轨道运动对BiSAR海浪成像的影响

杨永红，林明，陆南

（江苏科技大学电子与信息学院 江苏 镇江 212003）

轨道运动对BiSAR海浪成像的影响

杨永红，林明，陆南

（江苏科技大学电子与信息学院 江苏 镇江 212003）

速度聚束调制是研究BiSAR海浪成像机理的一个重要方面，而海浪的轨道运动是速度聚束调制产生的根源。在平飞非等速情况下，本文以单色波为例，建立了含有轨道速度和加速度扰动的海面回波模型，推导了BiSAR海浪图像强度的表达式。当收发平台取适当的参数时，数值计算表明BiSAR是可以对一定条件下的海浪成像，并比较了单站SAR和双站SAR海浪图像的异同点。

双站SAR；速度聚束调制；海浪

与单站SAR相比，双站SAR可以获取目标的丰富信息，提高系统的抗摧毁，抗隐身性能等优点。BiSAR是目前遥感领域中最为活跃的研究方向之一。由于 BiSAR系统的收/发平台是分置的，一方面，有利于提升接收系统的生存能力和降低成本；另一方面，给系统实现和信号处理带来了一定的困难，如信号接收和同步（时间/频率/相位）的问题。目前国内外已对机载 BiSAR进行了多次的飞行试验，并获取了高分辨率的 BiSAR图像，这标志着BiSAR的研究取得了重大的突破。因此，可以预见，在不久的未来 BiSAR会作为一种新的探测海洋手段和工具[1-5]。

研究表明，海浪的运动模式是通过倾斜调制、流体动力学调制以及速度聚束调制在 SAR图像上的。海浪的轨道运动是 SAR海浪图像速度聚束调制产生的根源。文献[6]，研究了平飞等速斜视情况下BiSAR海浪速度聚束调制，推导出了海浪图像强度的表达式。此外，文献[7-9]，研究了BiSAR海浪回波的时域仿真，涉及到海面电磁散射模型、海浪谱模型以及相干斑噪声模型。仿真的回波数据可用于BiSAR海浪成像算法和成像机理方面的研究。

本文以单色波为例，推导了平飞非等速情况下BiSAR海浪图像强度的表达式，对海浪轨道运动的影响进行了定量分析。当收发平台取适当的参数时，数值计算表明BiSAR是可以对一定条件下的海浪成像，比较了单站SAR和双站SAR图像的异同点。

1 BiSAR海浪图像模型

为了分析方便起见，我们以单色波为例，海面中的任一点P的二维运动可表示为，

图1为BiSAR海浪几何模型，Tr表示发射机，Re表示接收机。发射机的速度为 V1，接收机的速度为V2。发射机与点P的最近距离为R1， 接收机与点目标P的最近距离为R2。

图 1 BiSAR 海浪几何模型Fig. 1 Geometric model of BiSAR ocean wave

经过距离压缩以后，BiSAR的回波信号可表示为，

式中：k为雷达波的波数；下标i={1，2}，i=1表示的是发射机；i=2表示的是接收机。∆i是由于点P的运动产生的附加相位。通常，我们采用海浪的轨道速度和轨道加速度两项来表示点P的运动，

式中：Ui为点目标 P的轨道速度，iA为点目标 P的轨道加速度，i0为常数相位项。海浪的轨道速度和加速度与所观测的位置以及海浪的传播方向密切相关。根据水波的线性理论，轨道速度和加速度可分别表示为，

式中：θi表示的是发射机/接收机的入射角，Φi表示的是发射机/接收机飞行方向在地面的投影与海浪传播方向之间的夹角，可参考图1中的几何模型。

其中，‘’表示的是时域中的卷积运算。结合式（1）—（9），忽略了常数相位项后，式（10）可整理为，

由于轨道速度Ui和加速度iA是与点目标 P的位置x0有关的函数，可参考式（5）和（6）。对式（13）很难求出具有物理含义的解析式，一般都采用数值的方法来求解。

2 仿 真

为了分析轨道运动对BiSAR海浪成像的影响，本文进行了仿真试验。假设海浪表面的NRCS为均匀分布，即()为常数。在仿真中，令() = 1。海浪的波长110 m，波高分别为{1.3 m, 2 m, 3 m}。假设发射机和接收机为平飞的模式，可参考图1。海浪的传播方向与接收机的飞行方向一致，发射机和接收机的入射角均为30°。合成孔径时间为2.5s，雷达波的波长为0.25m。

图 2 单站SAR海浪图像强度Fig. 2 Image intensity of Mono-SAR ocean wave

当R1=R2=7 km，V1=V2=200 m时，利用数值方法计算式（13），在一个波浪传播周期内图像强度的变化如图 2所示。该几何参数对应于单站 SAR情形，从图2可以看出，在波谷的附近处，对波高为1.3 m的海浪来讲，速度聚束的效果较好，而且速度展宽的效果较弱。对于海浪表面的() =1来说，由于轨道运动的影响，使得海浪图像强度呈现出了聚束和展宽的效果，这就是速度聚束调制海浪成像机理的具体体现。对于对波高为3 m的海浪来讲，虽然也存在着速度聚束的效果，但是速度展宽的效果较强，此时海浪成像效果较差。

图 3 双站SAR海浪图像强度（a：Φ=0；b：Φ=25°）Fig. 3 Image intensity of BiSAR ocean wave（a：Φ=0；b：Φ=25°）

当R1=9 km，R2=7 km，V1=220，V2=200 m时，该几何参数对应于BiSAR平飞非等速的情形，海浪的传播方向与SAR的飞行方向一致时，即 Φ = 0，得到的结果如图3a所示；当海浪的传播方向与SAR的飞行方向成25°时，得到的结果如图3b所示。从图3和图2可以看出，对于波高为1.3 m的海浪来说， 双站SAR和单站SAR的成像效果几乎是一样，也就是说，利用BiSAR同样也可以探测到该海浪。而对于波高为3 m的海浪来说，双站SAR的成像效果明显要比单站SAR的差，几乎很难探测到。

3 结 语

本文以单色波为例，建立了含有海浪轨道扰动的回波模型，推导了平飞非等速BiSAR海浪图像强度的表达式。当收发平台取适当的参数时，通过仿真实例验证了 BiSAR是可以对一定条件下的海浪成像，并比较了单站SAR和双站SAR海浪图像的异同点。在其它双基地几何模型下，海浪速度聚束调制的效果还有待于进一步的研究。

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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

杨永红（1971—），女，博士，讲师，主要从事海洋遥感研究。电子邮箱：yangyhxax@163.com