SAR極化特征圖像與σ0圖像的海洋內(nèi)波可視性對(duì)比

李魯靖，孟俊敏*，張 晰，孫麗娜

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

SAR極化特征圖像與σ0圖像的海洋內(nèi)波可視性對(duì)比

李魯靖1，孟俊敏*2，張 晰2，孫麗娜2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東青島 266061）

利用ALOS PALSAR全極化SAR內(nèi)波圖像，對(duì)比分析了SAR海洋內(nèi)波在11種極化特征與后向散射系數(shù)（σ0）圖像中的可視性。在提取的SAR極化特征圖像中，Lambda值的內(nèi)波特征最為明顯，極化熵和極化角次之。與σ0圖像相比，Lambda值的內(nèi)波可視性?xún)?yōu)于同極化的σ0圖像；對(duì)于極化熵和極化角，沿距離向傳播的內(nèi)波可視性?xún)?yōu)于同極化的σ0圖像，沿方位向傳播的內(nèi)波可視性略差于同極化的σ0圖像，兩者均優(yōu)于交叉極化的σ0圖像。H H/VV極化比、歸一化圓極化系數(shù)和Bata值的內(nèi)波特征較弱；H H/HV極化比、VV/VH極化比、Gamma值、Delta值和各向異性指數(shù)的內(nèi)波圖像均不清晰，無(wú)法識(shí)別內(nèi)波。

ALOS PALSAR；全極化SAR；極化特征；海洋內(nèi)波

0 引言

海洋內(nèi)波是指在海水穩(wěn)定層化的海洋中產(chǎn)生、最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部的波動(dòng)。內(nèi)波的生成與傳播，伴隨著等密度面較大的起伏和較強(qiáng)的流速切變，可影響局部海域的水交換，是海洋中能量傳遞和物質(zhì)輸運(yùn)的重要環(huán)節(jié)；大振幅內(nèi)波帶來(lái)的垂向剪切對(duì)水下潛艇航行安全和海上石油平臺(tái)作業(yè)都構(gòu)成嚴(yán)重威脅。另外，海洋內(nèi)波還對(duì)海洋中傳播的聲波造成影響，影響聲速的大小和傳播方向，從而降低了聲吶的使用效能，進(jìn)而對(duì)潛艇的隱蔽和監(jiān)測(cè)起著有利或有害的作用［1］。

內(nèi)波的探測(cè)一直受到海洋科學(xué)工作者的高度關(guān)注。內(nèi)波發(fā)生具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，傳統(tǒng)探測(cè)內(nèi)波的方法不僅觀測(cè)成本高，且難以獲取大范圍的內(nèi)波信息。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光、高度計(jì)和SAR遙感逐步成為海洋內(nèi)波的主要探測(cè)方法，尤其是工作在微波波段的合成孔徑雷達(dá)（SAR），它具有全天時(shí)、全天候以及高分辨成像的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)已有報(bào)道證明SAR是內(nèi)波探測(cè)的最佳傳感器［2］。APEL et al［3］從原理上提出了2種從SAR圖像上反演內(nèi)波振幅的方法。ZHENG et al［4］在兩層孤立波模型下，使用從SAR圖像上獲取的孤立波半波寬度來(lái)計(jì)算內(nèi)波振幅。FU et al［5］對(duì)Seasat衛(wèi)星的內(nèi)波SAR圖像進(jìn)行了分析，獲得了與APEL在Landsat衛(wèi)星可見(jiàn)光圖像上觀測(cè)到的相似內(nèi)波特征。SMALL et al［6］利用英國(guó)Malin陸坡區(qū)域相隔24 h的2景SAR圖像捕獲了相同的內(nèi)波特征，同時(shí)從SAR圖像分析得知，內(nèi)波的型態(tài)一致并且在同一時(shí)刻成像，證明內(nèi)波是潮生的。

隨著SAR硬件水平的提高，SAR已由傳統(tǒng)的單極化發(fā)展到全極化工作。相比于單極化SAR，（全）極化SAR能全面獲取觀測(cè)目標(biāo)的散射特性，極大提高了對(duì)地物目標(biāo)的觀測(cè)能力。而利用極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)波探測(cè)的相關(guān)研究較少，發(fā)展極化SAR內(nèi)波探測(cè)技術(shù)，首先要充分摸清極化SAR對(duì)內(nèi)波的響應(yīng)特性。針對(duì)該問(wèn)題，本文利用3景ALOS PALSAR全極化SAR數(shù)據(jù)，提取了11種極化特征，對(duì)比分析了SAR海洋內(nèi)波在11種極化特征與后向散射系數(shù)（σ0）中的可視性，該工作將有助于后續(xù)極化SAR內(nèi)波探測(cè)的開(kāi)展。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取的3景ALOS PALSAR全極化SAR數(shù)據(jù)均為單視復(fù)數(shù)據(jù)，分辨率為24 m。數(shù)據(jù)A和數(shù)據(jù)B的獲取時(shí)間分別為2011-03-20T16∶10和2011-01-11T16∶03，數(shù)據(jù)C的獲取時(shí)間為2010-05-19T 14∶39（圖1）。數(shù)據(jù)A和B中的內(nèi)波沿距離向傳播，數(shù)據(jù)C中的內(nèi)波沿方位向傳播，這樣選擇可以分析SAR的速度聚束效應(yīng)對(duì)內(nèi)波探測(cè)的影響。而且，數(shù)據(jù)A和C中的內(nèi)波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)B中的內(nèi)波波長(zhǎng)較短，這樣可表現(xiàn)出SAR對(duì)不同波長(zhǎng)內(nèi)波的反映能力。

圖1中數(shù)據(jù)A和B兩景數(shù)據(jù)的地理位置分別對(duì)應(yīng)圖2a中的1和2，所處地理位置均在安達(dá)曼海域南部。數(shù)據(jù)C對(duì)應(yīng)圖2b中的3，所在位置為蘇祿海。安達(dá)曼海是印度洋東北部的邊緣海，是全球海域內(nèi)波多發(fā)區(qū)，該海域的內(nèi)波幅度大，覆蓋面積廣［7］。蘇祿海位于菲律賓西南部與馬來(lái)西亞之間，平均水深1 570 m，蘇祿海也是全球內(nèi)波頻發(fā)的海域，內(nèi)波幅度較大，已有諸多相關(guān)報(bào)道［8］。

1.2 極化SAR數(shù)據(jù)處理

1.2.1 多視處理

本文所用的SAR原始數(shù)據(jù)均為單視復(fù)圖像，方位向分辨率和距離向分辨率不同，導(dǎo)致圖像狹長(zhǎng)，內(nèi)波信息不易辨認(rèn)。因此，利用PolSARpro軟件對(duì)SAR數(shù)據(jù)沿方位向進(jìn)行8視的多視處理，使方位向分辨率和距離向分辨率一致（圖1）。同時(shí)多視處理還對(duì)SAR數(shù)據(jù)起到降噪的作用。

1.2.2 極化特征提取

本文利用PolSARpro軟件［9］提取極化特征。選用的極化特征均為文獻(xiàn)普遍采用的、能有效用于地物目標(biāo)觀測(cè)的特征，分別為后向散射系數(shù)（σ0）、HH/VV極化比、H H/HV極化比、VV/VH極化比、歸一化圓極化系數(shù)（CCC），通過(guò)H-A-Alpha極化分解得到的Lambda值、Gamma值、Delta值、Beta值、各向異性指數(shù)（Anistropy）、極化熵（Entropy）和極化角（Alpha），表1為各極化特征的意義。

1.2.3 感興趣區(qū)提取及斷面分析

本文利用ENVI軟件提取感興趣區(qū)。選取SAR圖像中包括內(nèi)波和海水的區(qū)域作為感興趣區(qū)，然后從感興趣區(qū)中選擇斷面，得出不同極化特征值的分布曲線(xiàn)，最后對(duì)內(nèi)波的分布位置和特征值的分布曲線(xiàn)進(jìn)行分析，并與σ0圖像進(jìn)行比較。

2 內(nèi)波極化特征分析

2.1 后向散射系數(shù)（σ0）

HH極化的σ0圖像如圖3～圖5所示，3景數(shù)據(jù)中的內(nèi)波影像均清晰可見(jiàn)。斷面分布圖3b中左邊4個(gè)峰值為圖3a中的4條內(nèi)波曲線(xiàn)，中間偏右的2個(gè)峰值代表圖3a中2條幅度較大的內(nèi)波。數(shù)據(jù)B中內(nèi)波較密集，因此其斷面分布圖中峰值較多（圖4）。圖5b的斷面分布圖中4個(gè)峰值分別代表圖5a中的4條內(nèi)波。

HV極化的σ0圖像如圖6～圖8所示。圖6a中的內(nèi)波可見(jiàn)，但其斷面分布圖6b不能夠表示出內(nèi)波位置。圖7和圖8中的內(nèi)波模糊不清，不可辨認(rèn)。

VV極化的σ0圖像與HH極化的σ0圖像相同，內(nèi)波均清晰可見(jiàn)（圖9～圖11）。

綜上，同極化（HH極化和VV極化）的σ0圖像中內(nèi)波的可視性?xún)?yōu)于交叉極化（HV極化）的σ0圖像中內(nèi)波的可視性。

2.2 HH/VV極化比

HH/VV極化比的3景影像及斷面分布圖分別如圖12～圖14所示。數(shù)據(jù)A的圖像中暗條紋為內(nèi)波，當(dāng)門(mén)限為-1.0時(shí)，HH/VV極化比能較好地反映出內(nèi)波（圖12）。數(shù)據(jù)B的圖像中也可清晰地觀測(cè)到內(nèi)波信息（圖13），由于內(nèi)波幅度小且條數(shù)較多，因此斷面分布圖中峰值較多，但也能夠反映出相應(yīng)的內(nèi)波。數(shù)據(jù)C的圖像中內(nèi)波模糊可見(jiàn)，斷面分布圖無(wú)法識(shí)別內(nèi)波（圖14）。因此，H H/VV極化比可有效識(shí)別沿距離向傳播的內(nèi)波（數(shù)據(jù)A和B），但對(duì)于沿方位向傳播的內(nèi)波（數(shù)據(jù)C），H H/VV極化比對(duì)比度低，圖像較模糊。與σ0圖像相比，HH/VV極化比的圖像特征要優(yōu)于交叉極化的σ0圖像特征，差于同極化的σ0圖像。

2.3 HH/HV極化比

HH/HV極化比的3景圖像如圖15所示，從圖中可以看出，HH/HV極化比的圖像無(wú)法識(shí)別內(nèi)波。

2.4 VV/VH極化比

由圖16可知，VV/VH極化比圖像無(wú)法有效識(shí)別內(nèi)波。

2.5 歸一化圓極化系數(shù)（CCC）

歸一化圓極化系數(shù)圖像的對(duì)比度較低，內(nèi)波模糊可見(jiàn)（圖17～圖19）。

2.6 Lambda值

由圖20～圖22可見(jiàn)，Lambda極化特征圖像平滑，內(nèi)波清晰可見(jiàn)。數(shù)據(jù)A中門(mén)限大于0.4時(shí)，Lambda值可較好地反映出內(nèi)波，斷面分布圖20b對(duì)比度較高，與圖20a中內(nèi)波有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)B中當(dāng)門(mén)限約為0.08時(shí)，Lambda值可以清楚地反映出內(nèi)波（圖21）。數(shù)據(jù)C中門(mén)限約為0.09時(shí)，Lambda值可以較好地反映出內(nèi)波，斷面分布圖22b中4個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)圖22a中的4條內(nèi)波。內(nèi)波在Lambda極化特征圖像中表現(xiàn)為亮條紋，強(qiáng)度值高于海水，且Lambda極化特征對(duì)原圖像的去噪效果較好，內(nèi)波影像清晰可見(jiàn)。與同極化σ0相比，Lambda極化特征圖像的對(duì)比度大，內(nèi)波影像更清晰。

2.7 Gamma值

由圖23可知，在3景SAR影像中，Gamma值均無(wú)法有效識(shí)別內(nèi)波。

2.8 Delta值

如圖24所示，在3景SAR影像中，Delta值圖像中內(nèi)波均無(wú)法識(shí)別。

2.9 Beta值

Beta特征值下的3景影像如圖25～圖26所示。數(shù)據(jù)A中內(nèi)波可見(jiàn)但不清晰（圖25）。數(shù)據(jù)B中Beta值可以較好地反映出內(nèi)波，但斷面分布圖與之吻合較差（圖26）。數(shù)據(jù)C中門(mén)限低于5時(shí)可以較好地反映出內(nèi)波（圖27）。

2.10 各向異性指數(shù)（Anistropy）

由圖28可知，在3景SAR影像各向異性指數(shù)圖像中內(nèi)波均無(wú)法識(shí)別。

2.11 極化熵（Entropy）

Entropy值條件下，可清楚觀測(cè)到內(nèi)波，且對(duì)圖像有一定的去噪效果。在數(shù)據(jù)A中，當(dāng)門(mén)限為0.12時(shí)，極化熵可以較好地反映出內(nèi)波，斷面分布圖29b中的波谷分別對(duì)應(yīng)圖29a中的內(nèi)波。數(shù)據(jù)B中極化熵較好地反映了內(nèi)波（圖30）。數(shù)據(jù)C中圖像的對(duì)比度過(guò)大，內(nèi)波影像不清晰（圖31）。與σ0相比，Entropy的內(nèi)波特征圖像要優(yōu)于交叉極化σ0圖像，略差于同極化σ0圖像。

2.12 極化角（Alpha）

Alpha值的內(nèi)波特征圖像清晰可見(jiàn)。數(shù)據(jù)A中當(dāng)門(mén)限約為6時(shí)，極化角可以較好地反映出內(nèi)波，且斷面分布圖32b中的波谷與圖32a中內(nèi)波較吻合。數(shù)據(jù)B中當(dāng)門(mén)限為28時(shí)，極化角可以較好地反映出內(nèi)波（圖33）。數(shù)據(jù)C中當(dāng)門(mén)限為15時(shí)，極化角可以較好地反映出內(nèi)波（圖34）。內(nèi)波在Alpha極化特征中表現(xiàn)為暗條紋，強(qiáng)度值低于海水，且Alpha極化特征對(duì)原圖像有較好的去噪作用，內(nèi)波影像清晰可見(jiàn)。與同極化σ0相比，數(shù)據(jù)A和B中的Alpha內(nèi)波特征圖像要優(yōu)于σ0圖像，數(shù)據(jù)C的圖像略差于同極化σ0圖像。

3 分析與討論

3.1 內(nèi)波SAR極化特征分析

3景ALOS PALSAR全極化SAR內(nèi)波圖像中，同極化（H H極化和VV極化）的σ0圖像中內(nèi)波的可視性?xún)?yōu)于交叉極化（HV極化）的σ0圖像。在11種極化特征中，Lambda值的內(nèi)波圖像最明顯，圖像對(duì)比度高，內(nèi)波清晰可見(jiàn)，其圖像特征優(yōu)于同極化的σ0圖像。極化熵（Entropy）和極化角（Alpha）的內(nèi)波圖像與同極化的σ0圖像相比，沿距離向傳播的內(nèi)波可視性?xún)?yōu)于σ0圖像，沿方位向傳播的內(nèi)波可視性略差于同極化的σ0圖像，二者圖像均優(yōu)于交叉極化的σ0圖像。H H/VV極化比、Beta值和歸一化圓極化系數(shù)圖像中內(nèi)波可見(jiàn)但不清晰，優(yōu)于交叉極化的σ0圖像，但差于同極化的σ0圖像。H H/HV極化比、VV/VH極化比、Gamma值、Delta值和各向異性指數(shù)的圖像均不清晰，無(wú)法識(shí)別內(nèi)波。表2為11種極化特征和不同極化的σ0對(duì)內(nèi)波的響應(yīng)能力。

3.2 Lambda圖像與σ0圖像內(nèi)波可視性分析

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)SAR極化特性對(duì)海洋內(nèi)波的響應(yīng)能力，我們將極化特征圖像中內(nèi)波最明顯的Lambda圖像與傳統(tǒng)的σ0圖像進(jìn)行比較，以數(shù)據(jù)A為例，其圖像及斷面分布曲線(xiàn)如圖35和圖36所示。

圖35a為HH極化的σ0圖像，圖35b為L(zhǎng)ambda極化特征圖像，截取相同的剖面（如圖35中的黑實(shí)線(xiàn)）可以看出，2景圖像中的內(nèi)波均清晰可見(jiàn)，Lambda極化特征圖像中的內(nèi)波比H H極化的σ0圖像中內(nèi)波更為清晰。為此，利用斷面分布曲線(xiàn)進(jìn)一步對(duì)Lambda圖像與傳統(tǒng)的σ0圖像進(jìn)行比較，如圖36所示。圖36中紫色線(xiàn)代表Lambda圖像的斷面分布曲線(xiàn)，黑色線(xiàn)代表σ0圖像的斷面分布曲線(xiàn)，黑色線(xiàn)和紫色線(xiàn)的變化趨勢(shì)均可以表示出圖35中內(nèi)波的位置，紫線(xiàn)的對(duì)比度更高，黑線(xiàn)的對(duì)比度較低，即Lambda圖像的對(duì)比度高于σ0圖像的對(duì)比度，這與原圖像的可視性一致。從而可以說(shuō)明Lambda圖像對(duì)內(nèi)波的識(shí)別能力強(qiáng)于σ0圖像。

4 結(jié)論

本文基于ALOS PALSAR全極化SAR內(nèi)波圖像，對(duì)海洋內(nèi)波11種極化特征與后向散射系數(shù)（σ0）的可視性進(jìn)行了對(duì)比分析，得出Lambda值的內(nèi)波特征最為明顯，極化熵和極化角次之。與σ0圖像相比，Lambda值的內(nèi)波可視性?xún)?yōu)于同極化的σ0圖像；對(duì)于極化熵和極化角，沿距離向傳播的內(nèi)波可視性?xún)?yōu)于同極化的σ0圖像，沿方位向傳播的內(nèi)波可視性略差于同極化的σ0圖像，兩者均優(yōu)于交叉極化的σ0圖像；HH/VV極化比、Beta值和歸一化圓極化系數(shù)圖像中內(nèi)波可見(jiàn)但不清晰，可視性?xún)?yōu)于交叉極化的σ0圖像，但差于同極化的σ0圖像。HH/HV極化比、VV/VH極化比、Gamma值、Delta值和各向異性指數(shù)的圖像均不清晰，無(wú)法識(shí)別內(nèi)波。

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Comparison for the visibility of the SAR polarization characteristics andσ0images of internal waves

LI Lu-jing1，MENG Jun-min*2，ZHANG Xi2，SUN Li-na2
（1.School of Electronics and Information Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150000，China；2.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China）

Comparison for the visibility of 11 SAR polarization characteristics andσ0images of internal waves were performed by using ALOS PALSAR quad-polarization SAR images.In SAR polarization characteristics of internal waves，the characteristic of Lambda values is the most obvious and then the characteristics of Entropy and Alpha are next.Compared with the images ofσ0，the visibility of Lambda values for internal waves is better than that of coparpolarizationσ0images.For the Entropy and Alpha，the visibility of internal waves propagating along the range direction is better than that of the copar-polarizationσ0images；the visibility of internal waves propagating along the azimuth direction is slightly worse than that of the copar-polarizationσ0images.The characteristics of Entropy and Alpha are better than those of cross polarizationσ0images.The characteristics of internal waves for the images of the HH/VV，normalized coefficient of circular polarization，and Beta are not obvious；the characteristics of internal waves for the images of the HH/HV，VV/VH，Gamma，Delta，and Anisotropic index are fuzzy and internal waves can't be identified in these images.

ALOS PALSAR；polarization SAR；polarization characteristics；internal waves

P715.7；P731.24

A

1001-909X（2014）02-0023-12

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.003

李魯靖，孟俊敏，張晰，等.SAR極化特征圖像與σ0圖像的海洋內(nèi)波可視性對(duì)比［J］.海洋學(xué)研究，2014，32（2）：23-34，

10.3969/ j.issn.1001-909X.2014.02.003.

LI Lu-jing，MENG Jun-min，ZHANG Xi，et al.Comparison for the visibility of the SAR polarization characteristics andσ0images of internal waves［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（2）：23-34，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.003.

2013-10-15…………

2014-04-01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助（2013AA09A502）

李魯靖（1992-），男，北京市人，主要從事電子信息工程方面的研究。E-mail：shurrik13@gmail.com

*通訊作者：孟俊敏，研究員，主要從事SAR海洋遙感應(yīng)用方面的研究。E-mail：mengjm@fio.org.cn