趙亞威，孫 凱，種勁松

（1.中國(guó)科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京100094；2.微波成像技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 引 言

海洋鋒是指海洋中性質(zhì)明顯不同的兩種或多種水體之間的狹窄過(guò)渡帶［1］，海洋鋒的研究在海洋漁業(yè)、軍事、海上救援等方面具有重要意義［2］。合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）憑借其全天時(shí)、全天候、探測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)［3，4］，廣泛應(yīng)用于海洋遙感領(lǐng)域，是海洋鋒觀測(cè)的重要傳感器。

受海面整體運(yùn)動(dòng)、海面后向散射系數(shù)相對(duì)低以及海況的影響，海洋鋒在SAR圖像中特征較弱，給后續(xù)應(yīng)用帶來(lái)困難，亟需開(kāi)展海洋鋒特征增強(qiáng)方法的研究。常規(guī)的圖像增強(qiáng)方法大多基于像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行處理，這些方法對(duì)噪聲較為敏感，而SAR圖像中具有較強(qiáng)的相干斑噪聲，往往不能有效地對(duì)“有用”區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)［5］。在SAR圖像海洋鋒的研究中，通常使用濾波的手段進(jìn)行預(yù)處理［6，7］，以提升海洋鋒特征。

相比于上述傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)及單極化SAR數(shù)據(jù)濾波方法，多極化SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋鋒特征增強(qiáng)能夠獲得更加豐富的目標(biāo)散射信息。多極化SAR數(shù)據(jù)能夠有效區(qū)分不同類型散射機(jī)制的貢獻(xiàn)［8］，根據(jù)散射機(jī)制的不同可以實(shí)現(xiàn)海洋鋒特征增強(qiáng)。Phillips［9］首次將海洋表面回波分解為Bragg散射分量和非極化分量（Nonpolarized，NP）。Kudryavtsev等［10-12］使用RADARSAT-2雙極化數(shù)據(jù)針對(duì)非極化分量開(kāi)展研究，證明非極化分量能夠很好的表征海洋鋒現(xiàn)象。Fan等［13］對(duì)RADARSAT-2全極化數(shù)據(jù)進(jìn)行Bragg散射分量和非極化分量分解，指出在VV和HH極化數(shù)據(jù)中，海洋鋒、內(nèi)波等現(xiàn)象導(dǎo)致非極化分量的變化比交叉極化（VH和HV極化）更加明顯。但是截至目前，非極化分量的研究大多是理論分析，其應(yīng)用方面仍然缺乏深入的探討。

針對(duì)海洋鋒特征在SAR圖像中表現(xiàn)較弱這一問(wèn)題，本文針對(duì)雙極化（VV和HH極化）單視復(fù)圖像（Single-Look Complex image，SLC），提出基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法。將本文方法應(yīng)用于ALOS星載雙極化SLC數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了海洋鋒特征增強(qiáng)，充分說(shuō)明了本文方法的有效性。

2 基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法

基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法的流程如圖1所示。處理過(guò)程分為二個(gè)部分：預(yù)處理和非極化分量提取。下面對(duì)這二部分內(nèi)容分別進(jìn)行介紹。

圖1 海洋鋒特征增強(qiáng)流程圖Fig.1 Flow chart of oceanic front features enhancement

2.1 預(yù)處理

對(duì)雙極化SLC數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，將圖像的原始強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為歸一化雷達(dá)截面積（Normalized Radar Cross Section，NRCS）。對(duì)于不同的載荷來(lái)說(shuō)，其輻射定標(biāo)公式不同；對(duì)于同一載荷不同等級(jí)的產(chǎn)品，輻射定標(biāo)公式也不完全相同。對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)所用的ALOS PALSAR SLC來(lái)說(shuō)，輻射定標(biāo)公式為［14］：

其中：pp表示極化方式為pp極化的NRCS，I為SLC的實(shí)部，Q為SLC的虛部，CF為定標(biāo)因子，A表示換算系數(shù)。

由于SAR是一種相干雷達(dá)，所以其圖像含有較強(qiáng)的乘性相干斑噪聲［15-16］。為降低噪聲對(duì)后續(xù)處理的影響，通常采用經(jīng)典的Lee濾波進(jìn)行處理［17］。Lee濾波的一般表達(dá)式為［17］：

其中：(x，y)表示待濾波像素點(diǎn)的坐標(biāo)表示(x，y)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濾波后的NRCS，u是局部窗口的均值，w代表權(quán)重系數(shù)。局部窗口區(qū)域大小通常取奇數(shù)，因此其大小常表示為(2N+1)×(2M+1)，局部窗口區(qū)域的均值和方差計(jì)算公式如下：

其中，(x?N+i，y?M+j)表示局部區(qū)域像素坐標(biāo)，取值滿足1≤i≤2N+1，1≤j≤2M+1。權(quán)重系數(shù)w可以通過(guò)窗口及整幅圖像標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)計(jì)算得到：

其中，u I和varI分別表示全景圖像的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，實(shí)現(xiàn)VV和HH極化SAR圖像相干斑噪聲抑制，得到濾波后的VV和HH極化歸一化雷達(dá)截面積，為后續(xù)采用非極化分量提取方法增強(qiáng)海洋鋒特征奠定基礎(chǔ)。

2.2 非極化分量提取

σw b在VV和HH極化下表現(xiàn)相同，對(duì)雙極化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以提取σw b，以達(dá)到海洋鋒特征增強(qiáng)的目的。

非極化分量提取主要包括極化差PD的計(jì)算和Bragg散射極化比PRB的計(jì)算。極化差PD是VV和HH極化NRCS的差值，其結(jié)果不包含非極化分量，計(jì)算公式為：

極化比PR是HH和VV極化NRCS的比值，表示為：

對(duì)于僅含有Bragg散射的SAR數(shù)據(jù)，極化比是最小的；如果非極化分量占主導(dǎo)地位，那么極化比將接近1［12］。隨著極化數(shù)據(jù)在海洋上的大量應(yīng)用，極化比模型得到了深入研究，常用的極化比模型為［19］：

其中，θ是入射角，α是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。α=0時(shí)，式（9）表示Bragg散射極化比PRB：

結(jié)合式（6）、式（7）和式（10），可以實(shí)現(xiàn)非極化分量σwb的提取，計(jì)算公式為：

非極化分量σw b的提取可以有效的增強(qiáng)海洋鋒特征，最后得到海洋鋒特征增強(qiáng)后的圖像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，下面通過(guò)ALOS衛(wèi)星PALSAR獲取的SLC數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。本文選用的2景實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別獲取于2010年12月6日21：31：16和2010年11月30日21：07：58，地點(diǎn)分別位于挪威海和考愛(ài)海峽。下面將對(duì)挪威海海洋鋒和考愛(ài)海峽海洋鋒數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理分析。

3.1 挪威海海洋鋒實(shí)驗(yàn)

3.1.1 挪威海海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

挪威海海洋鋒VV和HH極化SAR圖像分別如圖2（a）和圖2（b）所示，經(jīng)過(guò)本文方法處理后得到的海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果如圖3所示。

圖2 海洋鋒雙極化SAR圖像Fig.2 Dual-polarized SAR images of oceanic front

圖3 海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果Fig.3 Enhancement results of oceanic front features

通過(guò)圖2（a）和圖2（b）可以看出，無(wú)論VV極化還是HH極化SAR圖像，海洋鋒特征都較弱。將圖3和圖2（a）、2進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)本文方法處理后，海洋鋒特征得到明顯的增強(qiáng)，海洋鋒與背景對(duì)比度更高。

3.1.2 挪威海海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了更加直觀地分析海洋鋒特征增強(qiáng)的效果，在圖2（a）、2和圖3中分別截取相同位置的剖面，剖面截取位置如圖4黃色直線所示，箭頭指向?yàn)槠拭娼厝》较?，?jì)算剖面的對(duì)比度，對(duì)比度計(jì)算公式為：其中：σy表示剖面位置y對(duì)應(yīng)的幅度值，-σy是剖面上所有幅度值的平均值。圖2（a）和圖2（b）海洋鋒剖面對(duì)比度分別如圖5（a）和圖5（b）所示，圖3對(duì)應(yīng)的海洋鋒剖面對(duì)比度如圖5（c）所示。

圖4 截取剖面位置示意圖Fig.4 Diagram of profile location

圖5 海洋鋒剖面對(duì)比度比較Fig.5 Comparison of oceanic front profiles contrast

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，VV和HH極化海洋鋒特征不明顯。經(jīng)過(guò)本文方法處理后，海洋鋒特征得到明顯的增強(qiáng)，與背景的對(duì)比度更高。

下面采用峰值-背景比和等效視數(shù)對(duì)海洋鋒特征增強(qiáng)的效果進(jìn)行定量分析。峰值-背景比（Peak-to-Background Ratio，PBR）用來(lái)表示海洋鋒特征增強(qiáng)的效果［20］：

其中(S)max表示剖面能量的最大值表示背景能量的均值，PBR越大海洋鋒特征越明顯。噪聲的衡量標(biāo)準(zhǔn)可以用等效視數(shù)（Equivalent Num?ber of Looks，ENL）來(lái)表示［21］，計(jì)算公式為：

其中μ表示圖像的均值，SD表示圖像的標(biāo)準(zhǔn)差，ENL越大表示噪聲水平越低。圖2（a）、2和圖3對(duì)應(yīng)的PBR和ENL對(duì)比如表1所示。

表1 PBR和ENL計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of PBR and ENL results

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)非極化分量提取的方法可以有效地增強(qiáng)海洋鋒特征，海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果的PBR和ENL均大于VV和HH極化圖像，其中PBR較VV和HH極化分別提升了28.15%和20.44%，ENL較VV和HH極化分別提升了42.26%和46.14%，說(shuō)明本文的方法有效增強(qiáng)海洋鋒特征。

3.2 考愛(ài)海峽海洋鋒實(shí)驗(yàn)

3.2.1 考愛(ài)海峽海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考愛(ài)海峽獲取的VV和HH極化的海洋鋒SAR圖像分別如圖6（a）和圖6（b）所示，本文方法處理的海洋鋒特征增強(qiáng)后的結(jié)果如圖7所示。

通過(guò)圖6（a）和圖6（b）可以發(fā)現(xiàn)，盡管HH極化下SAR圖像海洋鋒特征優(yōu)于VV極化，但是其特征仍然比較弱。經(jīng)過(guò)本文方法處理后，圖7所示的海洋鋒特征更加明顯。

圖6 海洋鋒雙極化SAR圖像Fig.6 Dual-polarized SAR images of oceanic front

圖7 海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果Fig.7 Enhancement results of ocean front features

3.2.2 考愛(ài)海峽海洋鋒實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)考愛(ài)海峽的海洋鋒SAR圖像，在圖6（a）、6（b）和圖7中分別截取相同位置的剖面計(jì)算對(duì)比度，其中截取的位置如圖8黃色直線所示，箭頭指向?yàn)槠拭娼厝》较?。得到圖6（a）和圖6（b）對(duì)應(yīng)的剖面對(duì)比度如圖9（a）和圖9（b）所示，圖7對(duì)應(yīng)的海洋鋒剖面對(duì)比度如圖9（c）所示。

圖8 截取剖面位置示意圖Fig.8 Diagram of profile location

對(duì)比圖9（a）、9（b）和圖9（c）可以發(fā)現(xiàn)，VV和HH極化海洋鋒特征較弱，采用本文的方法處理后海洋鋒特征得到明顯的增強(qiáng)。圖6（a）、6（b）和圖7對(duì)應(yīng)的PBR和ENL對(duì)比如表2所示。

圖9 海洋鋒剖面對(duì)比度比較Fig.9 Comparison of oceanic front profiles contrast

表2 PBR和ENL計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of PBR and ENL results

通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)非極化分量提取方法可以有效地增強(qiáng)海洋鋒特征，海洋鋒特征增強(qiáng)結(jié)果的PBR和ENL均大于VV和HH極化圖像，其中PBR較VV和HH極化分別提升了25.55%和17.55%，ENL較VV和HH極化分別提升了32.34%和36.01%，說(shuō)明本文的方法可以有效增強(qiáng)海洋鋒特征。

4 結(jié) 論

針對(duì)海洋鋒特征在SAR圖像中表現(xiàn)較弱這一問(wèn)題，本文針對(duì)雙極化（VV和HH極化）SLC，根據(jù)海洋鋒與海面背景散射機(jī)制的不同，提出一種基于非極化分量的SAR圖像海洋鋒特征增強(qiáng)方法。將本文的方法應(yīng)用于2景不同地點(diǎn)的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，并通過(guò)PBR和ENL二個(gè)參數(shù)進(jìn)行定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)本文方法處理后PBR較雙極化圖像可以提升15%以上，ENL較雙極化圖像可以提升30%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方法的有效性，為后續(xù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。