SAR極化特征圖像與σ0圖像的海洋內波可視性對比

李魯靖，孟俊敏*，張 晰，孫麗娜

（1.哈爾濱工業大學電子與信息工程學院，黑龍江哈爾濱 150000；2.國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圖像的海洋內波可視性對比

李魯靖1，孟俊敏*2，張 晰2，孫麗娜2

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

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

ALOS PALSAR；全極化SAR；極化特征；海洋內波

0 引言

海洋內波是指在海水穩定層化的海洋中產生、最大振幅出現在海洋內部的波動。內波的生成與傳播，伴隨著等密度面較大的起伏和較強的流速切變，可影響局部海域的水交換，是海洋中能量傳遞和物質輸運的重要環節；大振幅內波帶來的垂向剪切對水下潛艇航行安全和海上石油平臺作業都構成嚴重威脅。另外，海洋內波還對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，進而對潛艇的隱蔽和監測起著有利或有害的作用［1］。

內波的探測一直受到海洋科學工作者的高度關注。內波發生具有很強的隨機性，傳統探測內波的方法不僅觀測成本高，且難以獲取大范圍的內波信息。隨著遙感技術的發展，可見光、高度計和SAR遙感逐步成為海洋內波的主要探測方法，尤其是工作在微波波段的合成孔徑雷達（SAR），它具有全天時、全天候以及高分辨成像的優點?，F已有報道證明SAR是內波探測的最佳傳感器［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計算內波振幅。FU et al［5］對Seasat衛星的內波SAR圖像進行了分析，獲得了與APEL在Landsat衛星可見光圖像上觀測到的相似內波特征。SMALL et al［6］利用英國Malin陸坡區域相隔24 h的2景SAR圖像捕獲了相同的內波特征，同時從SAR圖像分析得知，內波的型態一致并且在同一時刻成像，證明內波是潮生的。

隨著SAR硬件水平的提高，SAR已由傳統的單極化發展到全極化工作。相比于單極化SAR，（全）極化SAR能全面獲取觀測目標的散射特性，極大提高了對地物目標的觀測能力。而利用極化SAR數據進行內波探測的相關研究較少，發展極化SAR內波探測技術，首先要充分摸清極化SAR對內波的響應特性。針對該問題，本文利用3景ALOS PALSAR全極化SAR數據，提取了11種極化特征，對比分析了SAR海洋內波在11種極化特征與后向散射系數（σ0）中的可視性，該工作將有助于后續極化SAR內波探測的開展。

1 數據來源及數據處理

1.1 數據來源

本文選取的3景ALOS PALSAR全極化SAR數據均為單視復數據，分辨率為24 m。數據A和數據B的獲取時間分別為2011-03-20T16∶10和2011-01-11T16∶03，數據C的獲取時間為2010-05-19T 14∶39（圖1）。數據A和B中的內波沿距離向傳播，數據C中的內波沿方位向傳播，這樣選擇可以分析SAR的速度聚束效應對內波探測的影響。而且，數據A和C中的內波波長較長，數據B中的內波波長較短，這樣可表現出SAR對不同波長內波的反映能力。

圖1中數據A和B兩景數據的地理位置分別對應圖2a中的1和2，所處地理位置均在安達曼海域南部。數據C對應圖2b中的3，所在位置為蘇祿海。安達曼海是印度洋東北部的邊緣海，是全球海域內波多發區，該海域的內波幅度大，覆蓋面積廣［7］。蘇祿海位于菲律賓西南部與馬來西亞之間，平均水深1 570 m，蘇祿海也是全球內波頻發的海域，內波幅度較大，已有諸多相關報道［8］。

1.2 極化SAR數據處理

1.2.1 多視處理

本文所用的SAR原始數據均為單視復圖像，方位向分辨率和距離向分辨率不同，導致圖像狹長，內波信息不易辨認。因此，利用PolSARpro軟件對SAR數據沿方位向進行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）。同時多視處理還對SAR數據起到降噪的作用。

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普遍采用的、能有效用于地物目標觀測的特征，分別為后向散射系數（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（CCC），通過H-A-Alpha極化分解得到的Lambda值、Gamma值、Delta值、Beta值、各向異性指數（Anistropy）、極化熵（Entropy）和極化角（Alpha），表1為各極化特征的意義。

1.2.3 感興趣區提取及斷面分析

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

2 內波極化特征分析

2.1 后向散射系數（σ0）

HH極化的σ0圖像如圖3～圖5所示，3景數據中的內波影像均清晰可見。斷面分布圖3b中左邊4個峰值為圖3a中的4條內波曲線，中間偏右的2個峰值代表圖3a中2條幅度較大的內波。數據B中內波較密集，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個峰值分別代表圖5a中的4條內波。

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

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

綜上，同極化（HH極化和VV極化）的σ0圖像中內波的可視性優于交叉極化（HV極化）的σ0圖像中內波的可視性。

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。數據A的圖像中暗條紋為內波，當門限為-1.0時，HH/VV極化比能較好地反映出內波（圖12）。數據B的圖像中也可清晰地觀測到內波信息（圖13），由于內波幅度小且條數較多，因此斷面分布圖中峰值較多，但也能夠反映出相應的內波。數據C的圖像中內波模糊可見，斷面分布圖無法識別內波（圖14）。因此，H H/VV極化比可有效識別沿距離向傳播的內波（數據A和B），但對于沿方位向傳播的內波（數據C），H H/VV極化比對比度低，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極化比的圖像無法識別內波。

2.4 VV/VH極化比

由圖16可知，VV/VH極化比圖像無法有效識別內波。

2.5 歸一化圓極化系數（CCC）

歸一化圓極化系數圖像的對比度較低，內波模糊可見（圖17～圖19）。

2.6 Lambda值

由圖20～圖22可見，Lambda極化特征圖像平滑，內波清晰可見。數據A中門限大于0.4時，Lambda值可較好地反映出內波，斷面分布圖20b對比度較高，與圖20a中內波有很好的對應關系。數據B中當門限約為0.08時，Lambda值可以清楚地反映出內波（圖21）。數據C中門限約為0.09時，Lambda值可以較好地反映出內波，斷面分布圖22b中4個峰分別對應圖22a中的4條內波。內波在Lambda極化特征圖像中表現為亮條紋，強度值高于海水，且Lambda極化特征對原圖像的去噪效果較好，內波影像清晰可見。與同極化σ0相比，Lambda極化特征圖像的對比度大，內波影像更清晰。

2.7 Gamma值

由圖23可知，在3景SAR影像中，Gamma值均無法有效識別內波。

2.8 Delta值

如圖24所示，在3景SAR影像中，Delta值圖像中內波均無法識別。

2.9 Beta值

Beta特征值下的3景影像如圖25～圖26所示。數據A中內波可見但不清晰（圖25）。數據B中Beta值可以較好地反映出內波，但斷面分布圖與之吻合較差（圖26）。數據C中門限低于5時可以較好地反映出內波（圖27）。

2.10 各向異性指數（Anistropy）

由圖28可知，在3景SAR影像各向異性指數圖像中內波均無法識別。

2.11 極化熵（Entropy）

Entropy值條件下，可清楚觀測到內波，且對圖像有一定的去噪效果。在數據A中，當門限為0.12時，極化熵可以較好地反映出內波，斷面分布圖29b中的波谷分別對應圖29a中的內波。數據B中極化熵較好地反映了內波（圖30）。數據C中圖像的對比度過大，內波影像不清晰（圖31）。與σ0相比，Entropy的內波特征圖像要優于交叉極化σ0圖像，略差于同極化σ0圖像。

2.12 極化角（Alpha）

Alpha值的內波特征圖像清晰可見。數據A中當門限約為6時，極化角可以較好地反映出內波，且斷面分布圖32b中的波谷與圖32a中內波較吻合。數據B中當門限為28時，極化角可以較好地反映出內波（圖33）。數據C中當門限為15時，極化角可以較好地反映出內波（圖34）。內波在Alpha極化特征中表現為暗條紋，強度值低于海水，且Alpha極化特征對原圖像有較好的去噪作用，內波影像清晰可見。與同極化σ0相比，數據A和B中的Alpha內波特征圖像要優于σ0圖像，數據C的圖像略差于同極化σ0圖像。

3 分析與討論

3.1 內波SAR極化特征分析

3景ALOS PALSAR全極化SAR內波圖像中，同極化（H H極化和VV極化）的σ0圖像中內波的可視性優于交叉極化（HV極化）的σ0圖像。在11種極化特征中，Lambda值的內波圖像最明顯，圖像對比度高，內波清晰可見，其圖像特征優于同極化的σ0圖像。極化熵（Entropy）和極化角（Alpha）的內波圖像與同極化的σ0圖像相比，沿距離向傳播的內波可視性優于σ0圖像，沿方位向傳播的內波可視性略差于同極化的σ0圖像，二者圖像均優于交叉極化的σ0圖像。H H/VV極化比、Beta值和歸一化圓極化系數圖像中內波可見但不清晰，優于交叉極化的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值和各向異性指數的圖像均不清晰，無法識別內波。表2為11種極化特征和不同極化的σ0對內波的響應能力。

3.2 Lambda圖像與σ0圖像內波可視性分析

為了進一步評價SAR極化特性對海洋內波的響應能力，我們將極化特征圖像中內波最明顯的Lambda圖像與傳統的σ0圖像進行比較，以數據A為例，其圖像及斷面分布曲線如圖35和圖36所示。

圖35a為HH極化的σ0圖像，圖35b為Lambda極化特征圖像，截取相同的剖面（如圖35中的黑實線）可以看出，2景圖像中的內波均清晰可見，Lambda極化特征圖像中的內波比H H極化的σ0圖像中內波更為清晰。為此，利用斷面分布曲線進一步對Lambda圖像與傳統的σ0圖像進行比較，如圖36所示。圖36中紫色線代表Lambda圖像的斷面分布曲線，黑色線代表σ0圖像的斷面分布曲線，黑色線和紫色線的變化趨勢均可以表示出圖35中內波的位置，紫線的對比度更高，黑線的對比度較低，即Lambda圖像的對比度高于σ0圖像的對比度，這與原圖像的可視性一致。從而可以說明Lambda圖像對內波的識別能力強于σ0圖像。

4 結論

本文基于ALOS PALSAR全極化SAR內波圖像，對海洋內波11種極化特征與后向散射系數（σ0）的可視性進行了對比分析，得出Lambda值的內波特征最為明顯，極化熵和極化角次之。與σ0圖像相比，Lambda值的內波可視性優于同極化的σ0圖像；對于極化熵和極化角，沿距離向傳播的內波可視性優于同極化的σ0圖像，沿方位向傳播的內波可視性略差于同極化的σ0圖像，兩者均優于交叉極化的σ0圖像；HH/VV極化比、Beta值和歸一化圓極化系數圖像中內波可見但不清晰，可視性優于交叉極化的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值和各向異性指數的圖像均不清晰，無法識別內波。

（References）：

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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圖像的海洋內波可視性對比［J］.海洋學研究，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

國家高技術研究發展計劃項目資助（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海洋遙感應用方面的研究。E-mail：mengjm@fio.org.cn