Sea surface observations by satellites or airplanes equipped with synthetic aperture radar (SAR) are effective methods to obtain global ocean data. However, there are some technical issues in retrieving ocean data from SAR images. First, interpretations between SAR images and moving ocean surface are complicated. If observation targets are moving, the received signals in the azimuth direction are modulated. It is well known that SAR images of oceanic scenes include velocity bunching due to orbital motions of ocean waves. Velocity bunching is considered a nonlinear mechanism in SAR images of the ocean. Therefore SAR has a difficulty in analyzing ocean waves. Simulation techniques for SAR images can help to understand SAR imaging mechanisms and to verify analytical algorithms.

In this paper, SAR image simulation is developed to generate SAR images of ocean scenes. The physical optics approximation is applied to calculate microwave backscattering with its phases. The phase is key a factor of microwave backscattering from the sea surface. The simulation is designed to include microwave backscattering from the ocean surface and modulation due to the moving ocean surface. These are important characteristics of SAR images for ocean surface. In order to simulate the ocean SAR images including modulation caused by moving targets, we need to consider time series of microwave backscattering.

At first, the simulation is conducted in the case of a stationary target to confirm fundamentals of the SAR simulation. The simulation parameters such as sampling rate, phase, target scale, and computational grid scale are determined by the simulation of stationary targets. The SAR raw signals as time series of range and azimuth signals exhibit chirping and Doppler shift. Then compression techniques are applied to the raw signal to obtain fine resolutions.

In the case of a moving target, the time domain simulation obtains time series of microwave backscattering with modulations caused by the moving target. The simulated SAR signals are shifted in the azimuth direction by the velocity of the target. The azimuth shift caused by the moving target is consistent with the theoretical value. The azimuth shift of the ocean waves causes velocity bunching in the SAR images. Therefore, the simulation is applicable for SAR images of moving ocean waves.

In addition, SAR intensities in the range direction are simulated for several ocean wind fields to prove whether the simulation is based on the theory of Bragg scattering, which is dominant mechanism of microwave backscattering from the sea surface. The simulated signals include the phases of backscattered microwaves. Thus it can be based on Bragg scattering. The incident angle dependence is simulated from the wind wave to compare with Bragg scattering theory. As the result, the simulated incident angle dependence is in good agreement with Bragg scattering theory. These results show that the SAR image simulation in time domain is able to generate numerical SAR images of moving ocean surface with regard to motion effects and Bragg scattering.

Next, the SAR images are simulated under different wave directions to validate the SAR imaging mechanism for ocean waves. The range traveling wave and its SAR image have a linear relationship. However, the azimuth traveling wave is not shown in the SAR image.

Furthermore, the azimuth signals from the regular wave traveling to the azimuth direction also exhibit the azimuth shifts due to the orbital motions. From the results of the SAR raw signals, the moving wave and the stationary wave have similar signals. The difference is a shortening in wavelength due to the motion of the platform. It means that the modulations caused by orbital motions are not shown in the SAR raw signals of the moving wave.

The backscattering intensity is weak at the surface where the radial velocity is toward the SAR. This is the reason why velocity bunching caused by the orbital motions is not apparent in the simulated SAR signals. The conventional theory predicts that azimuth waves are strongly influenced by velocity bunching and so azimuth waves become nonlinear in SAR imaging. However, the conventional theory does not include the effect on scattering intensity due to tilt modulation of azimuth waves. On the other hand, the simulation is able to obtain SAR signals with motion effect and scattering intensity.

These simulation results suggest that velocity bunching might not occur in accordance with the conventional theory. It is difficult to evaluate velocity bunching in azimuth wave. Then SAR imaging mechanisms of ocean waves are discussed from the perspective of the local incident angles between the SAR and the ocean waves.

In conclusion, azimuth waves are difficult to observe. However, the reason is different from the theory; the azimuth waves are weakly displayed in SAR images due to small variations in local incident angles, whereas conventional theory implies that azimuth waves are difficult to observe because of nonlinearity caused by velocity bunching. However, it is not enough to evaluate the imaging mechanism with modulations by the ocean surface. The SAR imaging mechanism for ocean waves should be considered using this simulation in terms of scattering intensity and motion effect.

In this paper, we mainly discuss the imaging mechanism of ocean waves in azimuth direction. As a next step, we attempt to simulate SAR images of irregular ocean surfaces. The two-dimensional spectra of the SAR images and the numerical ocean surfaces are shown to discuss sophisticated imaging mechanisms. The conventional theory states that azimuth waves are difficult to analyze because of velocity bunching. In particular, high frequency waves of azimuth direction are shifted randomly due to motions of long waves. The simulation would be helpful to indicate how azimuth waves are displayed in SAR images.

Finally, as an application of the simulation, an algorithm is evaluated using simulated SAR images. The algorithm aims to analyze wave height from SAR images. The algorithm is used in the case of a single wave which is traveling parallel to the range direction. The algorithm is applied to the simulated SAR image. Then the accuracy of the retraced wave height is evaluated with respect to the numerical sea surface.

広大な海洋の観測には衛星からのリモートセンシングが最も適している。特に合成開口レーダ(SAR)は空間解像度10m前後の観測ができることから、合成開口レーダによる海洋波浪観測への期待が高い。ところが、海面におけるマイクロ波散乱の特性、および合成開口レーダの信号処理手法の特徴により、海面のSAR画像には海洋波浪に起因する画像変調が生じ、海面SAR画像から安定的に波浪情報を得ることは困難だと言われている。本論文では、海面形状の数値生成方法とマイクロ波散乱の物理光学近似法を用いた、海面におけるマイクロ波散乱の時間領域数値シミュレーション方法を開発し、海面形状とマイクロ波散乱との関係、並びに合成開口レーダによる波浪海面の画像生成メカニズム、波浪海面SAR画像の特性を明らかにしている。

本論文は6章からなり、第1章は研究の背景、従来の研究との比較、研究目的について述べられている。海面が陸域と最も異なる要素は海面の動きである。合成開口レーダは複数のパルスから受信した信号を合成して、画像を生成する。画像の合成には散乱体である海面と衛星との相対速度が用いられるが、海面の動きによって相対速度にばらつきが生じる。これをVelocity Bunchingと言い、それによってSAR画像に変調が生ずる。従来の海面SAR画像の生成方法として、海面におけるマイクロ波の局所入射角を用いる方法、海面の波浪スペクトルから変調伝達関数(MTF)を用いて求める方法が提案されているが、何れも信号の合成処理は行わず、画像を直接生成している。また、陸域のSAR画像の生成方法として、時間領域の生データを生成し、合成処理を行う方法が提案されているが、レーダの照射面から散乱するマイクロ波の位相はランダム値を与えている。

第2章は合成開口レーダ(SAR)及び海面でのマイクロ波散乱の基本特性について述べられている。本論文で用いるレンジ方向パルス圧縮及びアジマス圧縮(合成開口処理)方法と適用例、移動する散乱体による信号の変調及びVelocity Bunchingの特徴、波の進行方向と海面SAR画像との関係、海面におけるマイクロ波散乱のBragg共鳴散乱理論、複合散乱モデル、物理光学近似について説明している。

第3章は本論文で提案している海面におけるマイクロ波散乱の時間領域シミュレーション方法について述べられている。物理光学近似に基づく、レーダからのマイクロ波の照射、海面でのマイクロ波の散乱、レーダによるマイクロ波の受信など、マイクロ波の伝搬の定式化とシミュレーションのフローチャートが示され、シミュレーションにおける海面計算格子の大きさ、データサンプリング間隔について考察している。海面計算格子の大きさはマイクロ波の波長の1/5以下、データサンプリング間隔はマイクロ波の波長の整数倍とすることが提案されている。

第4章はシミュレーションにより得られた海面におけるマイクロ波散乱及び海面SAR画像の特性について述べられている。海面上の動くターゲットによる、レーダ受信信号のシフト、合成したSAR画像におけるターゲット位置のアジマスシフトがシミュレーションにより示され、海面におけるマイクロ波散乱の代表理論であるBragg共鳴散乱現象、並びに海面SAR画像で見られるスペックルノイズをシミュレーションにより再現している。波浪による海面SAR画像の変調、特にVelocity Bunching効果は、合成開口レーダの照射面積、海面傾斜による散乱強度の低下により、通常の波浪条件においてそれほど大きくなく、Velocity Bunching効果が大きいアジマス方向に進行する波においては、散乱強度が小さいため、波そのもののパターンがSAR画像に現れ難いことが示されている。

第5章ではシミュレーションにより得られた海面SAR画像を用いた海洋波浪情報抽出アルゴリズムの評価について述べられている。レンジ方向の入射角の変化と散乱強度との関係を利用して、局所入射角、海面傾斜角を求めて、波浪スペクトルを推定するアルゴリズムの評価を、シミュレーションにより得られた海面SAR画像を用いて実施し、シミュレーションの有効性を確認している。

第6章は研究の成果と結論について述べられている。海面形状の変化やその海面からのマイクロ波散乱を時間領域において取り扱うことにより、海洋波による画像変調を含めたSAR画像の数値生成を可能にしている。合成開口レーダによる波浪海面の画像生成メカニズム及び波浪海面SAR画像の特性を明らかにしている。

なお、本論文第4章の一部は、林昌奎との共同研究であるが、論文提出者が主体となって解析及び考察を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(環境学)の学位を授与できると認める。