基于三成份分解的L和C波段PolSAR圖像自然目標(biāo)散射特性分析

蔡紅軍（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所智能情報(bào)處理實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥　230088）

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基于三成份分解的L和C波段PolSAR圖像自然目標(biāo)散射特性分析

蔡紅軍
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所智能情報(bào)處理實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230088）

【摘 要】同一目標(biāo)在不同頻率及不同極化方式進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)時(shí)具有不同的散射特性，因此不同波段PolSAR圖像能夠提供具有互補(bǔ)性和合作性的散射特征信息，本文基于三成份目標(biāo)分解模型，分析了L和C波段下的自然目標(biāo)散射特性。采用L波段和C波段PolSAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同波段下，由于波長(zhǎng)的不同，造成了電磁波在森林中穿透深度的不同，從而引起散射成份的變化。

【關(guān)鍵詞】極化SAR多波段目標(biāo)分解散射特性

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）作為一種主動(dòng)式微波遙感成像傳感器，其優(yōu)勢(shì)是可以全天候、全天時(shí)地獲取信息。隨著多波段多極化SAR（Polarimetric Synthetic Aperture Radar， PolSAR）系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越多的多波段PolSAR數(shù)據(jù)可以被獲取。對(duì)于地面的同一個(gè)自然或人造目標(biāo)，由于其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、尺寸、指向、介電常數(shù)等參數(shù)的不同，在不同波段PolSAR圖像中會(huì)呈現(xiàn)不同的極化散射特性，因此不同波段SAR圖像提供的信息具有互補(bǔ)性和合作性，能夠更為全面地反映目標(biāo)特性［1］。因此，多波段目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)物理參數(shù)提取在軍事和民用上都具有重要意義。PolSAR圖像極化目標(biāo)分解是把極化散射矩陣、極化相干矩陣或極化協(xié)方差矩陣表示成若干項(xiàng)不同的基本散射機(jī)理之和，每一項(xiàng)均對(duì)應(yīng)確定的物理意義。極化目標(biāo)分解是PolSAR圖像信息提取的重要手段，本文基于三成份目標(biāo)分解模型分析了L和C波段下自然目標(biāo)的散射特性［2］。

1　散射特性分析

對(duì)于自然目標(biāo)區(qū)域如森林區(qū)域，不同波長(zhǎng)的雷達(dá)波在自然目標(biāo)區(qū)域會(huì)造成不同的穿透深度。森林穿透深度與波長(zhǎng)成正比，而與冠層體積含水量成反比。

森林穿透深度和頻率有很大的關(guān)系。一般地，當(dāng)雷達(dá)波長(zhǎng)小于C波段的雷達(dá)波長(zhǎng)時(shí)，雷達(dá)波不能穿透植被，此時(shí)雷達(dá)回波信號(hào)主要來(lái)自植被區(qū)域的冠層散射。尤其在X波段下，雷達(dá)信號(hào)不能夠穿透植被體樹(shù)冠層，此時(shí)雷達(dá)回波信號(hào)可能只來(lái)自植被體表面；而當(dāng)雷達(dá)波長(zhǎng)大于L波段的雷達(dá)波長(zhǎng)時(shí)，雷達(dá)波則能夠穿透植被區(qū)域，此時(shí)雷達(dá)回波信號(hào)不僅有來(lái)自植被區(qū)域的冠層散射，還包括來(lái)自植被覆蓋下地面的散射及地面與植被相互作用的后向散射。對(duì)于P波段，其波長(zhǎng)在0.3米到1米之間，具有非常強(qiáng)的植被冠層穿透能力。因此，利用P波段可以探測(cè)森林中的隱藏目標(biāo)。

不同的穿透深度會(huì)造成散射機(jī)理的變化，森林區(qū)域主要的散射機(jī)理包括奇次散射、偶次散射和體散射。在L波段下，雷達(dá)后向散射主要來(lái)自三種散射機(jī)理：地面的奇次散射，冠層的體散射和地面-樹(shù)干的偶次散射。而在C波段下，雷達(dá)后向散射主要來(lái)自兩種散射機(jī)理：冠層頂部的奇次散射和體散射。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1　實(shí)驗(yàn)區(qū)域散射成份散射功率對(duì)比

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

多波段PolSAR自然目標(biāo)散射特性分析采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要為L(zhǎng)波段全極化ALOS PALSAR數(shù)據(jù)和C波段全極化RADARSAT-2數(shù)據(jù)，這兩組數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別是2009年3月和2010年4月，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)榧幽么舐嵬邪褪∧喜康貐^(qū)。日本ALOS PALSAR全極化模式下的單視圖像的空間分辨率為30×10m。加拿大RADARSAT-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)全極化模式下的單視圖像的空間分辨率為13.5×7.6m。實(shí)驗(yàn)區(qū)域主要包括草地、森林和農(nóng)田等。

2.2結(jié)果分析

三成份目標(biāo)分解模型把散射功率分解為奇次散射、偶次散射和體散射三部分，利用三成份目標(biāo)分解模型對(duì)所選實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。表1揭示了L和C波段下各散射成份占總功率的大小，對(duì)比了L和C波段下散射成份功率的變化。從表1可知，在L波段中，主要散射成份為來(lái)自地表的奇次散射，而在C波段森林區(qū)域中，體散射是主要的散射成份。

從表1可以看出，在森林區(qū)域奇次散射和體散射是主要的散射成份，在L波段，來(lái)自地表的奇次散射為主要的散射成份，而在C波段，由于雷達(dá)波穿透性降低，體散射為主要散射成份。同時(shí)，由于真實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)中森林區(qū)域的地面主要為草地，破壞了光滑地面-樹(shù)干的偶次散射強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致L波段下偶次散射成份較低。

3　結(jié)語(yǔ)

本文分析了L和C波段下自然目標(biāo)散射特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出由于穿透性的不同，造成散射成份的變化。并借助于三成份目標(biāo)分解模型，利用L波段和C波段PolSAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。因此，多波段PolSAR系統(tǒng)可以通過(guò)散射成份的變化更完整地揭示目標(biāo)的各種物理屬性，從而為后續(xù)圖像處理提供更多有效信息。

參考文獻(xiàn)：

［1］Bin Zou， Hongjun Cai， Wooil Moon， et al. Target detection based on L- and C-band PolSAR data［C］.Proc. of IGARSS 2011，Vancouver， Canada， 24-29 July， 2011，397-400.

［2］Freeman A， Durden S L. A three-component scattering model for polarimetric SAR data［J］.IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.，1998， 36（3）:963-973.

作者簡(jiǎn)介：蔡紅軍（1982—），男，河南商丘人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)圖像處理，雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別。