）各不相同，對于艦船目標(biāo)觀測能力不同。圖1是入射角對艦船反射回波影響的示意圖，圖a比圖b的入射角小，入射角越大，SAR接收到的艦船反射回波越強(qiáng)，這與1997年Vachon等人使用Skolnik的艦船截面積等于排水量的結(jié)論得出的結(jié)果是一致的。

2.3 海洋因素

當(dāng)海風(fēng)增大時，海洋表面的后向散射增加，SAR圖像上艦船目標(biāo)與海洋背景的對比度減小，檢測能力下降。同時，由于海洋平面的起伏變化，使得雷達(dá)一個分辨單元內(nèi)散射點(diǎn)之間的相干加強(qiáng)，因而相干斑強(qiáng)度加大。入射角相同的情況下，海況對反射回波影響示意圖如圖2所示。

圖1 入射角回波示意圖

圖2 海況對反射回波影響示意圖

從圖中可見，當(dāng)海面比較平靜時，海面回波信號比較弱，背景很暗。海風(fēng)強(qiáng)烈則回波較強(qiáng)，后向散射增加，背景偏亮。

3 海洋目標(biāo)檢測工作步驟

從已發(fā)表的大量研究文獻(xiàn)可歸納出，一般檢測工作包含如下五個步驟：

1）海陸分割。又稱陸地掩膜，目的是將海洋SAR圖像中的陸地區(qū)域進(jìn)行遮蔽或移除，使得檢測器僅僅作用于海洋區(qū)域而忽略陸地區(qū)域。這是因為陸地區(qū)域在SAR圖像上通常具有較強(qiáng)的后向散射系數(shù)，同時陸地上的許多地物，在SAR圖像上都表現(xiàn)為類似于海面艦船的強(qiáng)散射體，這些陸地地物會帶來大量的虛警，增加目標(biāo)辨識的工作量。

2）預(yù)處理。預(yù)處理被定義為一系列的SAR圖像處理操作，其目的是抑制雜波背景，增強(qiáng)目標(biāo)，并去除由于各種因素造成的干擾，盡可能地提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性。這些操作包括斑噪抑制濾波、旁瓣抑制濾波、直方圖調(diào)整、目標(biāo)增強(qiáng)等。

3）預(yù)分割。預(yù)分割是利用相應(yīng)的檢測算法將海洋區(qū)域中可能是船只目標(biāo)的高亮目標(biāo)從背景中分割出來。

4）目標(biāo)辨識：主要目的是通過先驗知識和人工干預(yù)將預(yù)分割得到的可疑目標(biāo)進(jìn)行篩選，減少檢測結(jié)果中的虛警。常用的先驗知識主要包括目標(biāo)的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)、散射特性以及周圍環(huán)境的異常等特性。

5）目標(biāo)定位與信息提取：確定目標(biāo)的圖像位置和實際地理位置，并根據(jù)檢測結(jié)果和目標(biāo)特征對目標(biāo)的面積、形狀和方向等參數(shù)進(jìn)行估計。

表1 用于船只檢測的常用星載SAR數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文參考了近年來公開發(fā)表國內(nèi)外對SAR圖像海洋艦船目標(biāo)檢測技術(shù)的研究成果，對檢測系統(tǒng)流程進(jìn)行了簡要介紹，利用SAR進(jìn)行艦船的檢測、監(jiān)視和識別，分析艦船的面積、位置、航向及航速等重要參數(shù)，對于確保海上戰(zhàn)場主動權(quán)和取得軍事行動的成功起到重要的作用，達(dá)到捍衛(wèi)我國領(lǐng)土完整和維護(hù)國家統(tǒng)一的目的。

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