反常波SAR遙感識別關鍵技術研究.pdf

1、反常波(rogue wave)又被稱作極值波(extreme wave)或畸形波(freak wave)，它們或者具有非常高的波高，或者波形反常，由于其能量高度集中而給航海和海上鉆井平臺等帶來災難性的破壞，是近二十年來海浪研究領域的熱點。由于現(xiàn)場實測條件有限，目前有關反常波的記錄并不多，且大都為單點時間序列數(shù)據(jù)。合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)可以高分辨率微波成像，具有不受天氣和氣候條件影響、穿透

2、性強的特點，發(fā)展基于SAR的反常波遙感識別技術是更好的了解反常波和預防其危害的有效途徑。
　　 非線性性是反常波的重要特性，目標電磁散射特性是研究SAR遙感技術的關鍵。本文按照“非線性海面表征模型→反常波電磁散射模型→反常波SAR成像模擬→反常波SAR識別技術→反常波成像模擬與遙感識別系統(tǒng)開發(fā)”的研究路線，對基于SAR的反常波遙感識別若干關鍵技術進行了深入研究，具體研究工作如下：
　　 (1)提出了非線性海面的表征模型。

3、海面長波對短波的調(diào)制是海洋微波遙感的基本原理，當海面長波波長大于雷達距離向分辨率時，長短波間的調(diào)制作用也是海面SAR成像的決定因素。本文對Longuet-Higgins模型進行擴展提出了1個長波與多個短波非線性作用的深海表面模型，對波波間的非線性調(diào)制特性進行了分析，并基于該模型數(shù)值模擬了非線性海面的空間演化和時空演化。該模型不僅易于實現(xiàn)，也容易擴展到各種不同復雜海況的表征和反常波數(shù)值模擬。
　　 (2)研究了海面運動對SAR成像

4、多普勒頻率的影響。多普勒頻率是SAR信號處理中十分關鍵的參數(shù)，海面運動引起SAR回波的多普勒頻移可應用于海流和海上目標的檢測。針對雙尺度線性海面和(1)中提出的長短波非線性調(diào)制海面推導出SAP，成像多普勒頻率公式水平分量和垂直分量，并通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)海面水平運動引起所的SAR成像多普勒與海況無關，而非線性海面垂直運動引起的多普勒帶寬比線性海面垂直運動引起的多普勒帶寬大很多，更加突出局部海面特征，為高海況下檢測反常波提供了可能。
　

5、　 (3)由于反常波具有瞬態(tài)特征，其產(chǎn)生突然且存在時間短，目前缺少可用于驗證反常波檢測算法的真實數(shù)據(jù)，所以進行SAR圖像模擬是發(fā)展反常波遙感的必要手段。本文對Franceschetti海面回波信號模擬器進行擴展，提出了基于分布表面模型和雙尺度模型的反常波電磁散射模型，該模型在劃分散射小面和計算Bragg波時充分考慮了生成反常波的長波與短波間的非線性作用，并通過在中等入射角下的SAR成像模擬發(fā)現(xiàn)，不僅反常波的NRCS值比一般正弦波海面的

6、NRCS值小，而且NRCS值在反常波位置的變化量也很大。該發(fā)現(xiàn)可以用于從SAR圖像中檢測反常波。
　　 (4)對于反常波的SAR遙感識別方法，根據(jù)(3)的研究結果提出了一種圖像擾動強度算法來判定反常波的存在，通過大量模擬的反常波海面SAR圖像和一般海面SAR圖像驗證了算法的有效性。設計了一個反常波成像模擬與遙感識別軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括反常波海面模擬、SAR成像模擬、讀取SAR圖像、海浪譜和波高譜反演，以及反常波檢測等功能模塊，為