Detecção de alvos na superfície do mar utilizando imagens SAR orbitais

• Ano de defesa: 2009
• Autor(a) principal: Rafael Lemos Paes
• Orientador(a): João Antonio Lorenzzetti, Douglas Francisco Marcolino Gherardi
• Banca de defesa: Cristina Maria Bentz, David Fernandes
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Sensoriamento Remoto
• País: BR
• Resumo em Inglês: Target detection over ocean surface is very important to national security, once that Brazilian legal waters are the entrance for thounsands foreign ships every year, representing almost totally the Brazilian international trade. However, due to Brazilian coast size approximately 7,500 km is undoable to patrolling whole coastline only with Brazilian Navy (Marinha do Brasil, in portuguese MB) vessels and with Brazilian Air Force (Força Aérea Brasileira, in portuguese - FAB) aircrafts. In such context, the Remote Sensing is inserted. Orbital active and imaging remote sensing due to doesnt be very susceptible to atmospherical conditions and to doesnt depend on sun illumination for imaging, is a very useful tool capable to provide temporal and spatial resolution to acquire data sistematically to control the Brazilian legal waters at relative low costs, optimizing the Armed Forces resources. High contrast generated among the relative low oceanic backscattering values toward to sensor and the high values from targets backscattering makes easy to detect them (targets). The research objective is to verify well established ship detection concepts found in the literature throughout backscattered signal intensity. We also intend to verify the K-distribution fit to the ocean returns as statistical model. Images from four satellites were used: Cosmo-Skymed; Envisat; Radarsat-1; TerraSAR-X. Scansar mode was used for all satellites data; despite they have different spatial resolutions. A detector algorithm based on Constant False Alarm Rate concept was implemented and applied to establish a threshold which will provide separation between ocean clutter values and targets ones. Such threshold was determined according a previously defined probability of false alarms. After detections, the ground truths were compared to the possible targets showed by the detector. In the end, detection performance was relatively analysed through a figure-of-merit that take into account the targets correctly detected, the false alarms and the lost detections. Established concepts in literature were checked on the used data, including that ones related to X-band, of Cosmo-Skymed and TerraSAR-X satellites. CFAR detector showed to be statistically robust, presenting a mean performance of 83.52%. It was possible to show that K-distribution fit adequately to data and the detector performance is strongly dependent of correct statistical parameters estimation.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/08.07.05.29

A detecção de alvos na superfície do mar reveste-se de grande importância para a segurança nacional, uma vez que as águas territoriais brasileiras são as portas de entrada para milhares de navios estrangeiros todos os anos, representando a quase totalidade do comércio internacional brasileiro. Porém, devido ao tamanho da costa brasileira aproximadamente 7.500 km torna-se inviável a patrulha de todo o litoral por navios da Marinha do Brasil (MB) e aeronaves da Força Aérea Brasileira (FAB). Neste contexto, insere-se o Sensoriamento Remoto. O Sensoriamento Remoto orbital ativo e imageador devido ser pouco susceptível às condições atmosféricas e de independer de iluminação solar para realizar o imageamento, é a uma ferramenta muito útil capaz prover resolução temporal e espacial para a aquisição sistemática de dados que permitam controlar as Águas Jurisdicionais Brasileiras a um relativo baixo custo e de forma a otimizar a utilização de meios das Forças Armadas. O grande contraste gerado entre o relativo baixo retorno do sinal retroespalhado da água em direção ao sensor e os altos valores dos sinais relacionados aos alvos facilita a detecção de navios na superfície do mar. Contudo, existem algumas etapas de pré-processamento necessárias para eliminar ou reduzir o ruído de background a fim de facilitar a detecção. O objetivo desta pesquisa é verificar os conceitos estabelecidos na literatura quanto à detecção de alvos na superfície do mar através da intensidade do sinal retroespalhado. Pretende-se, ainda, verificar a adequação da distribuição K como modelo estatístico da região oceânica. Foram utilizadas imagens de 04 satélites: Cosmo-Skymed; Envisat; Radarsat-1; TerraSAR-X. O modo Scansar foi utilizado nos dados de todos os satélites, porém os mesmos possuem diferentes resoluções espaciais. Um algoritmo detector baseado no conceito da Taxa Constante de Falso Alarme (Constant False Alarm Rate CFAR) foi implementado e aplicado com intiuito de estabelecer um valor-limiar indicativo da separação entre os valores relativos ao oceâno (clutter) e àqueles dos alvos. Tal limiar foi determinado em função de uma pré-estabelecida probabilidade de falso alarme. Após as detecções, as informações de verdade de campo foram comparadas com os possíveis alvos apontados pelo detector. Por fim, o desempenho das detecções foi relativizado através de uma figura-de-mérito que considera os alvos corretamente detectados, os falsos alarmes e as detecções perdidas. Os conceitos estabelecidos na literatura foram verificados nos dados utilizados, inclusive aqueles relacionados à banda X, dos satélites Cosmo-Skymed e TerraSAR-X. O detector CFAR mostrou-se robusto estatisticamente, apresentando médio desempenho geral de 83,52%. Foi possível se mostrar que a distribuição K se ajusta adequadamente aos dados e que o desempenho do detector depende fortemente de uma correta estimação de seus parâmetros estatísticos.