Marine surveillance with bistatic radar: theory, simulation, contribution to computer-aided ship wakes detection

La surveillance maritime en imagerie radar bistatique: théorie, simulation, contribution à la détection automatique du sillage des navires

Andreas Arnold-Bos (1)

1 E3I2 - Extraction et Exploitation de l'Information en Environnements Incertains

We study the feasability of ship wake detection in monostatic or bistatic radar images to get parameters such as the ship's heading and speed. We begin by describing the bistatic radar acquisition chain in the marine environment, in particular the electromagnetic wave scattering models applied to ocean surfaces and how to obtain an elevation map of the Kelvin ship wake. Then we describe a raw radar signal simulator able to tackle bistatic configurations, and we compare our results with data obtained from literature. The second part of the thesis is a study on ship wake detectability in radar images. First we consider the case of the so-called "dead water" wake, by benchmarking four typical reference chains. Then we study the detectability of Kelvin ship wakes in high resolution radar images : we discuss the choice of a radar configuration to optimize the visibility of the wake, and then we present an algorithm able to obtain the ship's heading and speed from the images. The algorithm is based on the stochastic matched filtering theory, and it also operates on high resolution optical images acquired from space.

Nous étudions la faisabilité de la détection du sillage de navires en imagerie radar, éventuellement bistatique, afin d'obtenir des paramètres tels que le cap et la vitesse du navire. Dans un premier temps, on décrit la chaîne d'acquisition radar bistatique ainsi que l'environnement maritime, en particulier les modèles de diffusion des ondes électromagnétiques sur des surfaces océaniques et la manière d'obtenir une carte des hauteurs des vagues de sillage de Kelvin d'un navire. On décrit ensuite un simulateur de signaux radars bruts en configuration bistatique, en validant les résultats obtenus avec des données radar monostatiques disponibles dans la littérature. La seconde partie de la thèse est dédiée à l'étude de la détectabilité du sillage de navires. On traite tout d'abord du cas de la détection du sillage d'eau morte, en réalisant un test comparatif de quatre chaînes de référence représentatives. On traite ensuite la détectabilité du sillage de Kelvin dans des images radar de haute résolution, en commençant par discuter le choix d'une configuration radar optimisant la visibilité du sillage, puis en présentant un algorithme de détection et de traitement basé sur la théorie du filtrage adapté stochastique. Cet algorithme fonctionne également sur des données d'imagerie spatiale optiques haute résolution.

Mots clés: Marine surveillance; bistatic synthetic aperture radar; raw radar signal simulation; Kelvin ship wake; dead water ship wake; stochastic matched filtering; computer- aided detection

Mots clés: Surveillance maritime; radar à synthèse d'ouverture bistatique; simulation de signaux radar bruts; sillage de Kelvin; sillage d'eau morte; filtrage adapté stochastique; détection assistée par ordinateur

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]; Traitement du signal et de l'image [eess.SP]; Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Océan, Atmosphère; Océanographie; Electromagnétisme; Mécanique des fluides [physics.class-ph]

Andreas Arnold-Bos. La surveillance maritime en imagerie radar bistatique: théorie, simulation, contribution à la détection automatique du sillage des navires. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2010. Français. ⟨NNT : 2010BRES2017⟩. ⟨tel-00763477⟩