SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比

李鲁靖，孟俊敏*，张 晰，孙丽娜

（1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150000；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061）

SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比

李鲁靖1，孟俊敏*2，张 晰2，孙丽娜2

（1.哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，黑龙江哈尔滨 150000；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061）

利用ALOS PALSAR全极化SAR内波图像，对比分析了SAR海洋内波在11种极化特征与后向散射系数（σ0）图像中的可视性。在提取的SAR极化特征图像中，Lambda值的内波特征最为明显，极化熵和极化角次之。与σ0图像相比，Lambda值的内波可视性优于同极化的σ0图像；对于极化熵和极化角，沿距离向传播的内波可视性优于同极化的σ0图像，沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ0图像，两者均优于交叉极化的σ0图像。H H/VV极化比、归一化圆极化系数和Bata值的内波特征较弱；H H/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的内波图像均不清晰，无法识别内波。

ALOS PALSAR；全极化SAR；极化特征；海洋内波

0 引言

海洋内波是指在海水稳定层化的海洋中产生、最大振幅出现在海洋内部的波动。内波的生成与传播，伴随着等密度面较大的起伏和较强的流速切变，可影响局部海域的水交换，是海洋中能量传递和物质输运的重要环节；大振幅内波带来的垂向剪切对水下潜艇航行安全和海上石油平台作业都构成严重威胁。另外，海洋内波还对海洋中传播的声波造成影响，影响声速的大小和传播方向，从而降低了声呐的使用效能，进而对潜艇的隐蔽和监测起着有利或有害的作用［1］。

内波的探测一直受到海洋科学工作者的高度关注。内波发生具有很强的随机性，传统探测内波的方法不仅观测成本高，且难以获取大范围的内波信息。随着遥感技术的发展，可见光、高度计和SAR遥感逐步成为海洋内波的主要探测方法，尤其是工作在微波波段的合成孔径雷达（SAR），它具有全天时、全天候以及高分辨成像的优点。现已有报道证明SAR是内波探测的最佳传感器［2］。APEL et al［3］从原理上提出了2种从SAR图像上反演内波振幅的方法。ZHENG et al［4］在两层孤立波模型下，使用从SAR图像上获取的孤立波半波宽度来计算内波振幅。FU et al［5］对Seasat卫星的内波SAR图像进行了分析，获得了与APEL在Landsat卫星可见光图像上观测到的相似内波特征。SMALL et al［6］利用英国Malin陆坡区域相隔24 h的2景SAR图像捕获了相同的内波特征，同时从SAR图像分析得知，内波的型态一致并且在同一时刻成像，证明内波是潮生的。

随着SAR硬件水平的提高，SAR已由传统的单极化发展到全极化工作。相比于单极化SAR，（全）极化SAR能全面获取观测目标的散射特性，极大提高了对地物目标的观测能力。而利用极化SAR数据进行内波探测的相关研究较少，发展极化SAR内波探测技术，首先要充分摸清极化SAR对内波的响应特性。针对该问题，本文利用3景ALOS PALSAR全极化SAR数据，提取了11种极化特征，对比分析了SAR海洋内波在11种极化特征与后向散射系数（σ0）中的可视性，该工作将有助于后续极化SAR内波探测的开展。

1 数据来源及数据处理

1.1 数据来源

本文选取的3景ALOS PALSAR全极化SAR数据均为单视复数据，分辨率为24 m。数据A和数据B的获取时间分别为2011-03-20T16∶10和2011-01-11T16∶03，数据C的获取时间为2010-05-19T 14∶39（图1）。数据A和B中的内波沿距离向传播，数据C中的内波沿方位向传播，这样选择可以分析SAR的速度聚束效应对内波探测的影响。而且，数据A和C中的内波波长较长，数据B中的内波波长较短，这样可表现出SAR对不同波长内波的反映能力。

图1中数据A和B两景数据的地理位置分别对应图2a中的1和2，所处地理位置均在安达曼海域南部。数据C对应图2b中的3，所在位置为苏禄海。安达曼海是印度洋东北部的边缘海，是全球海域内波多发区，该海域的内波幅度大，覆盖面积广［7］。苏禄海位于菲律宾西南部与马来西亚之间，平均水深1 570 m，苏禄海也是全球内波频发的海域，内波幅度较大，已有诸多相关报道［8］。

1.2 极化SAR数据处理

1.2.1 多视处理

本文所用的SAR原始数据均为单视复图像，方位向分辨率和距离向分辨率不同，导致图像狭长，内波信息不易辨认。因此，利用PolSARpro软件对SAR数据沿方位向进行8视的多视处理，使方位向分辨率和距离向分辨率一致（图1）。同时多视处理还对SAR数据起到降噪的作用。

1.2.2 极化特征提取

本文利用PolSARpro软件［9］提取极化特征。选用的极化特征均为文献普遍采用的、能有效用于地物目标观测的特征，分别为后向散射系数（σ0）、HH/VV极化比、H H/HV极化比、VV/VH极化比、归一化圆极化系数（CCC），通过H-A-Alpha极化分解得到的Lambda值、Gamma值、Delta值、Beta值、各向异性指数（Anistropy）、极化熵（Entropy）和极化角（Alpha），表1为各极化特征的意义。

1.2.3 感兴趣区提取及断面分析

本文利用ENVI软件提取感兴趣区。选取SAR图像中包括内波和海水的区域作为感兴趣区，然后从感兴趣区中选择断面，得出不同极化特征值的分布曲线，最后对内波的分布位置和特征值的分布曲线进行分析，并与σ0图像进行比较。

2 内波极化特征分析

2.1 后向散射系数（σ0）

HH极化的σ0图像如图3～图5所示，3景数据中的内波影像均清晰可见。断面分布图3b中左边4个峰值为图3a中的4条内波曲线，中间偏右的2个峰值代表图3a中2条幅度较大的内波。数据B中内波较密集，因此其断面分布图中峰值较多（图4）。图5b的断面分布图中4个峰值分别代表图5a中的4条内波。

HV极化的σ0图像如图6～图8所示。图6a中的内波可见，但其断面分布图6b不能够表示出内波位置。图7和图8中的内波模糊不清，不可辨认。

VV极化的σ0图像与HH极化的σ0图像相同，内波均清晰可见（图9～图11）。

综上，同极化（HH极化和VV极化）的σ0图像中内波的可视性优于交叉极化（HV极化）的σ0图像中内波的可视性。

2.2 HH/VV极化比

HH/VV极化比的3景影像及断面分布图分别如图12～图14所示。数据A的图像中暗条纹为内波，当门限为-1.0时，HH/VV极化比能较好地反映出内波（图12）。数据B的图像中也可清晰地观测到内波信息（图13），由于内波幅度小且条数较多，因此断面分布图中峰值较多，但也能够反映出相应的内波。数据C的图像中内波模糊可见，断面分布图无法识别内波（图14）。因此，H H/VV极化比可有效识别沿距离向传播的内波（数据A和B），但对于沿方位向传播的内波（数据C），H H/VV极化比对比度低，图像较模糊。与σ0图像相比，HH/VV极化比的图像特征要优于交叉极化的σ0图像特征，差于同极化的σ0图像。

2.3 HH/HV极化比

HH/HV极化比的3景图像如图15所示，从图中可以看出，HH/HV极化比的图像无法识别内波。

2.4 VV/VH极化比

由图16可知，VV/VH极化比图像无法有效识别内波。

2.5 归一化圆极化系数（CCC）

归一化圆极化系数图像的对比度较低，内波模糊可见（图17～图19）。

2.6 Lambda值

由图20～图22可见，Lambda极化特征图像平滑，内波清晰可见。数据A中门限大于0.4时，Lambda值可较好地反映出内波，断面分布图20b对比度较高，与图20a中内波有很好的对应关系。数据B中当门限约为0.08时，Lambda值可以清楚地反映出内波（图21）。数据C中门限约为0.09时，Lambda值可以较好地反映出内波，断面分布图22b中4个峰分别对应图22a中的4条内波。内波在Lambda极化特征图像中表现为亮条纹，强度值高于海水，且Lambda极化特征对原图像的去噪效果较好，内波影像清晰可见。与同极化σ0相比，Lambda极化特征图像的对比度大，内波影像更清晰。

2.7 Gamma值

由图23可知，在3景SAR影像中，Gamma值均无法有效识别内波。

2.8 Delta值

如图24所示，在3景SAR影像中，Delta值图像中内波均无法识别。

2.9 Beta值

Beta特征值下的3景影像如图25～图26所示。数据A中内波可见但不清晰（图25）。数据B中Beta值可以较好地反映出内波，但断面分布图与之吻合较差（图26）。数据C中门限低于5时可以较好地反映出内波（图27）。

2.10 各向异性指数（Anistropy）

由图28可知，在3景SAR影像各向异性指数图像中内波均无法识别。

2.11 极化熵（Entropy）

Entropy值条件下，可清楚观测到内波，且对图像有一定的去噪效果。在数据A中，当门限为0.12时，极化熵可以较好地反映出内波，断面分布图29b中的波谷分别对应图29a中的内波。数据B中极化熵较好地反映了内波（图30）。数据C中图像的对比度过大，内波影像不清晰（图31）。与σ0相比，Entropy的内波特征图像要优于交叉极化σ0图像，略差于同极化σ0图像。

2.12 极化角（Alpha）

Alpha值的内波特征图像清晰可见。数据A中当门限约为6时，极化角可以较好地反映出内波，且断面分布图32b中的波谷与图32a中内波较吻合。数据B中当门限为28时，极化角可以较好地反映出内波（图33）。数据C中当门限为15时，极化角可以较好地反映出内波（图34）。内波在Alpha极化特征中表现为暗条纹，强度值低于海水，且Alpha极化特征对原图像有较好的去噪作用，内波影像清晰可见。与同极化σ0相比，数据A和B中的Alpha内波特征图像要优于σ0图像，数据C的图像略差于同极化σ0图像。

3 分析与讨论

3.1 内波SAR极化特征分析

3景ALOS PALSAR全极化SAR内波图像中，同极化（H H极化和VV极化）的σ0图像中内波的可视性优于交叉极化（HV极化）的σ0图像。在11种极化特征中，Lambda值的内波图像最明显，图像对比度高，内波清晰可见，其图像特征优于同极化的σ0图像。极化熵（Entropy）和极化角（Alpha）的内波图像与同极化的σ0图像相比，沿距离向传播的内波可视性优于σ0图像，沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ0图像，二者图像均优于交叉极化的σ0图像。H H/VV极化比、Beta值和归一化圆极化系数图像中内波可见但不清晰，优于交叉极化的σ0图像，但差于同极化的σ0图像。H H/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的图像均不清晰，无法识别内波。表2为11种极化特征和不同极化的σ0对内波的响应能力。

3.2 Lambda图像与σ0图像内波可视性分析

为了进一步评价SAR极化特性对海洋内波的响应能力，我们将极化特征图像中内波最明显的Lambda图像与传统的σ0图像进行比较，以数据A为例，其图像及断面分布曲线如图35和图36所示。

图35a为HH极化的σ0图像，图35b为Lambda极化特征图像，截取相同的剖面（如图35中的黑实线）可以看出，2景图像中的内波均清晰可见，Lambda极化特征图像中的内波比H H极化的σ0图像中内波更为清晰。为此，利用断面分布曲线进一步对Lambda图像与传统的σ0图像进行比较，如图36所示。图36中紫色线代表Lambda图像的断面分布曲线，黑色线代表σ0图像的断面分布曲线，黑色线和紫色线的变化趋势均可以表示出图35中内波的位置，紫线的对比度更高，黑线的对比度较低，即Lambda图像的对比度高于σ0图像的对比度，这与原图像的可视性一致。从而可以说明Lambda图像对内波的识别能力强于σ0图像。

4 结论

本文基于ALOS PALSAR全极化SAR内波图像，对海洋内波11种极化特征与后向散射系数（σ0）的可视性进行了对比分析，得出Lambda值的内波特征最为明显，极化熵和极化角次之。与σ0图像相比，Lambda值的内波可视性优于同极化的σ0图像；对于极化熵和极化角，沿距离向传播的内波可视性优于同极化的σ0图像，沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ0图像，两者均优于交叉极化的σ0图像；HH/VV极化比、Beta值和归一化圆极化系数图像中内波可见但不清晰，可视性优于交叉极化的σ0图像，但差于同极化的σ0图像。HH/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的图像均不清晰，无法识别内波。

（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

李鲁靖，孟俊敏，张晰，等.SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比［J］.海洋学研究，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

国家高技术研究发展计划项目资助（2013AA09A502）

李鲁靖（1992-），男，北京市人，主要从事电子信息工程方面的研究。E-mail：shurrik13@gmail.com

*通讯作者：孟俊敏，研究员，主要从事SAR海洋遥感应用方面的研究。E-mail：mengjm@fio.org.cn