雷达参数对SAR图像中Kelvin尾迹的影响

江 源，曲长文，周 强

（海军航空工程学院a.研究生管理大队；b.电子信息工程系；c.科研部，山东烟台264001）

雷达参数对SAR图像中Kelvin尾迹的影响

江 源a，曲长文b，周 强c

（海军航空工程学院a.研究生管理大队；b.电子信息工程系；c.科研部，山东烟台264001）

舰船尾迹的SAR成像受到船艇自身、海洋环境和SAR系统等多种因素的影响，其中起主要作用的是雷达参数的影响。文章重点对影响舰船Kelvin尾迹SAR成像的SAR系统参数进行了详细讨论和分析，其中包括极化方式、视向角、频率以及入射角对Kelvin尾迹的影响因素。给出了各种参数对尾迹成像的影响规律，通过此规律有助于下一步得出舰船尾迹的最佳观测条件。

SAR；Kelvin尾迹；雷达参数

当舰船在水面上航行时，其后面会产生很明显的尾迹并且在很长一段时间内不会消失，Kelvin尾迹就是其中一种主要的特征尾迹[1]。Kelvin尾迹是所有尾迹中包含舰船信息最多的一个。因此，对Kelvin尾迹的研究显得尤为重要，有利于对其构建仿真模型，并对尾迹检测提供有利的帮助。SAR对舰船Kelvin尾迹场能否成像以及成像质量的好坏取决于3个方面的因素：一是船艇自身的因素，包括速度、尺寸、船型、吃水深度、潜深（对潜艇来说）等；二是海洋环境因素的影响，包括海面风场的风速、风向等；三是雷达参数，主要包括雷达频率、入射角、视向、极化等[2-4]。在进行波流相互作用计算和海面后向电磁散射计算过程中，选取不同的源函数和电磁散射模型也会对尾迹成像产生影响。弄清这些因素在SAR成像过程中的作用及其影响程度，可为设计并改进SAR观测系统和选择尾迹最佳观测条件提供参考。同时，也可为后续应用成像结果进行舰船尾迹的检测以及舰船位置、速度、尺寸等参数的反演提供数据支撑[4-11]。本文主要研究雷达参数对Kelvin尾迹的影响。

1 极化方式的影响

极化是一个描述SAR天线辐射的电场强度矢量和磁场强度矢量在空间的方向概念[12]，极化一般分为线极化、圆极化和椭圆极化等。SAR天线一般采用线极化方式。线极化按照发射和接收的不同又有HH、HV、VH和VV 4种工作模式。SAR采用不同的天线极化方式会直接影响到其天线的收发匹配及接收效率。因而有必要对其进行对比研究以确定不同极化方式对尾迹成像产生的影响。

图1和表1为分别采用HH、VV、HV和VH极化方式的海面场景SAR图像及其对应的尾迹两臂的相对平均NRCS。从图1中对比可以看出，极化对舰船产生的Kelvin尾迹后向散射影响不大，差别不明显。

图1 采用不同极化方式的尾迹后向散射及其SAR图像Fig.1 Wake backscattering and its SAR image of difference polarizations

表1 不同极化方式下的尾迹后向散射Tab.1 Backscattering from wake with different polarization

图2显示了雷达采用不同频段时极化方式对尾迹后向散射的影响。从图2中可以看到，随着频率的增加，不同极化方式下后向散射具有一致的衰减趋势，但各种极化方式对后向散射的影响并不明显，在各种极化方式获得的成像结果基本相同。由于在对海面观测时，雷达在VV极化条件下具有最高的信噪比，因而实际应用中应考虑选用VV极化。

图2 不同频段极化方式对尾迹后向散射的影响Fig.2 Influence on backscattering with polarization under difference frequencies

2 视向角的影响

Radarsat对海面舰船Kelvin尾迹的观测结果显示，SAR与舰船航向之间的夹角不同，其对尾迹不同部分的散射存在明显的差异。为探究SAR不同视向对Kelvin尾迹的成像规律以及对潜艇Kelvin尾迹成像时是否会出现相同的现象，进行如下对比仿真实验。图3为SAR对海面尾迹的观测示意图。设定潜艇航行的反方向为x轴正向，SAR与x轴正向沿逆时针方向的夹角为ϕ0。

图3 SAR对海面尾迹观测示意图Fig.3 Schematic graph of SAR wake detection

图4为采用表2中所示参数获得的不同SAR视向下潜艇海面Kelvin尾迹的模拟图像。从图4中可以看出，在不同的视向下，海面尾迹呈现出不同的特征，有时尾迹十分明显，有时十分微弱，有时出现一臂亮一臂暗的情况。

图4 不同视向下潜艇Kelvin尾迹模拟图Fig.4 Simulation imaging of submarine wake under different looking direction

表2 SAR不同视向成像时的仿真参数Tab.2 Parameters for wake detection under different looking direction

表3为通过采用功率比计算的图4中尾迹右臂和尾迹左臂的相对平均NRCS的值 Δσ_dB_r和Δσ_dB_l。对表3中的结果分析可知：当ϕ0=0°时，尾迹的左臂和右臂的相对平均NRCS值基本相当，表明此时尾迹两臂对电磁波具有同等散射能力；当ϕ0=30°时，尾迹的右臂散射能力增强而左臂的散射能力下降；当ϕ0=90°时，尾迹两臂均出现了下降，表明此时海面尾迹散射的微弱性。为对不同视向下尾迹两臂随雷达视向角的变化规律有全面的了解，ϕ0取0°～360°之间的各整数值，模拟出各种视向下尾迹两臂的相对平均NRCS如图5所示。从图5中可看出，随着SAR视向角的变化，尾迹两臂交替出现极大值和极小值。以尾迹左臂为例，当ϕ0约为40°和220°时，左臂出现峰值，且在220°时后向散射略高于40°时的后向散射。当ϕ0约为120°和300°时，左臂出现谷值。结合卫星海洋学理论[4]可知，当波浪传播方向与雷达视向在同一条线上时，其后向散射最大，从而得知，尾迹左臂上尖波的传播方向与x轴正向的夹角约为40°或220°。又因雷达视向与波浪传播方向反向时的散射强度高于雷达视向与波浪传播方向同向时的散射强度，故左臂上的尖波与x轴正向的夹角应约为220°，与Hennings对舰船尾迹成像的结论基本一致，即尖波的传播与航行方向夹角在35.3°≤ϕ≤54.1°范围内。这一结果同时也表明潜艇Kelvin兴波尾迹与海面舰船Kelvin尾迹具有相似的特征。

图5 雷达不同视向下尾迹两臂的相对平均后向散射值Fig.5 Relative mean NRCS of left and right arm under different looking direction

表3 不同雷达视向下尾迹两臂后向散射对比Tab.3 Comparison of left and right arm backscatter under different looking directions

图6为美国洛克希德⋅马丁公司公布的美国海军编队的真实SAR图像与仿真图像的对比。

图6 真实图像与仿真图像对比Fig.6 Comparison of the real image and the simulated image

本文以图5中白色方框内的舰船的Kelvin尾迹为研究对象，运用本文的方法对比了尾迹两臂相对后向散射信息（由于只获得了SAR图像而没有获得图像原始数据，因而就无法获得两臂的相对后向散射值，此处采用图像上尾迹两臂的相对平均灰度值来近似代替两臂的相对后向散射值），并根据图5所示规律计算出雷达视向应为142°，最后运用本文的方法结合典型海况仿真了在这一雷达视向下的尾迹图，与真实图像对比可以看出本文的方法可以较好地仿真海面的尾迹信息，同时也表明采用此种方法计算的雷达视向角应是正确、合理的。

3 频率选择的影响

当前，国际上在运行的SAR系统主要工作在P、L、C、X等波段。表4为同一照射几何下，采用不同波段的SAR观测同一片海域得到的雷达后向散射截面。从表中可以看出，L波段图像尾迹的相对平均后向散射最大，因而在图像中最明显，C波段和X波段的图像效果差别不大，均劣于L波段的成像效果。因而L波段是当前实现舰船Kelvin尾迹探测的首选波段。

表4 不同波段雷达对尾迹的后向散射能力对比Tab.4 Comparison of wake backscattering abilities for different radar frequency

图7为尾迹单臂尖波相对平均后向散射系数随入射频率的变化关系。从图7中可以看出，随着频率的增加，后向散射在L波段最大，随后呈现下降的趋势，且当频率达到4GHz后，散射值基本保持稳定水平，即尾迹后向散射在C波段与X波段差别不大。图8为当尖波传播方向与雷达视向逆向、同向和垂直时其后向散射的变化规律。可以看出，尖波传播方向与雷达视向逆向时后向散射最大；同向时后向散射次之，但与逆向时差别不大；垂直时最小。随着入射频率的增加，逆向和同向时的相对平均后向散射迅速减小，而垂直时其后向散射基本不随入射频率的变化而变化。

图7 尾迹左臂相对平均后向散射系数随入射频率的变化关系Fig.7 Relationship between wake left arm relative mean NRCS and incidence angle

图8 尾迹左臂尖波相对平均后向散射系数随入射频率的变化关系Fig.8 Relationship between wake left arm crsp relative mean NRCS and incidence angle

4 不同入射角的影响

图9为SAR不同入射角下对海面尾迹观测示意图，图10为在图9所示的入射几何获得的SAR系统在不同入射角时对海面尾迹的雷达后向散射结果。

图9 SAR不同入射角下对海面尾迹观测示意图Fig.9 Sketch map of wake detection with different incidence

图10 尾迹左臂的相对平均NRCS随入射角的变化关系Fig.10 Relationship between relative mean NRCS of wake and incidence angle

由图10可见，随着入射角的增加，雷达逆着尖波传播方向照射（以下简称逆向）和雷达顺着尖波传播方向照射（以下简称同向）时，其相对平均NRCS均逐渐减小，且同向时随入射角的增加相对平均NRCS下降的相对较快。而当雷达视向与尖波传播方向垂直（以下简称垂直）时，其相对后向散射系数随入射角的增加而缓慢变大[5]。另外，从图10中也可看出，逆向和同向时相对平均NRCS最大，且逆向时稍大于同向时，而垂直时相对平均NRCS较小，均小于逆向和同向时的值，这一结果与图8所示的结果是一致的。

从图8还可以看出，在高入射角下，雷达后向散射变化幅度较大，低入射角下，雷达后向散射变化幅度较小。即在高入射角下，SAR图像上亮暗条纹差异更明显，对比度最高，因而成像效果最佳。在实际工程应用中，为保证在雷达视向与波传播方向逆向或同向时具有较高的后向散射值，且考虑到雷达视向与波传播方向垂直时亦能对海面成像，因而，在选择雷达入射角时，在保证满足其他工作条件的情况下，应尽可能减小雷达入射角，保证较高的入射几何。一般选取20°～40°的入射角作为SAR的最佳观测角。

表5为当前国际上几种典型的SAR雷达卫星参数，可以看出这些SAR系统一般均将入射角选择在20°～40°范围内。采用这些卫星的典型参数进行仿真计算，获得的相对平均后向散射如表5最后一列所示。可见其相对平均后向散射虽然受多种因素影响，但随着入射角的增加，仍然保持了下降的趋势。

表5 典型卫星参数获取的相对平均NRCSTab.5 Simulation of relative mean NRCS by typical satellite parameters

5 结束语

系统分析了SAR系统参数对Kelvin尾迹SAR图像特征的影响，得出的结论如下：雷达极化方式对Kelvin尾迹后向散射影响较小，但对内波尾迹后向散射影响较大，且HV极化和VH极化后向散射大于VV和HH极化；不同频率对Kelvin尾迹会产生一定的影响，但不是主要影响成分；视向角对尾迹两臂的SAR图像特征影响较大，也是尾迹经常出现一亮一暗甚至观测不到的主要原因，当雷达视向与Kelvin尾迹尖波传播方向逆向时最大，同向次之，垂直时最小；入射角主要影响尾迹在SAR图像上的对比度。

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Influence of Rada Parameters on Kelvin Wake in the SAR Image

JIANG Yuana,QU Changwenb,ZHOU Qiangc
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students’Brigade; b.Department of Electronic and Information Engineering; c.Department of Scientific Research,Yantai Shandong 264001,China）

Ship wake of SAR imaging by boat,ocean environment and the influence of many factors such as SAR system, which plays a main role is the effect of radar parameters.In this paper,the key to affect ship Kelvin wake the SAR system parameters of SAR imaging had carried on the detailed discussion and analysis,including polarization modes,depending on the angle,frequency,and incident angle of the influence factors of Kelvin wake.The influence law of various parame⁃ters on the trail imaging was given,it helped to obtain the best observation condition of the ship wake next.

SAR;Kelvin wake;rada parameters

TN957.52

A

1673-1522（2015）05-0419-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2015.05.004

2015-04-30；

2015-07-22

国家自然科学基金资助项目（60874112）

江 源（1990-），男，硕士生；曲长文（1963-），男，教授，博士，博导。