反常波SAR遙感識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、反常波(rogue wave)又被稱(chēng)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(tái)等帶來(lái)災(zāi)難性的破壞，是近二十年來(lái)海浪研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)條件有限，目前有關(guān)反常波的記錄并不多，且大都為單點(diǎn)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。合成孔徑雷達(dá)(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(qiáng)的特點(diǎn)，發(fā)展基于SAR的反常波遙感識(shí)別技術(shù)是更好的了解反常波和預(yù)防其危害的有效途徑。
　　 非線(xiàn)性性是反常波的重要特性，目標(biāo)電磁散射特性是研究SAR遙感技術(shù)的關(guān)鍵。本文按照“非線(xiàn)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(shí)別技術(shù)→反常波成像模擬與遙感識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”的研究路線(xiàn)，對(duì)基于SAR的反常波遙感識(shí)別若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，具體研究工作如下：
　　 (1)提出了非線(xiàn)性海面的表征模型。

3、海面長(zhǎng)波對(duì)短波的調(diào)制是海洋微波遙感的基本原理，當(dāng)海面長(zhǎng)波波長(zhǎng)大于雷達(dá)距離向分辨率時(shí)，長(zhǎng)短波間的調(diào)制作用也是海面SAR成像的決定因素。本文對(duì)Longuet-Higgins模型進(jìn)行擴(kuò)展提出了1個(gè)長(zhǎng)波與多個(gè)短波非線(xiàn)性作用的深海表面模型，對(duì)波波間的非線(xiàn)性調(diào)制特性進(jìn)行了分析，并基于該模型數(shù)值模擬了非線(xiàn)性海面的空間演化和時(shí)空演化。該模型不僅易于實(shí)現(xiàn)，也容易擴(kuò)展到各種不同復(fù)雜海況的表征和反常波數(shù)值模擬。
　　 (2)研究了海面運(yùn)動(dòng)對(duì)SAR成像

4、多普勒頻率的影響。多普勒頻率是SAR信號(hào)處理中十分關(guān)鍵的參數(shù)，海面運(yùn)動(dòng)引起SAR回波的多普勒頻移可應(yīng)用于海流和海上目標(biāo)的檢測(cè)。針對(duì)雙尺度線(xiàn)性海面和(1)中提出的長(zhǎng)短波非線(xiàn)性調(diào)制海面推導(dǎo)出SAP，成像多普勒頻率公式水平分量和垂直分量，并通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)海面水平運(yùn)動(dòng)引起所的SAR成像多普勒與海況無(wú)關(guān)，而非線(xiàn)性海面垂直運(yùn)動(dòng)引起的多普勒帶寬比線(xiàn)性海面垂直運(yùn)動(dòng)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(cè)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(shí)間短，目前缺少可用于驗(yàn)證反常波檢測(cè)算法的真實(shí)數(shù)據(jù)，所以進(jìn)行SAR圖像模擬是發(fā)展反常波遙感的必要手段。本文對(duì)Franceschetti海面回波信號(hào)模擬器進(jìn)行擴(kuò)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(jì)算Bragg波時(shí)充分考慮了生成反常波的長(zhǎng)波與短波間的非線(xiàn)性作用，并通過(guò)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(cè)反常波。
　　 (4)對(duì)于反常波的SAR遙感識(shí)別方法，根據(jù)(3)的研究結(jié)果提出了一種圖像擾動(dòng)強(qiáng)度算法來(lái)判定反常波的存在，通過(guò)大量模擬的反常波海面SAR圖像和一般海面SAR圖像驗(yàn)證了算法的有效性。設(shè)計(jì)了一個(gè)反常波成像模擬與遙感識(shí)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(cè)等功能模塊，為