Refokusering av skip i SAR-bilder fra satellitt

Abstract

Satellittbasert syntetisk apertur-radar (SAR) er en sensortype som har stor betydning for maritim overvåkning. Bilder med stadig høyere oppløsning har blitt tilgjengelige fra slike systemer, men det har hittil ikke vært mulig å få høy oppløsning og stor sporbredde samtidig. Avbildning av store havområder gjøres med lav oppløsning. Klassifikasjon av fartøyer basert på egenskaper som lengde og bredde krever høyere oppløsning og er dermed lite aktuelt på åpent hav med dagens systemer. Det antas imidlertid at dette vil endre seg i fremtiden. SAR-prosessering legger til grunn at den avbildede scenen er stasjonær. Bevegelser kan føre til at mål blir forflyttet, forvrengt og defokusert i bildene, noe som begrenser mulighetene for å trekke ut egenskaper. I denne rapporten blir omfanget av forvrengning og defokusering undersøkt. Videre undersøkes mulighetene for refokusering av skip i SAR-bilder. Rapporten beskriver relevante metoder med autofokus og invers syntetisk apertur-radar (ISAR), og det diskuteres hvilke metoder som kan oppfylle behovene i ulike situasjoner. Dette leder frem mot konklusjoner og anbefalinger om videre aktiviteter. For store skip er det lineær bevegelse som dominerer. Slik bevegelse kan føre til defokusering, men det fins gode metoder for refokusering av bildene. Mindre skip i stor sjøgang har store og hurtig varierende rotasjonsbevegelser som kan gi både forvrengning og defokusering, og effektene er vanskeligere å håndtere. Dataene samles inn i løpet av kort tid idet satellitten passerer, og det er stor variasjon i fartøyenes bevegelser på avbildningstidspunktet. Algoritmer for refokusering og lignende må derfor være i stand til å håndtere et bredt spekter av bevegelser. Forvrengning medfører usikkerhet i lengdeestimatene. Et troverdig lengdeestimat forutsetter korrekt skalering av skipet, noe som krever estimering av skipets rotasjonsbevegelse. Defokusering er særlig et problem ved lang integrasjonstid, det vil si høy oppløsning. Ved lavere oppløsning enn ca. 12 meter i C-bånd og 6–7 meter i X-bånd kan vanlig SAR-prosessering forventes å gi stor sannsynlighet for fokuserte bilder av alle skip unntatt mindre fartøyer i stor sjøgang. Tallene må betraktes som foreløpige anslag. Ved høyere oppløsning vil det være behov for refokusering. En adaptiv og stegvis bruk av forskjellige refokuseringsteknikker fremstår som en naturlig fremgangsmåte. Første steg kan være autofokus på små utsnitt av single-look complex (SLC)-bilder. De mest aktuelle algoritmene er Phase Gradient Autofocus (PGA) og beslektede metoder med mer robust faseestimering. Neste steg kan være reversert SAR-prosessering etterfulgt av fokusering med en ISAR-algoritme. En iterativ algoritme med bildekontrast som kostfunksjon for optimaliseringen synes å være et godt valg. Det forventes at disse metodene til sammen vil gi akseptabel fokusering av de fleste skip med moderate bevegelser ved integrasjonstid godt under 1 sekund, og det anbefales at metodene implementeres og testes på ekte SAR-data. I de mest krevende tilfellene kan det være behov for mer avanserte prosesseringsmetoder basert på reformatering i bølgetallsdomenet eller tid-frekvens-teknikker. En studie av slike metoder anbefales.

Satellite-based synthetic aperture radar (SAR) is a sensor type of great importance for maritime surveillance. Images with increasingly high resolution have become available from such systems, but it has not yet been possible to obtain high resolution and wide swath at the same time. Imaging of large ocean areas is done with low resolution. Vessel classification based on features such as length and width requires higher resolution and is thus of little relevance on the open ocean with current systems. However, this is expected to change in the future. SAR processing assumes that the imaged scene is stationary. Motions can cause target displacement, distortion and defocusing in the images. This would limit the possibilities for feature extraction. In this report the extent of distortion and defocusing is investigated. Furthermore, the possibilities for refocusing of ships in SAR images are investigated. Relevant autofocus and inverse synthetic aperture radar (ISAR) methods are described, and a discussion is given on which methods are capable of meeting the needs in various situations. This leads to conclusions and recommendations for further activities. For large ships, linear motion will dominate. Such motion can lead to defocusing, but adequate methods for refocusing of the images exist. Smaller ships in high sea states will have large and rapidly varying rotational motions which can lead to distortions as well as defocusing, and the effects will be more difficult to handle. The data are collected within a short period of time, and the motions at the time of imaging will vary a lot between vessels. Algorithms for refocusing etc. thus have to handle a wide spectre of motions. Distortion leads to uncertainty in length estimates. Correct scaling of a ship is a precondition for high confidence in the length estimate. This requires estimation of the ship’s rotational motion. Defocusing is especially a problem with long integration time, which means high resolution. With resolution lower than ca. 12 m in C-band and 6-7 m in X-band, conventional SAR processing can be assumed to give a high probability of focused images of all ships except smaller vessels in high sea states. These numbers must be considered preliminary estimates. With higher resolution refocusing will be required. An adaptive and stepwise utilisation of various refocusing techniques appears as a natural approach. The first step can be autofocus on small segments of single-look complex (SLC) images. The most relevant algorithms are the Phase Gradient Autofocus (PGA) and related methods with more robust phase estimation. The next step could be reversed SAR processing followed by focusing with an ISAR algorithm. An iterative algorithm with image contrast as cost function for the optimisation appears to be a good choice. These methods together are expected to give acceptable focusing of the majority of ships with moderate motions with integration times well below 1 s. Implementing and testing the methods on real SAR data is recommended. The most challenging cases could require more advanced processing methods based either on re-formatting in the wavenumber domain or time-frequency techniques. A study of such methods is recommended.