月球永久陰影區(qū)著陸點(diǎn)選取要求的高分辨率極化SAR數(shù)據(jù)分析

柳鈕滔，施賢正，徐 豐，金亞秋

（復(fù)旦大學(xué) 電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433）

引 言

月球兩極太陽光無法到達(dá)的永久陰影區(qū)（Permanently Shadowed Regions，PSR）是月球有無水冰的主要研究聚焦點(diǎn)。隨著“嫦娥五號(hào)”從月表采樣返回，中國探月工程將進(jìn)入下一個(gè)階段?！版隙鹌咛?hào)”任務(wù)中，攜帶有月球車和小型飛躍器的月球著陸器計(jì)劃在月球南極區(qū)永久陰影區(qū)附近有太陽光照射的區(qū)域登陸，使月球車能夠獲取太陽能，而小型飛躍器也易于到達(dá)附近的PSR采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣與分析[1-2]。目前已經(jīng)獲得的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是一定尺度上的均值，光學(xué)相機(jī)也難以獲取PSR內(nèi)米級(jí)分辨率圖像。極化合成孔徑雷達(dá)（Polarization Synthetic Aperture Radar，Pol-SAR）可獲取高分辨率與甚高分辨（0.5 m/像素）的全月面散射成像圖[3]，“嫦娥七號(hào)”上將搭載甚高分辨極化SAR，對(duì)全月球，包括兩極PSR散射回波進(jìn)行成像[1]。美國的“月球軌道勘測器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）上搭載的微型雷達(dá)系統(tǒng)Mini-RF以簡極化（Compact-pol）方式獲得全月面的散射回波圖像[4]。月表雷達(dá)回波與月表地形、媒質(zhì)特性等參數(shù)有關(guān)[5-6]，本文以Mini-RF的簡極化雷達(dá)圖像為參考，來分析SAR在選取月球表面平坦區(qū)域中的作用[7-8]，為“嫦娥七號(hào)”月球極區(qū)和PSR區(qū)域的登陸點(diǎn)與采樣點(diǎn)的選擇打下基礎(chǔ)。

Mini-RF發(fā)射圓極化信號(hào)，接收水平極化和垂直極化的雷達(dá)回波，工作頻段為S頻段（波長12.6 cm）和X頻段（波長4.2 cm）[4]，Mini-RF雷達(dá)獲得極化散射強(qiáng)度的4個(gè)Stokes參數(shù)，能計(jì)算圓極化率（Circular Polarization Rate，CPR）、極化度（m）、相位差（ δ ）等極化參數(shù)[9-10]。

月球上發(fā)現(xiàn)的高CPR值曾被當(dāng)作水冰存在的證據(jù)[11]，但該結(jié)論至今存在爭議[12-13]，CPR并不是PSR有無水的關(guān)鍵證據(jù)。雷達(dá)觀測也被用于反演月表介電常數(shù)[6,14-15]，以及月表隕石坑定年的研究[16]。Raney[4,9]提出m-δ和mχ極化分解來區(qū)分月表回波的散射機(jī)制，Liu和Jin[9-10]通過仿真和數(shù)據(jù)分析了雷達(dá)入射角對(duì)散射機(jī)制的影響，以及幾個(gè)極化參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。由于以前的著陸點(diǎn)都在非永久陰影區(qū)，這些區(qū)域具有高分辨率的光學(xué)圖像可供參考，鮮有學(xué)者將雷達(dá)圖像用于尋找平坦著陸點(diǎn)。Liu和Jin[7]首次結(jié)合雷達(dá)圖像和數(shù)字高程模型，以德·杰拉許（de Gerlache）隕石坑和斯萊特（Slater）隕石坑為例，考慮坑內(nèi)外的月表面坡度、飛行距離、極區(qū)PSR的分布、SAR散射成像，給出了幾條可供參考的登月與飛行路線。但是，文中尚沒有雷達(dá)圖像與光學(xué)圖像的詳細(xì)對(duì)比分析。

光學(xué)圖像常常被用于選取太陽直射區(qū)域的平坦月面，本文根據(jù)“嫦娥四號(hào)”著陸器在懸停避障期間移動(dòng)的距離，來確定需要回避的隕石坑大小[17]，將隕石坑直徑換算成像素點(diǎn)數(shù)作為識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比Mini-RF雷達(dá)圖像和LRO光學(xué)相機(jī)的圖像來分析雷達(dá)圖像對(duì)影響著陸的隕石坑的識(shí)別能力。分別對(duì)比了直徑50個(gè)像素以上的隕石坑，直徑10個(gè)像素以上的隕石坑，以及像素尺寸隕石坑的雷達(dá)圖像和光學(xué)圖像，給出了不同尺寸隕石坑雷達(dá)圖像和光學(xué)圖像的對(duì)比實(shí)例，以及新鮮隕石坑濺射毯這類粗糙月表面雷達(dá)圖像，介紹了入射角改變對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度與極化信號(hào)的影響，以希吉努斯（Hyginus）隕石坑附近區(qū)域和“嫦娥四號(hào)”著陸區(qū)為例[18]，分析了雷達(dá)極化的作用，并討論了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在月球雷達(dá)圖像識(shí)別與分割中的作用[19]。在月球南極隕石坑中，對(duì)比舒梅克（Shoemaker）隕石坑和沙克爾頓（Shackleton）隕石坑的雷達(dá)圖像和斜坡數(shù)據(jù)，挑選了一些平坦的月表面，以供將來“嫦娥七號(hào)”Pol-SAR探月的實(shí)際數(shù)據(jù)分析和研究。

本文結(jié)構(gòu)如下：第1節(jié)介紹Mini-RF雷達(dá)數(shù)據(jù)，以粗糙面微擾近似法分析了局部入射角、表面介電常數(shù)和粗糙度參數(shù)等對(duì)后向散射系數(shù)的影響；第2節(jié)介紹雷達(dá)圖像對(duì)不同直徑隕石坑的識(shí)別能力；第3節(jié)討論HRNet人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)雷達(dá)圖像中隕石坑分割的能力；第4節(jié)結(jié)合雷達(dá)和月表面斜坡數(shù)據(jù)圖像選取Shoemaker隕石坑和Shackleton隕石坑內(nèi)部平坦的區(qū)域，作為應(yīng)用個(gè)例；第5節(jié)給出結(jié)論。

1 Mini-RF雷達(dá)探測

1.1 Mini-RF雷達(dá)數(shù)據(jù)介紹

Mini-RF采用簡極化工作模式，得到4個(gè)Stokes參數(shù)[20]

其中：下標(biāo)L表示發(fā)射左旋圓極化波；下標(biāo)H、V分別表示接收水平極化與垂直極化；I1為總回波強(qiáng)度；E是電場；Re和Im分別表示取實(shí)部與取虛部；< >表示多視平均[4]。

圓極化率CPR的定義是與發(fā)射電磁波相同圓極化分量（Same sense Circular polarization，SC）和相反圓極化分量（Opposite sense Circular polarization，OC）的比值，Mini-RF數(shù)據(jù)中CPR定義為[20]

其中：S是散射矩陣參數(shù)；下標(biāo)R表示接收右旋圓極化成分。極化度的定義為[20]

去極化度（1–m）可以用于表示雷達(dá)回波中的隨機(jī)成分[20]。

1.2 散射模型

月表面雷達(dá)回波與表面粗糙度、入射角、介電常數(shù)等因素有關(guān)，入射角較小時(shí)，鏡面反射成分主導(dǎo)[21]，在大入射角下，小尺度粗糙的貢獻(xiàn)主導(dǎo)[22]，Mini-RF在月表水平面上的入射角約為49°，該入射角范圍內(nèi)小尺度粗糙的散射成分主導(dǎo)，這里用微擾法來分析這些因素對(duì)雷達(dá)回波的影響，對(duì)于高斯粗糙面，后向散射系數(shù)可以寫為[22-23]

其中：k為真空中的波數(shù)； δ為粗糙面的均方根高度；L為相關(guān)長度； θi為入射角；εr為相對(duì)介電常數(shù)；RH為水平極化的菲涅爾反射率。

發(fā)射左旋圓極化波，接收線極化波時(shí)的散射系數(shù)與線極化散射系數(shù)之間滿足

其中：j為虛部單位。在一階近似下，小尺度粗糙面的交叉極化項(xiàng)為0，由式（1）、（11）、（12）可得，雷達(dá)回波總強(qiáng)度I1正比于( σ0HH+σ0VV)/2 。

圖1給出了微擾法計(jì)算得到的不同粗糙度和介電常數(shù)下的后向散射系數(shù)，隨著入射角的增大，后向散射系數(shù)降低。隕石坑內(nèi)部斜坡使得局部入射角改變，朝向雷達(dá)的坑壁入射角小，回波較強(qiáng)，而背向雷達(dá)的坑壁局部入射角大，回波較弱。

圖1 粗糙面后向散射系數(shù)Fig.1 Backscattering coefficients of rough surface

媒質(zhì)介電常數(shù)與粗糙度的改變也會(huì)使得雷達(dá)回波強(qiáng)度改變，介電常數(shù)越大，后向散射系數(shù)越大，后向散射系數(shù)還會(huì)隨著粗糙面的均方根高度增加而增加，相關(guān)長度的增加使得大入射角區(qū)域的后向散射系數(shù)略有下降。

2 雷達(dá)對(duì)隕石坑的識(shí)別

“嫦娥四號(hào)”在懸停避障階段向西南方向移動(dòng)了12 m，穿過直徑為25 m的撞擊坑[17]。懸停避障過程中“嫦娥四號(hào)”進(jìn)行了激光點(diǎn)云成像，來選取平坦的著陸區(qū)。

著陸器具有懸停避障的能力，在著陸前，可以使用分辨率0.5 m/像素的光學(xué)圖像預(yù)先選定較為平坦的區(qū)域作為備選區(qū)。印度“月船2號(hào)”（Chandrayaan-2）全極化SAR的分辨率可以達(dá)到0.5 m/像素。以此作為參考，根據(jù)“嫦娥四號(hào)”在懸停避障期間移動(dòng)的距離，這里假設(shè)飛躍器可以躲避25 m直徑的隕石坑，在這樣的假設(shè)下，SAR如果能探測直徑25 m以上的隕石坑分布，就能在選址中起作用，這樣的隕石坑在雷達(dá)或者光學(xué)圖像中直徑約為50個(gè)像素。

Mini-RF雷達(dá)分辨率為14.8 m/像素，直徑為50個(gè)像素的隕石坑對(duì)于Mini-RF雷達(dá)數(shù)據(jù)來說，直徑約為750 m，為了分析雷達(dá)對(duì)隕石坑等月表地形的檢測能力，下面用直徑750 m的隕石坑來檢驗(yàn)Mini-RF的識(shí)別能力。

2.1 雷達(dá)對(duì)大隕石坑的識(shí)別

隕石坑是月表面的典型特征[18]，本節(jié)選取位于Hyginus隕石坑（7.7°N，6.3°E）和“嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)附近的雷達(dá)數(shù)據(jù)和光學(xué)圖像[24]，來判斷Mini-RF雷達(dá)對(duì)隕石坑的識(shí)別能力。

圖2（a）是Mini-RF雷達(dá)第一個(gè)Stokes參數(shù)（散射總強(qiáng)度）I1數(shù)據(jù)，分辨率是14.8 m/像素，位于Hyginus隕石坑附近，中心經(jīng)緯度約為（7.3°N，6.2°E），雷達(dá)從右側(cè)向左側(cè)觀測。隕石坑坑壁使得入射角改變，導(dǎo)致雷達(dá)回波強(qiáng)度發(fā)生改變，從而構(gòu)成隕石坑的輪廓特征，這樣的輪廓特征是由粗糙面雷達(dá)回波強(qiáng)度隨入射角改變而導(dǎo)致的，受分辨率影響較小，在甚高頻雷達(dá)圖像中隕石坑依然具有這樣的特征。

此外，一些新鮮隕石坑周圍存在濺射區(qū)域，這些區(qū)域雷達(dá)回波也比較強(qiáng)。將雷達(dá)圖像中可以識(shí)別的大隕石坑用紅圈圈出，對(duì)應(yīng)的區(qū)域也相應(yīng)地在光學(xué)圖像中標(biāo)出，如圖2（b）所示。

圖2 Mini-RF雷達(dá)對(duì)750 m以上直徑隕石坑的識(shí)別Fig.2 Identification of craters whose diameters are larger than 750 m with Mini-RF

絕大多數(shù)直徑超過750 m的大隕石坑可以用雷達(dá)識(shí)別，紅圈1內(nèi)是圖2中最大的隕石坑，直徑達(dá)到1 km，回波明顯強(qiáng)于周圍平坦區(qū)域，構(gòu)成圓形回波亮區(qū)，易于識(shí)別；紅圈2附近的隕石坑覆蓋率比較高。左側(cè)的小隕石坑邊緣覆蓋有新的撞擊坑，右側(cè)呈現(xiàn)波浪式的凹陷，在雷達(dá)圖像中這些地形變化導(dǎo)致入射角的改變，朝向雷達(dá)的斜坡回波較強(qiáng)，這類起伏地形可以在雷達(dá)圖像中識(shí)別出來。紅圈3是一個(gè)直徑約為500 m的新鮮隕石坑，這個(gè)隕石坑周圍的濺射毯區(qū)域覆蓋有新鮮的月壤媒質(zhì)和許多尺寸大于波長的石塊，這類新鮮隕石坑內(nèi)部和濺射毯區(qū)域一般具有強(qiáng)回波的特征。紅圈4內(nèi)的隕石坑比較平坦，雷達(dá)回波弱于紅圈1內(nèi)的隕石坑，但依然可以識(shí)別。

Mini-RF也能夠識(shí)別直徑小于50個(gè)像素點(diǎn)的隕石坑，圖3對(duì)應(yīng)圖2白框內(nèi)的區(qū)域，其中用紅圈圈出的小隕石坑直徑一般在10～30個(gè)像素之間，這些小隕石坑在雷達(dá)圖像和光學(xué)圖像中都可以辨別。

圖3 難以識(shí)別的3個(gè)平坦大隕石坑和可以識(shí)別的小隕石坑Fig.3 Three undistinguishable flat large craters and distinguishable small craters

雷達(dá)圖像中可以看見許多小亮點(diǎn)，這些亮點(diǎn)往往是一些像素尺寸的小隕石坑。圖3中藍(lán)色方框內(nèi)的是像素尺寸小隕石坑，其中左下角的藍(lán)框內(nèi)小隕石坑的光學(xué)圖像和雷達(dá)圖像如圖4所示。圖4（a）藍(lán)框內(nèi)的小隕石坑對(duì)應(yīng)圖4（b）雷達(dá)數(shù)據(jù)中的亮點(diǎn)，而藍(lán)框附近的平坦小隕石坑在雷達(dá)圖像中難以識(shí)別。

圖4 像素尺寸的隕石坑Fig.4 Craters with pixel size

2.2 雷達(dá)圖像中難以識(shí)別的隕石坑

圖2中有少量平坦的退化隕石坑難以用Mini-RF數(shù)據(jù)識(shí)別，也就是白框內(nèi)的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的光學(xué)放大圖如圖3（a）所示，該區(qū)域的中心經(jīng)緯度約為（7.46°N，6.34°E）。其中有3個(gè)較大的平坦隕石坑，每個(gè)隕石坑的直徑都能達(dá)到400 m。圖3（b）是這3個(gè)隕石坑的斜坡數(shù)據(jù)，斜坡角度由LRO上的激光高度計(jì)獲取的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算而來[25]，原始DEM數(shù)據(jù)的分辨率為59 m/像素。這里將DEM與Mini-RF雷達(dá)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，插值后的DEM數(shù)據(jù)分辨率與雷達(dá)數(shù)據(jù)相同?？梢园l(fā)現(xiàn)，這些平坦隕石坑斜坡一般不超過10°，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖3（c）所示。由于這些隕石坑比較平坦，并且受到周圍小坑的影響，難以辨別。這類退化程度較高的隕石坑表面巖石較少，隕石坑壁斜坡傾斜角度較小，對(duì)著陸器的影響較小。

2.3 雷達(dá)對(duì)粗糙地形識(shí)別

一種典型的月表粗糙面是新鮮隕石坑的濺射毯[26]。圖5（a）是位于（6.518°N，6.392°E）的新鮮隕石坑的光學(xué)圖像，太陽光入射角大于80°，圖5（b）是太陽入射角小于40°時(shí)的光學(xué)圖像。新鮮隕石坑內(nèi)部的新鮮物質(zhì)和巖石的太陽反射率較高，所以圖5（b）中隕石坑內(nèi)亮度更大，圖5（c）是圖5（a）中紅框區(qū)域的放大圖，可以看到隕石坑濺射毯區(qū)域大量的巖石以及一些小坑。圖5（d）～（f）分別是雷達(dá)回波強(qiáng)度、CPR和極化度m，濺射毯區(qū)域雷達(dá)回波非常強(qiáng)，CPR較大，而m較小，表明這塊區(qū)域非常粗糙。由于波長以上尺寸的散射體容易引起多次散射，使得CPR上升，m下降，這兩個(gè)極化參數(shù)可以用于輔助判斷月表面的粗糙程度。

圖5 新鮮隕石坑光學(xué)圖像與雷達(dá)數(shù)據(jù)Fig.5 Optical and radar images of a fresh crater

圖5（d）雷達(dá)回波圖中背向雷達(dá)入射方向的隕石坑壁處的回波較弱，圖5（e）中CPR在面向雷達(dá)的隕石坑壁上較小，而圖5（f）中此處的m較大，這些變化是由入射角引起的，在下文中將會(huì)討論。

甚高分辨率雷達(dá)圖像能夠識(shí)別更小的目標(biāo)，例如直徑數(shù)米至數(shù)十米的巖石和隕石坑等，分辨率的提升也會(huì)對(duì)雷達(dá)極化參數(shù)造成影響，能夠觀測到巖石或者小隕石坑局部回波的散射機(jī)制。

2.4 平坦區(qū)域的雷達(dá)圖像

圖2的白圈內(nèi)區(qū)域比較平坦，其光學(xué)圖像和雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖6所示，圖6（a）是太陽光入射角大于80°時(shí)的光學(xué)圖像，大照射角度下的陰影作用更容易看出地形的起伏。圖6（b）是太陽入射角小于40°時(shí)的光學(xué)圖像，白圈內(nèi)的光學(xué)反照率遠(yuǎn)低于新鮮隕石坑。圖6（c）顯示該區(qū)域斜坡角度一般小于10°。圖6（d）白圈內(nèi)的雷達(dá)回波強(qiáng)度比較弱，其中零星分布的亮點(diǎn)是像素尺寸的小隕石坑，這類像素尺寸的隕石坑在懸停避障時(shí)能夠調(diào)整避開，該區(qū)域內(nèi)不存在直徑超過50個(gè)像素（14.8 m/像素）的隕石坑，這也能從光學(xué)圖像和DEM斜坡角度圖中得到驗(yàn)證。 圖6（e）、（f）中，白圈內(nèi)的區(qū)域的CPR低于右上角隕石坑的CPR，而極化度也高于右上角隕石坑。

圖6 平坦區(qū)域光學(xué)與雷達(dá)數(shù)據(jù)Fig.6 Optical and radar images of flat region

2.5 入射角對(duì)雷達(dá)參數(shù)的影響

隕石坑壁斜坡改變雷達(dá)波的局部入射角[9-10]，從而改變回波強(qiáng)度和極化特征，也就是散射機(jī)制。這里以卡達(dá)努斯E（Cardanus E）隕石坑為例來說明Mini-RF雷達(dá)數(shù)據(jù)隨入射角的變化[9-10]。圖7是隕石坑內(nèi)部的散射強(qiáng)度I1數(shù)據(jù)、CPR、極化度m的平均值隨局部入射角變化的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示入射角比較小的區(qū)域，回波較強(qiáng)，CPR較小，極化度m較大；入射角較大的區(qū)域，回波較弱，CPR較大，極化度m較小。這些極化參數(shù)隨入射角的變化規(guī)律都符合粗糙面散射的物理解釋。

圖7 隕石坑內(nèi)Mini-RF數(shù)據(jù)均值對(duì)比局部入射角Fig.7 Average value of Mini-RF data against local angles of incidence in the crater

不同的雷達(dá)觀測頻率也會(huì)導(dǎo)致觀測結(jié)果的差異，波長及波長以上尺寸的目標(biāo)會(huì)引起多次散射，不同尺寸月表散射體的分布差異會(huì)對(duì)不同頻段的雷達(dá)極化參數(shù)產(chǎn)生影響，這可能是Mini-RF與“月船2號(hào)”不同頻段觀測差異的原因[27]。

2.6 “嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)雷達(dá)圖像

圖8是“嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)的光學(xué)圖像和雷達(dá)圖像，“嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)位于（45.45°S，177.60°E），著陸期間通過懸停避障技術(shù)躲避了直徑25 m的隕石坑[17]，中間的白框內(nèi)是“嫦娥四號(hào)”的著陸點(diǎn)，著陸點(diǎn)左右兩側(cè)白框內(nèi)的隕石坑都可以在雷達(dá)圖像中辨別，其中右側(cè)白框內(nèi)的隕石坑直徑接近100 m，在雷達(dá)圖像中較為明顯，左側(cè)白框中的小隕石坑直徑不到50 m，在雷達(dá)圖像中呈現(xiàn)幾個(gè)像素的亮點(diǎn)。由于Mini-RF雷達(dá)圖像分辨率較低，著陸點(diǎn)附近幾個(gè)相對(duì)較平坦的小隕石坑在雷達(dá)圖像中難以識(shí)別，這樣的隕石坑有望在更高分辨率的全極化合成孔徑雷達(dá)圖像中得以識(shí)別。

圖8 “嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)的光學(xué)圖像和雷達(dá)圖像Fig.8 Optical and radar images of the landing site of Chang’E-4

3 雷達(dá)圖像自動(dòng)識(shí)別

深度學(xué)習(xí)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別中發(fā)揮著越來越重要的作用[28]，借鑒于目前主流的深度學(xué)習(xí)主干網(wǎng)絡(luò)HRNet來進(jìn)行特征提取[29]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖2中的雷達(dá)圖像隕石坑區(qū)域的語義分割。首先用人為像素級(jí)標(biāo)注的4張其它區(qū)域的雷達(dá)圖像進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，其中訓(xùn)練集中圖像大小與圖2近似，但所處區(qū)域不同。網(wǎng)絡(luò)泛化測試的分割結(jié)果如圖9所示，結(jié)果表明圖2中約75%以上的大坑可以識(shí)別出來。

圖9 SAR圖像隕石坑分割Fig.9 Craters segmentations with SAR image

人工智能方法的目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率很大程度上取決于數(shù)據(jù)集，即人為標(biāo)注的準(zhǔn)確性。由于人為像素級(jí)標(biāo)注中存在一定的誤差，使得網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果中帶有一定的主觀性。從識(shí)別的速度、精度以及泛化能力來看，人工智能方法相比傳統(tǒng)的特征提取方法在大范圍區(qū)域的目標(biāo)識(shí)別和統(tǒng)計(jì)中具有明顯的優(yōu)勢。

4 PSR著陸點(diǎn)選取建議

月球PSR一般位于極區(qū)的隕石坑內(nèi)部，隕石坑內(nèi)部的地形比坑外地形更加粗糙，圖10給出了位于月球南極的Shoemaker隕石坑（88.10°S，41.90°E）內(nèi)部的雷達(dá)回波圖像、CPR圖像以及DEM斜坡圖像，斜坡圖像空間分辨率為20 m/像素，斜坡圖中顯示隕石坑底較為平坦，斜坡角度一般在10°以內(nèi)，但是從雷達(dá)回波圖10（a）中可以發(fā)現(xiàn)，坑底密集分布有不同尺寸的小隕石坑，許多小隕石坑在斜坡圖中無法識(shí)別，難以找到適合著陸的大塊平坦區(qū)域，適合著陸的平坦區(qū)域邊長一般不超過1 km。

圖10中紅框1和2位于（88.27°S，35.00°E）與（88.22°S，43.30°E）附近，相比于隕石坑內(nèi)部的其它區(qū)域，紅框內(nèi)的雷達(dá)回波較弱，CPR較低，m較高，斜坡角度小于10°，其雷達(dá)回波放大情況如圖11所示，沒有明顯的大隕石坑，今后獲取了高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)一步分析這兩塊區(qū)域是否適合著陸。

圖10 Shoemaker隕石坑內(nèi)部雷達(dá)數(shù)據(jù)與斜坡數(shù)據(jù)Fig.10 Radar data and slopes inside the crater Shoemaker

圖11 Shoemaker隕石坑內(nèi)部區(qū)域I1圖像放大Fig.11 Enlargement of I 1 image inside the crater Shoemaker

值得注意的是，Shoemaker隕石坑的傾斜坑壁跨度超過10 km，若要從坑外光照充足的平坦著陸區(qū)到達(dá)隕石坑內(nèi)部平坦區(qū)域，飛躍器需要飛行的距離更長，還需要考慮下降過程中的距離，飛躍器飛行距離是限制采樣點(diǎn)選擇的一個(gè)重要因素。

Shackleton隕石坑位于月球南極（89.67°S，130.00°E），內(nèi)部是否存在水冰一直具有較大爭議[12,30]，其雷達(dá)圖像和DEM斜坡角度如圖12所示，圖12（a）紅圈內(nèi)區(qū)域是隕石坑的坑底，在成像過程中，隕石坑底距離雷達(dá)較遠(yuǎn)，所以在雷達(dá)圖像中坑底向遠(yuǎn)端偏移。隕石坑的傾斜坑壁跨度達(dá)到7 km，坑壁非常陡峭，斜坡角度接近30°。

圖12中紅色方框內(nèi)部的區(qū)域雷達(dá)回波較弱，斜坡角度小于10°，未來可以進(jìn)一步分析是否適合著陸采樣。

圖12 Shackleton隕石坑Fig.12 Crater Shackleton

5 結(jié) 論

為了分析Pol-SAR對(duì)PSR著陸點(diǎn)與采樣點(diǎn)的地形信息獲取能力，本文從太陽光直射區(qū)域的Mini-RF雷達(dá)圖像找出直徑超過50個(gè)像素的隕石坑，對(duì)比光學(xué)圖像發(fā)現(xiàn)，除了個(gè)別斜坡小于10°的平坦隕石坑，Mini-RF雷達(dá)圖像基本能夠識(shí)別圖中所有的大隕石坑。直徑50個(gè)像素的隕石坑在甚高分辨率SAR圖像中直徑約為25 m。這樣的隕石坑可由飛躍器自行躲避。雷達(dá)圖像中也能夠較容易地識(shí)別出直徑在10～50個(gè)像素之間的隕石坑，而更小的隕石坑在雷達(dá)圖像中往往就是一兩個(gè)亮點(diǎn)，其回波強(qiáng)度明顯大于周圍區(qū)域。在用Pol-SAR數(shù)據(jù)選取PSR內(nèi)的平坦區(qū)域作為著陸點(diǎn)時(shí)，首先避開直徑大于50個(gè)像素的大隕石坑，其次，挑選亮點(diǎn)相對(duì)較少的雷達(dá)暗區(qū)，這些區(qū)域小坑的覆蓋率比較低，容易找到著陸地點(diǎn)。

雷達(dá)圖像還能夠識(shí)別一些在光學(xué)圖像和DEM圖像中不容易發(fā)現(xiàn)的粗糙表面，例如新鮮隕石坑的濺射毯區(qū)域，這些區(qū)域覆蓋有很多巖石或者新鮮月壤的濺射物，粗糙月表面的一個(gè)顯著特征就是強(qiáng)雷達(dá)回波，其極化參數(shù)CPR較大，極化度m較低。

隕石坑壁斜坡改變雷達(dá)局部入射角，從而改變回波強(qiáng)度和極化特征，這與平坦區(qū)域低回波的極化特征不同。

HRNet等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也可以對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別分割，分割結(jié)果受標(biāo)簽影響，存在一定的主觀性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在大區(qū)域圖像的目標(biāo)識(shí)別和分割中將具有明顯優(yōu)勢。

在選取平坦區(qū)域的過程中，主要依靠雷達(dá)回波強(qiáng)度等4個(gè)Stokes參數(shù)，極化參數(shù)CPR和極化度m起輔助作用，研究給出了月球南極Shoemaker隕石坑和Shackleton隕石坑內(nèi)部PSR的雷達(dá)圖像和斜坡圖像，選取了一些較為平坦的區(qū)域，Mini-RF入射角較大，導(dǎo)致信噪比降低，極化參數(shù)容易受到影響。在“嫦娥七號(hào)”甚高分辨率條件下，對(duì)月表地形的識(shí)別能力將有很大的提高，結(jié)合全極化信息，可以對(duì)這些平坦區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的判斷。

本文歸納了雷達(dá)圖像選取平坦區(qū)域時(shí)極化參數(shù)與雷達(dá)回波強(qiáng)度的作用，并給出了光學(xué)圖像、數(shù)字高程模型以及雷達(dá)圖像的對(duì)比分析，以供工程應(yīng)用參考。