机载小型合成孔径雷达溢油遥感监测技术

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(1.中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300452;2.中国科学院电子学研究所，北京 100080)

目前机载溢油监测传感器以光学相机、摄像机及红外传感器为主，但光学传感器监测范围受限，且受光照条件、气象条件影响大。而合成孔径雷达(SAR)可以克服这些限制条件，适用于海上溢油监测。合成孔径雷达传感器的小型化发展，为机载溢油监测技术提供了新的可能。国外在机载SAR技术方面开展了大量工作，并在实际中进行应用。美国NASA的UAVSAR是L波段全极化合成孔径雷达，专门为差分干涉测量收集机载重复轨道SAR数据。墨西哥湾溢油事故中应用该SAR进行溢油监测[1-2]，加快了溢油清理工作的进度，但该SAR总重近200 kg，由专用的NASA科研飞机搭载。近年来我国的SAR遥感技术也得到了较大发展，中科院电子所等单位的SAR研发技术实力雄厚，也开展了部分小型SAR的研发工作[3-4]。目前的小型SAR主要用于军事领域、陆地遥感领域等，在海洋遥感中主要用于船舶、海冰、溢油遥感监测等方面[5-7]。本文研究机载小型SAR溢油遥感监测技术，是对海洋溢油遥感监测技术的有效补充。

1 小型SAR及机载适配安装

考虑到海洋溢油监测距离、监测范围和机载平台载荷，从3种型号小型SAR设备(重量分别为24、15和3 kg)中选择幅宽和作用距离最大的小型SAR设备。所装小型SAR工作于C波段，VV极化，重量24 kg，溢油监测幅宽2～6 km和作用距离6～10 km，分辨率0.1～3.0 m[6]。具体指标见表1。

小型SAR搭载平台为运12机型，由于该飞机没有雷达罩，需要重新设计制作并有效挂装在飞机中部的机腹下方。根据对飞机安装空间的实际测量，要求天线罩离地间隙不小于150 mm。因此，天线罩挂装可用高度最大为340 mm。由于机腹无挂装孔位，天线罩需通过10 mm厚铝过渡板吊装在机舱地板上，因此天线罩高度为330 mm。考虑到天线罩的结构强度及透波性等因素，设计使用5 mm蜂窝夹层结构，这样天线罩内部可用高度的最大值为325 mm；考虑到安全距离为15 mm、平台垂向的运动补偿范围40 mm。小型SAR设备加装示意见图1。

图1 小型SAR加装示意

2 小型SAR溢油遥感数据实时处理技术研究

2.1 运动补偿

小型SAR面临的一大难题是运动补偿，其根源是飞行平台扰动对雷达相干合成的严重影响，同时受限于飞行平台配备姿态位置测量设备的精度，无法对飞机运动误差进行精确补偿。可对粗补偿后的雷达回波包含的运动误差进行提取，反演飞机运动误差，实现精确运动补偿。

2.2 实时成像

为满足溢油实时监测需求，在海面油膜高分辨率成像的实时处理算法实现上，需要高效的SAR信号处理器来加快计算速度。采用高效实时成像处理与图像压缩技术，实现对获取数据的实时处理与压缩下传，提高小型SAR设备的时效性。

2.3 海面精确成像

SAR海洋遥感需要充分考虑海面时变性的影响，主要体现在海面后向散射多普勒频谱对海浪运动发生变化。目前从作用机理上来看，海浪运动对SAR成像的主要影响因素包括重力波运动、轨道波运动以及波浪非线性水动力，其结果造成雷达回波的多普勒中心移动以及频率展宽。采用子孔径结合平均传递函数的估计，实现对运动海面的重聚焦成像。

3 小型SAR溢油监测技术研究

3.1 溢油快速识别

基于小型SAR获取遥感数据空间分辨率高和实时性要求高的特点，发展小型SAR溢油识别算法，实现特定海域范围内溢油目标的快速发现，提供油膜的信息。

小型SAR获取遥感数据空间分辨率较高的特征，分辨率可优于1 m。SAR影像斑点噪声的存在将影响油膜信息的提取，对高分辨率SAR尤甚，因此溢油识别要抑制图像噪声。此外，为满足溢油识别实时性的高要求，对由原始影像按一定规则生成由细到粗不同分辨率的影像金字塔，首先对分辨率较粗的大范围区域进行检测，确定可疑的局部目标区域，再对该局部区域进一步检测，如此减少算法时间，提高识别效率。航拍照片等资料，可用于检验溢油识别算法的性能，评价溢油识别的可靠性，改进小型SAR油膜识别算法，见图2。

图2 小型SAR油膜识别技术改进

3.2 多源信息综合识别

将小型SAR与光学、红外等多传感器相结合的监测机制具有更好的抗干扰性能，并且能降低检测虚警率。一方面可将小型SAR高空大范围监测与光学、红外传感器的低空重点区域监测及验证相结合，另一方面可结合小型SAR影像与光学、红外影像准同步数据，识别油膜，提取油膜位置、面积等信息，实时传回。

4 机载小型SAR海洋监测试验

4.1 试验概况

2015年8月27日—9月16日，在山东烟台威海近海进行了4次机载小型SAR海洋监测试验，获取了海上舰船、养殖基地、海浪、疑似油膜现象等的高分辨率SAR图像，见图3、4。图3a)为飞行航线图，直线为飞行轨迹，并标有地理坐标，矩形框表示影像范围，图3获取的影像为海岸附近养殖浮筏影像，可以清楚地看到海面的海浪条纹特征以及浮筏的结构特征，排列整齐有规律。这表明该小型SAR分辨率高，对海洋成像良好。图4为小型SAR获取的近岸影像，影像中分布数个暗条纹特征，图像右侧靠近岸线一侧，可见多个亮点，考虑近岸特征，判断为近岸船舶。图4影像中暗条纹，右侧数条形状相对规则，为长条状，左侧的数条则形状不规则，与船舶特征比较表面暗条纹尺度较大，考虑到近岸附近试验期间没有发生泄漏事故，判断该暗条纹为疑似油膜现象。

图3 近岸养殖基地试验影像

图4 近海暗条纹试验影像

4.2 SAR影像识别

以图4中的小SAR影像为例介绍SAR影像解译识别过程。将预处理后完成几何校正后的图4所示的小型SAR影像导入SAR影像监测系统，见图5。

图5 小型SAR影像处理

该影像整体背景亮度偏低，遍布细长暗条纹现象，影像背景与暗条纹差异小，并间或分布有船舶亮目标，干扰暗条纹的精细识别。SAR影像暗条纹的识别按照暗斑分割、特征提取、暗斑分类的流程。该影像分辨率高，同时考虑到暗斑的细条纹特征，分割参数的设置使得暗斑分割结果产生的暗斑块较多，见图5b)。这里暗斑特征主要考虑暗斑与背景对比度，最终得到的疑似暗斑识别结果见图5c)。

5 结论

本文基于C波段小型合成孔径雷达设备和机载海洋监测试验，研究机载小型SAR溢油监测技术。针对机载平台运动特点和海洋溢油监测要求，提出机载小型SAR数据处理技术和溢油监测技术。

试验表明，机载小型SAR溢油监测数据成像质量好且分辨率高，可为海上溢油监测提供有利支撑。但需要指出的是，该技术离实际应用尚有一定距离。机载小型SAR溢油监测需要综合考虑航空管制、设备加装调配、航空通信链路等问题以及溢油实时判别和信息实时回传等技术。随着航空飞行法规政策的健全以及信息通信、计算机识别技术的发展，机载小型SAR溢油监测技术将得到更大的应用空间。

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