Dynamic modelling of radar seaclutter

Sinds het einde van de Koude Oorlog is er in toenemende mate behoefte aan radarsystemen voor de detectie van kleine en/of zwakke doelen (bijvoorbeeld kleine schepen). Een radar is een systeem dat elektromagnetische straling uitzendt, die vervolgens op objecten in de omgeving reflecteert. Vervolgens neemt de radar deze echo's waar en bouwt daarmee een beeld op van de omgeving. Radar wordt gekenmerkt door drie eigenschappen, vermogen, polarisatie en Doppler-snelheid. Vermogen is een maat voor de sterkte van de ontvangen reflecties en wordt ook wel radar-doorsnede genoemd. Polarisatie geeft de richting aan van het elektromagnetische veld. Doppler-snelheid vertelt hoe snel een object zich naar de radar toe beweegt. Het probleem met de detectie van kleine doelen is dat ze lastig te onderscheiden zijn van de reflecties van het zeeoppervlak, de zogenaamde zeeclutter. Dit proefschrift heeft als doel om een verbeterd model van zeeclutter te ontwerpen, dat gebruikt kan worden voor de detectie van kleine en/of zwakke doelen. Tegen deze achtergrond worden in hoofdstuk 1 de drie voornaamste doelen van dit proefschrift gedefinieerd. Het eerste doel is het vinden van hiaten in de kennis over zeeclutter door middel van een literatuurstudie. Zeeclutter wordt voornamelijk op drie manieren bestudeerd: 1) door het meten en interpreteren van zeeclutterdata; 2) door het opstellen van statistische modellen; en 3) door het opstellen van fysische modellen. In dit proefschrift ligt de nadruk op de derde methode, waarbij de eerste methode wordt gebruikt als validatie van het model. Uit het literatuuronderzoek bleek dat er twee soorten fysische modellen van zeeclutter bestaan, die beiden echter slechts een deelproces beschrijven. Aan de ene kant zijn er de `composite surface' modellen. Deze modellen beschrijven het globale zee-oppervlak door middel van een collectie platte vlakjes. Dit kan analytisch gebeuren, zoals in dit proefschrift, waarbij een realisatie van het oppervlak wordt gemaakt, of statistisch, waarbij de verdeling van de hellingen van de vlakjes wordt berekend. In beide gevallen worden de kleine rimpelingen op het oppervlak statistisch beschreven. De zeeclutter wordt vervolgens bepaald door voor elk vlakje de reflecties uit te rekenen, gegeven de lokale invalshoek op het vlakje en de statistische eigenschappen van de rimpelingen op het vlakje. Het tweede type model beschrijft de zogenaamde `sea spikes'. Dit zijn plotselinge gebeurtenissen in de zeeclutter, die gekarakteriseerd worden door simultane pieken in vermogen, polarisatie-ratio en Doppler-snelheid. Deze gebeurtenissen blijken goed gemodelleerd te kunnen worden door de reflectie aan (bijna) brekende golven. Deze twee typen modellen zijn ieder in staat om een deel van radar-zeeclutter te beschrijven, maar er zijn weinig tot geen modellen die de gehele zeeclutter goed simuleren. De bovengenoemde `composite surface modellen' beschrijven de clutter van het globale oppervlak. Hoewel het mogelijk is om modellen van `sea spikes' (brekende golven) te maken, is niet goed bekend waar deze gebeurtenissen op het oppervlak voorkomen. Dit is het voornaamste probleem bij het combineren van de beide type modellen. Om dit op te lossen, is een golfbrekingscriterium nodig, wat dus juist één van de voornaamste hiaten is in de kennis van zeeclutter. Een tweede ontbrekende factor in de meeste zeecluttermodellen is de dynamica van zeeclutter. Dit houdt in dat meestal noch de Doppler-snelheid van de clutter noch de ontwikkeling van de clutter in de tijd gemodelleerd worden. Het tweede doel van dit proefschrift was het bouwen van een algemeen zeecluttermodel dat deze hiaten opvult. Dit model combineert een aantal oceanografische en elektromagnetische modellen en breidt ze, waar nodig, uit om zo de belangrijkste processen te modelleren die bijdragen aan zeeclutter. Dit is de voornaamste bijdrage die dit proefschrift levert aan dit onderzoeksgebied. De verschillende componenten zijn beschreven in de hoofdstukken 2 en 3. In hoofdstuk 2 worden oceanografische modellen besproken en in hoofdstuk 3 komen elektromagnetische modellen aan bod. Hierbij bleek dat voor de berekening van reflectie aan brekende golven een gevanceerde elektromagnetische methode nodig was. De afleiding en implementatie van een dergelijk model wordt beschreven in hoofdstuk 4. Dit werd gedaan met behulp van de `Method of Moments' (MoM). Dit model is in staat om de reflecties op verschillende objecten te berekenen, waaronder brekende golven. Om de verschillende modellen aan elkaar te knopen is dus één extra component nodig: een golfbrekingscriterium. Uit de literatuur blijkt dat er geen consensus is over hoe golfbreking op volle zee optreedt. Wat wel duidelijk is, is dat breking optreedt als een golf te steil wordt. De steilheid kan afgeleid worden uit twee grootheden, de orbitaal-snelheid en de voortplantingssnelheid van de golf. Orbitaalsnelheid ontstaat doordat de waterdeeltjes een cirkelbeweging maken bij het passeren van een golf. Door deze twee snelheden te combineren kunnen de tijd, de plaats en de grootte van de brekende golven op het zeeoppervlak bepaald worden. De verschillende componenten, zoals gepresenteerd in de hoofdstukken 2 tot en met 4, zijn vervolgens gecombineerd om het algemene model te verkrijgen dat aan het tweede doel van het proefschrift voldoet. Dit model is beschreven in hoofdstuk 5 en bestaat uit 6 delen: 1. Simulatie van het zeeoppervlak: Deze simulatie wordt verkregen door een Fourier-synthese van het golfspectrum van het zeeoppervlak. Hierbij wordt het oppervlak beschreven als een collectie van kleine vlakjes met een bepaalde helling. 2. Simulatie van brekende golven: Het golfbrekingscriterium wordt toegepast op dit oppervlak om de de tijd, de plaats en de grootte van de brekende golven op het oppervlak te vinden. 3. Ray-tracing: Dit is een techniek om uit te vinden (i) welke delen (vlakjes) van het oppervlak niet zichtbaar zijn voor de radar, en (ii) wat de lokale invalshoeken zijn op de rest van het oppervlak. 4. Bragg-berekening: Deze lokale invalshoeken worden gecombineerd met een statistische beschrijving van de rimpelingen op het oppervlak om het ontvangen vermogen van het oppervlak uit te rekenen. De stappen 3) en 4) vormen samen een zogenaamd `composite surface' model. 5. Spike-berekening: Door middel van stap 2) zijn de tijd, de plaats en de grootte van de brekende golven bekent. Vervolgens wordt de MoM-code gebruikt om de radar-doorsnede van de brekende golven te berekenen. Dit levert een `sea spike' op waarvan de snelheid ongeveer gelijk is aan de voortplantingssnelheid van de brekende golf. 6. RCS-combinatie: De resultaten van de Bragg- en spike-berekeningen worden opgeteld om de totale radar-doorsnede (RCS) van elk vlakje te verkrijgen. Deze zes stappen genereren één tijdstap van de zeeclutter-simulatie. Door deze procedure te herhalen, kan een tijdserie van elke gewenste lengte worden verkregen. De zodanig verkregen zeeclutter-simulatie combineert een `composite surface' model met `sea spikes'. Bovendien worden ook de snelheid en de ontwikkeling van de zeeclutter in de tijd bepaald, wat betekent dat het voldoet aan tweede doel van dit proefschrift. Het derde doel van dit proefschrift was het valideren van het model door een vergelijking met gemeten zeeclutter-data. De data-analyse die is uitgevoerd om dit doel te bereiken wordt beschreven in hoofdstuk 6 en in Melief et al., 2006. Drie sets van zeeclutter data zijn hierbij geanalyseerd op een aantal manieren. De analyse liet zien dat zeeclutter is opgebouwd uit 1) een globale achtergrond die veroorzaakt wordt door het proces dat ten grondslag ligt aan de `composite surface' modellen, en 2) sea spikes, die veroorzaakt worden door reflectie op brekende golven. Bovendien bleek dat de Doppler-snelheid de beste grootheid is voor de fysische interpretatie van de data. Concluderend laten de data het beeld zien van zeeclutter dat vanuit de literatuur voorspeld wordt. Het afstemmen en valideren van het model wordt beschreven in hoofdstuk 7. Door het afstemmen kon een gesimuleerde dataset verkregen worden die vergelijkbaar was met de gemeten data. Dit maakte het mogelijk om de analyses die op de gemeten data waren uitgevoerd ook toe te passen op de gesimuleerde data. De simulatieresultaten kwamen goed overeen met de resultaten van de metingen. De enige significante verschillen zaten in histogrammen van de radardoorsnede. De histogrammen van de gesimuleerde data bleken namelijk een staart te hebben aan de kant van de lage vermogens. Dit was een direct gevolg van het feit dat het model 1-dimensionaal is. Een tweede verschil zat in de polarisatie-eigenschappen, die volgen uit deze histogrammen. Op grond van de literatuur voorspelt het model een zogenaamde polarisatieratio van -30 dB, terwijl de gemeten data een ratio van -10 dB liet zien. In hoofdstuk 7 word dieper op dit verschil ingegaan en werd een mogelijke oplossing, het toevoegen van microbreakers aan het model, verder uitgewerkt. De resultaten hiervan toonden aan dat het toevoegen van microbreakers, hele kleine brekende golven, de polarisatieratio van het model kan verhogen naar het gemeten niveau. Concluderend kan gesteld worden dat het in dit proefschrift gepresenteerde model voldoet aan de doelen die gesteld werden in hoofdstuk 1. Het draagt met name bij aan onderzoek van radar-zeeclutter door de combinatie van oceanografische en elektromagnetische modellen.