Refokusering av skip i SAR-bilder fra satellitt

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.