极化SAR在海洋探测中的应用与探讨

张 杰 张 晰范陈清 孟俊敏

(国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061)

极化SAR在海洋探测中的应用与探讨

张 杰 张 晰*范陈清 孟俊敏

(国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061)

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是重要的对地观测传感器，在陆地和海洋中都有广泛的应用。极化合成孔径雷达通过不同的收发通道组合，能够获取丰富的目标散射信息，可以提升目标检测、分类识别、定量反演的能力。该文以海冰、舰船、溢油、海浪、内波、风场、海底地形等海上目标和海洋动力环境要素为例，分析了极化SAR在海洋监测中的重要作用，探讨了极化SAR未来的发展方向，给出了进一步开展极化SAR海洋应用的建议。

极化SAR；海洋应用；海上目标；海洋动力环境要素

1 引言

海洋作为蓝色国土，是我们赖以生存和发展的空间。海洋中的舰船监测关系到海洋主权与权益维护，海冰、内波、海浪等则对海上航运、海上作业、海洋工程存在严重威胁，海上溢油会造成巨大经济损失与环境污染，为了能更好地利用和保护海洋，需要对海洋中的目标和环境动力要素进行可靠有效的监测。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)由于其全天时全天候的工作能力而成为了海洋监测的主要手段，星载SAR发射成功后的30多年间，已经在海洋领域得到了广泛的应用。

极化合成孔径雷达(PolSAR)是雷达理论和技术发展的新技术，美国JPL实验室在1985研制出第1部机载极化SAR系统，开创了极化成像雷达研究的新纪元。随着极化SAR理论和技术的同步发展，国外相继发射了Radarsat-2, TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed, ALOS-2等搭载了极化SAR系统的卫星，这些SAR卫星在对地观测中发挥了重要作用[1-5]。

近几年，我国的极化SAR理论与应用研究在多个科研项目的支持下取得了较大进展。自主的高分辨率极化SAR卫星也已发射，即将建成高分辨率SAR对地观测系统。未来极化数据的获取将更加便捷，极化SAR也将在目标检测、类型识别、参数估计、定量反演中发挥更加重要的作用。

本文首先概述了极化SAR的基本理论，然后主要以张杰团队在海冰、舰船、溢油、海浪、内波、风场、海底地形的极化SAR监测工作为例，论述了极化SAR在海洋监测中的重要作用和发展潜力，最后，对极化SAR未来的发展方向做了展望，以期得到进一步开展极化SAR海洋监测研究的启示。

2 极化SAR基本理论

雷达通过发射电磁波和接收散射回波来获取目标信息。电磁波在与其传播方向垂直平面上的分量的时空变化轨迹称为极化。极化SAR系统中，为了能够定量计算和分析地物的电磁散射特性，常用一个复矩阵(称之为极化散射矩阵，Sinclair矩阵)，来描述地物的电磁散射过程[6]，利用散射矩阵可以进一步推导出分布式目标的相干矩阵和协方差矩阵来描述目标或环境的电磁散射特性[7]。

一般而言，极化SAR系统包含双极化和全极化两种模式。双极化系统发射水平或垂直方向的电磁波，同时接收水平和垂直方向的电磁波，能获取HH/HV或VV/VH两个通道的数据；全极化系统发射水平和垂直方向的电磁波，同时接收水平和垂直方向的电磁波，能获取HH, HV, VV, VH 4通道的数据。

简缩极化SAR系统是双极化SAR与全极化SAR系统的折中，与全极化SAR系统相比，系统设计复杂度低，成像范围大，与双极化SAR系统相比，简缩极化SAR系统发射和接收信号组合更丰富[8]。简缩极化SAR系统只发射一个方向的电磁波，接收两个方向的回波信号，有3种常用的简缩极化模式。π/4模式[9]：系统发射45°方向的线极化波，接收水平和垂直回波信号；双圆极化(Dual Circular Polarization, DCP)模式[10]：系统发射圆极化波，同时接收左圆和右圆极化波。混合(Circular-Transmit-and-Linear-Receive, CTLR) 模式[11,12]，系统发射圆极化波，接收一组水平和垂直回波信号。简缩极化的最大优势能够重构大幅宽的全极化数据，更适于大范围的海洋监测。

无论是双极化、全极化、还是简缩极化SAR，都可以获得多通道数据，相比于单极化SAR单一的灰度图像，极化SAR通过通道组合得到伪彩色图像，在海洋监视的目标解译中更具有优势。

极化信息与目标尺度、形状、结构、取向和材料等目标属性存在着本质的内在联系。利用极化数据提供的散射矩阵和相干矩阵和协方差矩阵，可进一步提取SAR图像中地物目标的散射特征[13-15]，如熵、alpha角、各向异性度等。对于舰船、海冰、海上平台等海洋目标监测来说，极化SAR丰富的散射信息和极化特征有助于海上目标的几何细节刻画和散射特性分析，从而实现目标的检测、分类和识别。

对于海洋动力环境要素，极化SAR对不同海况条件下的不同尺度的海浪、海流、海面风场的敏感程度不同，且只用单极化SAR进行海浪、海流、海面风场等海洋动力环境要素的反演时，一般都会存在180°的方向模糊，如果缺少现场数据，则无法确定其真实传播方向。极化SAR不仅能够利用影像的幅度信息，其通道间的相对相位信息有助于消除方向上的模糊。

因此，极化信息的使用增加了SAR信息的维度，更有利于目标的有效识别和动力要素的准确提取。

3 极化SAR海上目标监测应用

3.1 舰船监测

在单极化SAR船只目标检测研究中，Rey[16]最早提出利用K分布海杂波模型结合恒虚警率(Constant False Alarm Rate, CFAR)的检测方法。后来，Novak[17]发展了利用高斯模型的双参数CFAR的方法。随着SAR图像分辨率不断提高，舰船由低分辨率SAR图像中的点目标扩展为面目标，而且高分辨率SAR中海杂波的分布也表现出了新的特性。Xing[18]提出了基于a稳态分布与EXS-C-CFAR算法相结合的方法，该方法能够有效地减少漏检，且很好地保留了舰船轮廓信息。背景窗中可能存在船只会干扰海杂波的统计；Tao等人提出了基于截断统计的方法解决背景窗口中可能存在的船只对海杂波统计的影响[19]。

与单极化SAR相比，极化SAR提供了丰富的散射信息，雷达发射的电磁波与船只目标的相互作用以二次散射为主，而与海面的相互作用以Bragg散射为主，根据船只与海洋极化散射特性的异同就可以实现目标检测。Sugimoto等人结合Yamaguchi分解理论和CFAR方法达到了船只检测的目的[20]，R. Touzi利用RS-2全极化数据证明极化度极差可以检测出HV极化下难以用肉眼观察到的小目标[21]，Wei等人将船只的SAPN值作为迭代准则，利用Wishart距离分类器进行了船海分割[22]。张杰团队开展了全极化与双极化SAR船只监测的工作，对于全极化SAR，根据实部的正负来区分船只目标与海洋背景[23]，对于双极化数据，使用极化香农熵的正负来实现船海分离[24]。图1和图2分别为使用UAVSAR全极化和RADARSAR-2双极化数据进行船只检测的个例，利用相关的参数的符号就可以快捷地实现目标检测。上述方法的品质因数都在0.92以上，优于K-CFAR、G0-CFAR检测算法，并且克服了传统CFAR方法因虚警率设置产生的算法自动性差的缺点。

图1 UAVSAR, 2010-06-23. Re图，剖面包含海水和船只Fig. 1 The Reimage for UAVSAR in 2010-06-23 with the profile of ship and sea

近年来，随着SAR高分辨率的提高，利用SAR进行舰船类型识别成为可能，目前的研究主要集中在分类特征和分类器的构造上。较多的特征是从图像角度出发选取的纹理特征、几何特征等，随着极化SAR的应用，与目标自身本质特性相关的极化特征也被发掘使用。Touzi、张晰等人根据舰船散射体的分布区分舰船类型[25,26]。张杰团队使用Ji[27]的舰船数据库，选取了货船、集装箱、油轮3种类型目标的21项目标特征，使用5种常用的分类器进行了最优分类组合实验，发展的优胜团队选取方法对3种类型船只的分类精度达到了90%以上[28]，该结果在目前船只分类文献中精度最高。

3.2 海冰监测

海冰类型是海冰监测的重要参数，是海冰冰情评估及预报的重要指标。早期，针对单极化SAR数据，主要是Clausi和Yu利用纹理特征进行了海冰分类[29-31]，Yu进一步加入了形状特征识别海冰类型[32]。但单极化SAR的海冰分类精度不高，如在初生冰和开阔水域分类中常出现误判。多极化海冰SAR数据能提取更多极化特征，张杰团队通过分析利用RADARSAT-2全极化数据提取的海冰极化相关系数、圆极化系数、散射熵和Alpha角等极化特征，不仅可以区分海水和初生冰，而且能够区分出灰冰、灰白冰，固定冰，发展了基于二叉树思想的高分辨率全极化SAR海冰分类算法，并利用上述极化特征进行了海冰分类(见图3)，海水的识别精度达到99.67%；固定冰达到95.24%；灰白冰和灰冰分别为82.29%和73.17%，识别率最差的是初生冰精度为59.38%；总精度为86.67%的准确率[33,34]。

图2 船只目标极化SAR探测Fig. 2 Ship detection by PolSAR data

图3 极化SAR海冰分类Fig. 3 Sea ice classification by PolSAR

3.3 溢油监测

SAR溢油检测主要包括海水与油膜的区分。单极化SAR提供的目标特征较少，Keramitsoglou[35]、Frate[36]、苏腾飞[37]等人开展了基于模糊方法、神经网络方法的单极化SAR溢油监测方法来区分油水。但除油膜外，生物膜及低风区、雨团、船尾迹、上升流等一些海洋现象也在SAR影像上表现为暗区域(低后向散射强度)，使得单极化SAR溢油检测误识别率较高。

多极化SAR可以同时获得目标散射的能量信息、相位信息及极化信息，在SAR在溢油检测、识别方面有着显著优势。近年来，相关学者利用多极化SAR所特有的极化信息寻找区分油膜和类油膜的有效特征，提出了若干溢油SAR监测极化参数，如：F参数[38]、一致性参数[39]可以区分油膜和海水，同极化相位差的标准差[40,41]、散射熵H的概率密度函数[42,43]、CT参数[44]、极化度[45]等其他极化参数[46]不仅能区分油膜和海水，还可以区分油膜与类油膜。张杰团队通过分析Radarsat-2数据中海水与油膜的极化特征分析，引入了单次反射特征值相对差异度(Single bounce Eigenvalue Relative Difference, SERD)特征可以有效地区分溢油和海水，并且在原油和生物油膜的区分方面也有优势，可用于溢油检测[47](见图4)。

图4 SAR溢油检测Fig. 4 Oil spill detection by SAR data

4 极化SAR海洋动力要素监测

4.1 海浪监测

SAR 是目前唯一可以提供海浪方向谱的星载微波遥感器，可以计算得到有效波高、平均波周期、主波波长、主波波向等海浪参数。Hasselmann等采用双尺度海面模型，建立了海浪谱到图像谱的变换关系[48]。以此关系为基础，发展了系列的SAR海浪反演算法，有代表性的是MPI算法[28]、交叉谱算法、PARSA算法。其中，Engen[49]发展的基于交叉谱的海浪信息提取算法解决了海浪传播方向上的180°模糊问题，但存在较大误差。Schulz[50]结合MPI和交叉谱方法提出了PARSA算法，解决了180°模糊的问题，又具有比交叉谱方法更好的精度。

极化SAR海浪信息提取方面，Schuler[51-53]等首先给出了利用极化方向角和H-Alpha分解提取海浪斜率谱的算法，该方法可以直接测量海浪谱，不需要复杂的调制传递函数，在中低海况下精度较高。何宜军等人通过对线性极化方向调制传递函数和倾斜调制传递函数的数值仿真，检验了雷达和海浪参数对线性极化SAR图像谱的影响，提出了一种消除180°方向模糊的方法[54]。之后，他们又提出了一种使用C波段全极化SAR数据测量海浪波斜谱的新方法[55]。张杰团队利用AIRSAR数据，用文献[54]方法反演了海浪谱(图5)，通过与实测浮标数据比对，取得了较好的反演结果(见表1)。

图5 极化SAR海浪探测Fig. 5 Sea wave detection by PolSAR data

表1 SAR反演海浪参数值与对应的浮标测量值对比Tab. 1 Inversion results of wave parameters and the corresponding buoy measurements

4.2 风场监测

SAR具有观测海面风场的能力。对于单极化SAR，目前常用C波段VV极化数据的地球物理模型函数为CMOD系列模型，主要包括CMOD4, CMOD-IFR2, CMOD5以及CMOD5.N模型算法。SAR图像为单一视向，无法利用CMOD模型算法同时反演风速和风向。因此，传统C波段VV极化SAR反演海面风场时一般先利用2维FFT变换法、小波分析法、梯度法等方法从SAR图像风条纹信息中估计出风向，再利用CMOD模型反演风速[56,57]。利用HH极化SAR图像进行风场信息反演时，需要先利用Thompson、Elfouhaily、AD模型、Kirchoff等极化比模型[58-60]，将HH极化转换到VV极化，再利用VV极化的风场反演方法进行计算。此外，Ren等人在CMOD基础上发展了针对于X波段的XMOD模型函数[61]。

极化SAR海面风场反演中，目前主要的方法是利用交叉极化SAR反演海面风速，该方法通过建立风速与交叉极化后向散射系数之间的经验关系实现。由于交叉极化信号小，低风速信息容易湮没在噪声之中，导致风速无法反演。随着C波段RADARSAT-2卫星的业务化运行，其多极化(尤其是全极化)SAR数据的高信噪比使得利用多极化SAR数据反演海面风场成为可能。张彪等人基于C波段RADARSAT-2全极化SAR提出了一个同时依赖于入射角和风速(记为SAD模型)的分析极化比模型，结合CMOD5.N模型反演风速，结果表明SAD模型精度较高[62]。

4.3 内波监测

SAR能够监测内波的振幅、传播速度、传播方向。SAR内波的监测工作主要集中在两方面。第一是内波的时空分布特征：其中，孟俊敏分析了南海北部和台湾东北部的内波分布特征[63]；Zheng等人分析了南海内波的时空分布特征[64]；Li利用MITgcm模式模拟了南海西北部内波的生成与传播，此处内波多是由海底山脊与海潮相作用形成[65]；Zhang使用SUNTANS模型，对中国南海内波进行了数值模拟，该模型能够准确地预测内波的到达时间[66]。第二是内波SAR参数反演：如，Small等利用多时相SAR提取了内波的振幅[67]。Li等人利用单景SAR影像提取了内波上混合层厚度[68]，种劲松利用时间序列SAR影像提取了内波的波长、传播速度、传播方向、极性等参数[69,70]，Cai等人分析了南海内波的频散系数和非线性系数等[71]。

在极化SAR内波监测应用中，Schuler利用极化SAR研究了内波对极化方向角产生的影响，并提出了方向角扰动与潜在内波流强度的经验关系[32]。张杰团队利用ALOS PALSAR全极化SAR数据，提取并分析了SAR海洋内波的后向散射系数、极化比、极化特征值等11种极化特征在内波检测中的性能，指出极化熵和极化角可以有效地识别内波[72](见图6)，该工作将有助于后续极化SAR内波监测的开展。

图6 内波极化SAR图像及其极化特征Fig. 6 Internal-wave SAR image and its polarimetric features

4.4 海底地形反演

SAR不能直接观测到海底地形，SAR测量的是海面的后向散射，海底地形之所以被SAR观测到是由于水下地形间接地改变了海面的后向散射。

Shuchman等人采用了不同的含有松驰率项的源函数，利用射线追踪的方法对作用量平衡方程进行了求解[73]。之后，出现了大量的改进成像模型，如BRM模型[74]和Inglada[75]模型等。袁业立从理论上导出了海面微尺度波高频谱的表达式，为定量的SAR影像仿真与地形反演奠定了理论基础[76]，后有学者陆续在其基础上建立了水下地形仿真和反演模型[77]，研究并分析了不同地形条件下，浅海水下地形的雷达后向散射截面[78]，利用ERS-1和Radarsat SAR影像对南沙群岛双子礁开展了水下地形SAR监测研究[79]。

基于单极化SAR的水下地形监测没有考虑极化方式对雷达成像的影响。事实上，水下地形SAR成像与SAR的极化方式具有密切关系，张杰团队利用Radarsat-2全极化SAR数据(见图7)，在进行极化白化滤波后，对台湾浅滩区域开展水下地形监测研究，反演结果总体平均绝对误差为2.56 m，而VVHHVH的平均误差分别为2.63 m, 2.65 m, 3.19 m(见图8)，可见全极化的监测精度高于单极化SAR的监测精度[80]。

图7 Radarsat-2全极化SAR影像，2009-01-06Fig. 7 Radarsat-2 PolSAR images, 2009-01-06

图8 全极化SAR水下地形监测结果Fig. 8 The results of underwater topography detection by PolSAR data

5 结论与展望

本文对舰船、海冰、溢油、海浪、内波、水下地形等海洋要素的极化SAR监测现状进行了论述，从中可以看出极化SAR已在海洋监测中发挥了重要的作用。随着极化SAR分辨率的提高，极化新技术的发展，SAR海洋监测仍有许多重要的工作仍需进一步开展。对于海洋监测业务，需要从工程和算法的角度发展高效智能的SAR图像目标解译和认知算法。

近年来，国内外学者相继提出了干涉极化、紧缩极化SAR等多种极化SAR体制。紧缩极化具备双极化SAR和全极化SAR的优点，在大范围的海洋环境监测中有广泛的应用前景。交轨干涉极化SAR在舰船、海冰、海岛、海上构造物等海洋目标的几何结构精细化提取和3维重构中有很大的应用潜力。顺轨干涉极化SAR在海上目标和海流速度提取[81]方面能发挥重要作用。新体制极化SAR系统设计复杂，定标难度大，也是未来一个重要的研究方向。

对于舰船检测，需要建立适用于高分辨率极化SAR图像的海杂波模型，提高目标检测的准确率。对于舰船类型识别，现有的研究主要针对货船、油轮、集装箱3种目标，需要扩大识别的范围，同时，需考虑利用极化散射特征提取船只的上层结构甚至3维特征，提高类型识别的精度。

对于海冰监测，利用极化散射信息可提高分类的精细化程度和海冰分类精度，极化SAR信息的引入可以进一步定量提取海冰厚度及冰上雪厚。

对于海面溢油监测，利用极化SAR数据，一方面，有助于解决从低风区、内波、雨团、船尾迹、上升流、油脂冰等伪信息中准确地提取溢油区域的技术难题，另一方面，有可能实现油膜厚度的提取。

SAR是获取海面风场、海浪等海洋动力环境要素的主要手段之一，实现复杂和极端海况条件下海洋动力环境要素的准确提取将推动SAR在海洋监测应用中的广泛应用。极化SAR的出现有助于解决诸如海浪探测中180°向模糊、高海况条件下的风场探测等问题，借鉴相关的思路和方法可以开展内波、中尺度涡等海洋动力过程的高精度探测。

随着科学技术的不断发展，MIMO、干涉星座、DBF宽测绘带成像等新体制雷达应运而生[82]，必将在海上目标和海洋动力环境监测中发挥重要的作用，为我国海洋环境安全和海上权益维护提供技术支撑与保障。

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Discussion on Application of Polarimetric Synthetic Aperture Radar in Marine Surveillance

Zhang Jie Zhang Xi Fan Chenqing Meng Junmin
(First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao266061,China)

Synthetic Aperture Radar (SAR), an important earth observation sensor, has been used in a wide range of applications for land and marine surveillance. Polarimetric SAR (PolSAR) can obtain abundant scattering information of a target to improve the ability of target detection, classification, and quantitative inversion. In this paper, the important role of PolSAR in ocean monitoring is discussed with factors such as sea ice, ships, oil spill, waves, internal waves, and seabed topography. Moreover, the future development direction of PolSAR is put forward to get an inspiration for further research of PolSAR in marine surveillance applications.

Polarimetric SAR; Marine application; Target; Ocean dynamic environmental factors

TN95

A

2095-283X(2016)06-0596-11

10.12000/JR16124

张杰, 张晰, 范陈清, 等. 极化SAR在海洋探测中的应用与探讨[J]. 雷达学报, 2016, 5(6): 596-606.

10.12000/JR16124.

Reference format:Zhang Jie, Zhang Xi, Fan Chenqing,et al.. Discussion on application of polarimetric synthetic aperture radar in marine surveillance[J].Journal of Radars, 2016, 5(6): 596-606. DOI: 10.12000/JR16124.

张 杰(1963-)，男，内蒙古包头人，博士，国家海洋局第一海洋研究所，研究员，室主任。研究方向为海洋遥感技术与应用，主要成果为主持国家自然科学基金、863计划、国家载人航天工程等项目30余项，获多项海洋创新成果奖，出版专著1部，在国内外重要学术刊物上与学生合作发表论文百余篇。 社会兼职：国家海洋局与中国航天科技集团海洋遥测工程技术研究中心主任。

2016-11-07；改回日期：2016-11-23；

2016-12-21

*通信作者：张晰 xi.zhang@fio.org.cn

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA122803), 国家自然科学基金(61471136)

Foundation Items: The National High-tech R & D Program of China (863 Program)(2013AA122803), The National Natural Science Foundation of China (61471136)

E-mail: zhangjie@fio.org.cn