機載小型合成孔徑雷達溢油遙感監測技術

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(1.中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司，天津 300452;2.中國科學院電子學研究所，北京 100080)

目前機載溢油監測傳感器以光學相機、攝像機及紅外傳感器為主，但光學傳感器監測范圍受限，且受光照條件、氣象條件影響大。而合成孔徑雷達(SAR)可以克服這些限制條件，適用于海上溢油監測。合成孔徑雷達傳感器的小型化發展，為機載溢油監測技術提供了新的可能。國外在機載SAR技術方面開展了大量工作，并在實際中進行應用。美國NASA的UAVSAR是L波段全極化合成孔徑雷達，專門為差分干涉測量收集機載重復軌道SAR數據。墨西哥灣溢油事故中應用該SAR進行溢油監測[1-2]，加快了溢油清理工作的進度，但該SAR總重近200 kg，由專用的NASA科研飛機搭載。近年來我國的SAR遙感技術也得到了較大發展，中科院電子所等單位的SAR研發技術實力雄厚，也開展了部分小型SAR的研發工作[3-4]。目前的小型SAR主要用于軍事領域、陸地遙感領域等，在海洋遙感中主要用于船舶、海冰、溢油遙感監測等方面[5-7]。本文研究機載小型SAR溢油遙感監測技術，是對海洋溢油遙感監測技術的有效補充。

1 小型SAR及機載適配安裝

考慮到海洋溢油監測距離、監測范圍和機載平臺載荷，從3種型號小型SAR設備(重量分別為24、15和3 kg)中選擇幅寬和作用距離最大的小型SAR設備。所裝小型SAR工作于C波段，VV極化，重量24 kg，溢油監測幅寬2～6 km和作用距離6～10 km，分辨率0.1～3.0 m[6]。具體指標見表1。

小型SAR搭載平臺為運12機型，由于該飛機沒有雷達罩，需要重新設計制作并有效掛裝在飛機中部的機腹下方。根據對飛機安裝空間的實際測量，要求天線罩離地間隙不小于150 mm。因此，天線罩掛裝可用高度最大為340 mm。由于機腹無掛裝孔位，天線罩需通過10 mm厚鋁過渡板吊裝在機艙地板上，因此天線罩高度為330 mm。考慮到天線罩的結構強度及透波性等因素，設計使用5 mm蜂窩夾層結構，這樣天線罩內部可用高度的最大值為325 mm；考慮到安全距離為15 mm、平臺垂向的運動補償范圍40 mm。小型SAR設備加裝示意見圖1。

圖1 小型SAR加裝示意

2 小型SAR溢油遙感數據實時處理技術研究

2.1 運動補償

小型SAR面臨的一大難題是運動補償，其根源是飛行平臺擾動對雷達相干合成的嚴重影響，同時受限于飛行平臺配備姿態位置測量設備的精度，無法對飛機運動誤差進行精確補償。可對粗補償后的雷達回波包含的運動誤差進行提取，反演飛機運動誤差，實現精確運動補償。

2.2 實時成像

為滿足溢油實時監測需求，在海面油膜高分辨率成像的實時處理算法實現上，需要高效的SAR信號處理器來加快計算速度。采用高效實時成像處理與圖像壓縮技術，實現對獲取數據的實時處理與壓縮下傳，提高小型SAR設備的時效性。

2.3 海面精確成像

SAR海洋遙感需要充分考慮海面時變性的影響，主要體現在海面后向散射多普勒頻譜對海浪運動發生變化。目前從作用機理上來看，海浪運動對SAR成像的主要影響因素包括重力波運動、軌道波運動以及波浪非線性水動力，其結果造成雷達回波的多普勒中心移動以及頻率展寬。采用子孔徑結合平均傳遞函數的估計，實現對運動海面的重聚焦成像。

3 小型SAR溢油監測技術研究

3.1 溢油快速識別

基于小型SAR獲取遙感數據空間分辨率高和實時性要求高的特點，發展小型SAR溢油識別算法，實現特定海域范圍內溢油目標的快速發現，提供油膜的信息。

小型SAR獲取遙感數據空間分辨率較高的特征，分辨率可優于1 m。SAR影像斑點噪聲的存在將影響油膜信息的提取，對高分辨率SAR尤甚，因此溢油識別要抑制圖像噪聲。此外，為滿足溢油識別實時性的高要求，對由原始影像按一定規則生成由細到粗不同分辨率的影像金字塔，首先對分辨率較粗的大范圍區域進行檢測，確定可疑的局部目標區域，再對該局部區域進一步檢測，如此減少算法時間，提高識別效率。航拍照片等資料，可用于檢驗溢油識別算法的性能，評價溢油識別的可靠性，改進小型SAR油膜識別算法，見圖2。

圖2 小型SAR油膜識別技術改進

3.2 多源信息綜合識別

將小型SAR與光學、紅外等多傳感器相結合的監測機制具有更好的抗干擾性能，并且能降低檢測虛警率。一方面可將小型SAR高空大范圍監測與光學、紅外傳感器的低空重點區域監測及驗證相結合，另一方面可結合小型SAR影像與光學、紅外影像準同步數據，識別油膜，提取油膜位置、面積等信息，實時傳回。

4 機載小型SAR海洋監測試驗

4.1 試驗概況

2015年8月27日—9月16日，在山東煙臺威海近海進行了4次機載小型SAR海洋監測試驗，獲取了海上艦船、養殖基地、海浪、疑似油膜現象等的高分辨率SAR圖像，見圖3、4。圖3a)為飛行航線圖，直線為飛行軌跡，并標有地理坐標，矩形框表示影像范圍，圖3獲取的影像為海岸附近養殖浮筏影像，可以清楚地看到海面的海浪條紋特征以及浮筏的結構特征，排列整齊有規律。這表明該小型SAR分辨率高，對海洋成像良好。圖4為小型SAR獲取的近岸影像，影像中分布數個暗條紋特征，圖像右側靠近岸線一側，可見多個亮點，考慮近岸特征，判斷為近岸船舶。圖4影像中暗條紋，右側數條形狀相對規則，為長條狀，左側的數條則形狀不規則，與船舶特征比較表面暗條紋尺度較大，考慮到近岸附近試驗期間沒有發生泄漏事故，判斷該暗條紋為疑似油膜現象。

圖3 近岸養殖基地試驗影像

圖4 近海暗條紋試驗影像

4.2 SAR影像識別

以圖4中的小SAR影像為例介紹SAR影像解譯識別過程。將預處理后完成幾何校正后的圖4所示的小型SAR影像導入SAR影像監測系統，見圖5。

圖5 小型SAR影像處理

該影像整體背景亮度偏低，遍布細長暗條紋現象，影像背景與暗條紋差異小，并間或分布有船舶亮目標，干擾暗條紋的精細識別。SAR影像暗條紋的識別按照暗斑分割、特征提取、暗斑分類的流程。該影像分辨率高，同時考慮到暗斑的細條紋特征，分割參數的設置使得暗斑分割結果產生的暗斑塊較多，見圖5b)。這里暗斑特征主要考慮暗斑與背景對比度，最終得到的疑似暗斑識別結果見圖5c)。

5 結論

本文基于C波段小型合成孔徑雷達設備和機載海洋監測試驗，研究機載小型SAR溢油監測技術。針對機載平臺運動特點和海洋溢油監測要求，提出機載小型SAR數據處理技術和溢油監測技術。

試驗表明，機載小型SAR溢油監測數據成像質量好且分辨率高，可為海上溢油監測提供有利支撐。但需要指出的是，該技術離實際應用尚有一定距離。機載小型SAR溢油監測需要綜合考慮航空管制、設備加裝調配、航空通信鏈路等問題以及溢油實時判別和信息實時回傳等技術。隨著航空飛行法規政策的健全以及信息通信、計算機識別技術的發展，機載小型SAR溢油監測技術將得到更大的應用空間。

[1] LIU P, LI X, WANG W, et al. Oil spill detection with fully polarimetric UAVSAR data[J]. Marine Pollution Bulletin, 2011,62(12):2611-2618.

[2] JONES C E, MINCHEW B, HOLT B, et al. Studies of the Deepwater Horizon oil spill with the UAVSAR radar [J]. Geophysical Monograph, 2011,195:33-50.

[3] 王巖飛，劉暢，詹學麗，等.無人機載合成孔徑雷達系統技術與應用[J].雷達學報，2016(4)：333-349.

[4] 王巖飛，劉暢，詹學麗，等.一個高精度無人機載多功能SAR系統[J].電子與信息學報，2013(7)：1569-1574.

[5] GADE M, ALPERS W, HTIHNERFUSS H, et al. Imaging of biogenic and anthropogenic ocean surface films by the multifrequency/multi-polarization SIR-C/X-SAR[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1998(15):851-818.

[6] 莎莎，趙宇鵬，王巖飛，等.機載小型SAR研發與海洋溢油監測試驗研究[J].海洋開發與管理，2017(5)：87-90.

[7] 旭惠，張漢德，董梁，等.機載SAR在海冰航空監測中的應用研究[J].海洋開發與管理，2014(5)：44-47.