基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法

基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法 Enhancement method of oceanic front features in SAR images based on nonpolarized components 1 2 3 first-author 赵亚威（1995-），男，山东曲阜人，博士研究生，2017年于中国矿业大学获得学士学位，主要从事SAR海洋成像、极化SAR等方面的研究。E-mail：zhaoyawei17@mails.ucas.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422427&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422432&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422429&type= 22.01336670 32.00396729 赵亚威 （1995-），男，山东曲阜人，博士研究生，2017年于中国矿业大学获得学士学位，主要从事SAR海洋成像、极化SAR等方面的研究。E-mail： zhaoyawei17@mails.ucas.ac.cn zhaoyawei17@mails.ucas.ac.cn 1 2 3 1 2 corresp E-mail： iecas_chong@163.com E-mail： iecas_chong@163.com iecas_chong@163.com 中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094 中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094 Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100094， China 微波成像技术国家级重点实验室，北京 100190 微波成像技术国家级重点实验室，北京 100190 National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology， Beijing 100190， China National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology， Beijing 100190， China 中国科学院大学，北京 100049 中国科学院大学，北京 100049 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China 受到海面整体运动、海面后向散射系数相对低以及海况的影响，海洋锋特征在SAR图像中表现较弱，给后续的应用带来困难，亟需开展海洋锋特征增强方法的研究。SAR海面回波可以分解成Bragg散射分量和非极化分量，本文提出了一种基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法。首先对双极化（VV和HH极化）数据进行辐射定标，为解决非极化分量提取过程中噪声增强的问题，对定标结果进行滤波；然后计算Bragg散射极化比；最后借助于极化差和极化比提取非极化分量，实现海洋锋特征增强。本文使用ALOS PALSAR数据进行处理验证，并通过计算峰值-背景比（PBR）和等效视数（ENL）进行定量分析。实验结果表明，经过本文方法处理后PBR较双极化图像可以提升15%以上，ENL较双极化图像可以提升30%以上。实验结果证明了方法的有效性，为后续的应用奠定基础。 Owing to the sea surface motion， relatively low NRCS of the sea surface， and influence of the sea state， the oceanic front features in SAR images tend to be weak； this causes difficulties in subsequent applications. Therefore， it is imperative to develop methods for enhancing oceanic front features. The sea surface echoes received by SAR can be decomposed into Bragg scattering components and nonpolarized components. This paper proposes a method for enhancing oceanic front features based on these nonpolarized components. First， dual co-polarization （VV and HH） radar data are calibrated. To address the problem of noise enhancement during the extraction of nonpolarized components， the calibrated results are filtered. Subsequently， we calculate the Bragg model polarization ratio. Finally， the nonpolarized components are extracted based on the polarization difference and polarization ratio to enhance the oceanic front features. In this study， the ALOS PALSAR data are processed. Quantitative analyses are performed by calculating the peak-to-background ratio （PBR） and the equivalent number of looks （ENL）. The experimental results indicate that the PBR increased by more than 15% and the ENL increased by more than 30%， as compared with those for dual-polarization images. These experimental results prove the effectiveness of the proposed method， serving as the basis for subsequent applications. 海洋锋 非极化分量 特征增强 oceanic front nonpolarized components features enhancement 1 引　言 1 海洋锋是指海洋中性质明显不同的两种或多种水体之间的狭窄过渡带 ［ 1 1 ］ ，海洋锋的研究在海洋渔业、军事、海上救援等方面具有重要意义 ［ 2 2 ］ 。合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）凭借其全天时、全天候、探测范围广的优势 ［ 3 3 ， 4 4 ］ ，广泛应用于海洋遥感领域，是海洋锋观测的重要传感器。 受海面整体运动、海面后向散射系数相对低以及海况的影响，海洋锋在SAR图像中特征较弱，给后续应用带来困难，亟需开展海洋锋特征增强方法的研究。常规的图像增强方法大多基于像素点的灰度值进行处理，这些方法对噪声较为敏感，而SAR图像中具有较强的相干斑噪声，往往不能有效地对“有用”区域进行增强 ［ 5 5 ］ 。在SAR图像海洋锋的研究中，通常使用滤波的手段进行预处理 ［ 6 6 ， 7 7 ］ ，以提升海洋锋特征。 相比于上述传统图像增强及单极化SAR数据滤波方法，多极化SAR数据进行海洋锋特征增强能够获得更加丰富的目标散射信息。多极化SAR数据能够有效区分不同类型散射机制的贡献 ［ 8 8 ］ ，根据散射机制的不同可以实现海洋锋特征增强。Phillips ［ 9 9 ］ 首次将海洋表面回波分解为Bragg散射分量和非极化分量（Nonpolarized，NP）。Kudryavtsev等 ［ 10 10 - 12 12 10-12 ］ 使用RADARSAT-2双极化数据针对非极化分量开展研究，证明非极化分量能够很好的表征海洋锋现象。Fan等 ［ 13 13 ］ 对RADARSAT-2全极化数据进行Bragg散射分量和非极化分量分解，指出在VV和HH极化数据中，海洋锋、内波等现象导致非极化分量的变化比交叉极化（VH和HV极化）更加明显。但是截至目前，非极化分量的研究大多是理论分析，其应用方面仍然缺乏深入的探讨。 针对海洋锋特征在SAR图像中表现较弱这一问题，本文针对双极化（VV和HH极化）单视复图像（Single-Look Complex image，SLC），提出基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法。将本文方法应用于ALOS星载双极化SLC数据，实现了海洋锋特征增强，充分说明了本文方法的有效性。 2 基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法 1 基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法的流程如 图 1 图 1 所示。处理过程分为二个部分：预处理和非极化分量提取。下面对这二部分内容分别进行介绍。 2.1　预处理 2 对双极化SLC数据进行辐射定标，将图像的原始强度转换为归一化雷达截面积（Normalized Radar Cross Section，NRCS）。对于不同的载荷来说，其辐射定标公式不同；对于同一载荷不同等级的产品，辐射定标公式也不完全相同。对于本文实验所用的ALOS PALSAR SLC来说，辐射定标公式为 ［ 14 14 ］ ： <math display="block" id="M1"><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mfenced separators="|"><mrow><msup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">Q</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfenced><mi mathvariant="normal">*</mi><msup><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow><mrow><mfrac><mrow><mi>C</mi><mi>F</mi><mo>-</mo><mi>A</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">10</mn></mrow></mfrac></mrow></msup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422442&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422440&type= 37.33800125 6.18066692 ， 其中： <math id="M2"><mi>p</mi><mi>p</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422456&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422454&type= 3.64066648 3.64066648 表示极化方式， <math id="M3"><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422451&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422448&type= 4.23333359 3.97933316 为 <math id="M4"><mi>p</mi><mi>p</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422456&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422454&type= 3.64066648 3.64066648 极化的NRCS， <math id="M5"><mi mathvariant="bold-italic">I</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422460&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422458&type= 1.43933344 2.79399991 为SLC的实部， <math id="M6"><mi mathvariant="bold-italic">Q</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422464&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422462&type= 2.96333337 3.13266683 为SLC的虚部， <math id="M7"><mi>C</mi><mi>F</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422468&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422466&type= 5.07999992 2.79399991 为定标因子， <math id="M8"><mi>A</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422473&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422471&type= 2.87866688 2.79399991 表示换算系数。 由于SAR是一种相干雷达，所以其图像含有较强的乘性相干斑噪声 ［ 15 15 - 16 16 15-16 ］ 。为降低噪声对后续处理的影响，通常采用经典的Lee滤波进行处理 ［ 17 17 ］ 。Lee滤波的一般表达式为 ［ 17 17 ］ ： <math display="block" id="M9"><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced><mo>=</mo><mi>u</mi><mo>+</mo><mi>w</mi><mfenced separators="|"><mrow><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced><mo>-</mo><mi>u</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422477&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422476&type= 51.56200027 5.58799982 ， 其中： <math id="M10"><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422491&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422487&type= 8.21266651 4.82600021 表示待滤波像素点的坐标， <math id="M11"><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422485&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422483&type= 13.12333298 4.82600021 表示 <math id="M12"><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422491&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422487&type= 8.21266651 4.82600021 像素点对应的滤波后的NRCS， <math id="M13"><mi>u</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422494&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422493&type= 1.86266661 2.79399991 是局部窗口的均值， <math id="M14"><mi>w</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422496&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422495&type= 2.96333337 2.79399991 代表权重系数。局部窗口区域大小通常取奇数，因此其大小常表示为 <math id="M15"><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced><mo>×</mo><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>M</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422498&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422497&type= 34.29000092 4.06400013 ，局部窗口区域的均值和方差计算公式如下： <math display="block" id="M16"><mi>u</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>M</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></munderover></mstyle><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>M</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></munderover></mstyle><mrow><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mfenced separators="|"><mrow><mi>x</mi><mo>-</mo><mi>N</mi><mo>+</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>y</mi><mo>-</mo><mi>M</mi><mo>+</mo><mi>j</mi></mrow></mfenced></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422500&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422499&type= 93.47200012 8.89000034 ， <math display="block" id="M17"><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>M</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></mfenced></mrow></mfrac><msup><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></munderover></mstyle><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo largeop="true">∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>M</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></munderover></mstyle><mrow><mfenced 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http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422503&type= 36.66066742 4.82600021 表示局部区域像素坐标，取值满足 <math id="M19"><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>≤</mo><mi>i</mi><mo>≤</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>N</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1,1</mn><mo>≤</mo><mi>j</mi><mo>≤</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi>M</mi><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">1</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422506&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422505&type= 50.54600143 3.89466691 。权重系数 <math id="M20"><mi>w</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422508&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422507&type= 2.96333337 2.79399991 可以通过窗口及整幅图像标准差系数计算得到： <math display="block" id="M21"><mi>w</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><msup><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mrow></mrow><mrow><mrow><mrow><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow><mrow><mi>I</mi></mrow></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msubsup><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>I</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow></mrow></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422510&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422509&type= 26.41600037 8.97466660 ， 其中， <math id="M22"><msub><mrow><mi>u</mi></mrow><mrow><mi>I</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422512&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422511&type= 2.70933342 3.72533321 和 <math id="M23"><mi mathvariant="normal">v</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><msub><mrow><mi mathvariant="normal">r</mi></mrow><mrow><mi>I</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422514&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422513&type= 5.58799982 3.72533321 分别表示全景图像的均值和标准差。 经过预处理后，实现VV和HH极化SAR图像相干斑噪声抑制，得到滤波后的VV和HH极化归一化雷达截面积 <math id="M24"><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">V</mi><mi mathvariant="bold-italic">V</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422516&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422515&type= 5.33400011 3.97933316 和 <math id="M25"><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">H</mi><mi mathvariant="bold-italic">H</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422518&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422517&type= 5.41866684 3.97933316 ，为后续采用非极化分量提取方法增强海洋锋特征奠定基础。 2.2　非极化分量提取 2 <math id="M26"><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422520&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422519&type= 4.23333359 3.97933316 可以分解为Bragg散射分量 <math id="M27"><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422522&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422521&type= 4.57200003 3.97933316 和非极化分量 <math id="M28"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422578&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422576&type= 4.82600021 3.72533321 ［ 18 18 ］ ，即： <math display="block" id="M29"><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">p</mi><mi mathvariant="bold-italic">p</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422527&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422526&type= 23.45266724 4.06400013 ， <math id="M30"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422578&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422576&type= 4.82600021 3.72533321 在VV和HH极化下表现相同，对双极化数据进行处理可以提取 <math id="M31"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422578&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422576&type= 4.82600021 3.72533321 ，以达到海洋锋特征增强的目的。 非极化分量提取主要包括极化差 <math id="M32"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">D</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422539&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422537&type= 5.24933338 2.79399991 的计算和Bragg散射极化比 <math id="M33"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422562&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422560&type= 6.51933336 3.72533321 的计算。极化差 <math id="M34"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">D</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422539&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422537&type= 5.24933338 2.79399991 是VV和HH极化NRCS的差值，其结果不包含非极化分量，计算公式为： <math display="block" id="M35"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">D</mi><mo>≡</mo><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">V</mi><mi mathvariant="bold-italic">V</mi></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">H</mi><mi mathvariant="bold-italic">H</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">V</mi><mi mathvariant="bold-italic">V</mi></mrow></msubsup><mo>-</mo><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">H</mi><mi mathvariant="bold-italic">H</mi></mrow></msubsup></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422542&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422541&type= 45.97399902 3.97933316 . 极化比 <math id="M36"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422544&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422543&type= 4.99533367 2.79399991 是HH和VV极化NRCS的比值，表示为： <math display="block" id="M37"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">H</mi><mi mathvariant="bold-italic">H</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">V</mi><mi mathvariant="bold-italic">V</mi></mrow></msubsup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422546&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422545&type= 16.42533302 8.46666718 . 对于仅含有Bragg散射的SAR数据，极化比是最小的；如果非极化分量占主导地位，那么极化比将接近1 ［ 12 12 ］ 。随着极化数据在海洋上的大量应用，极化比模型得到了深入研究，常用的极化比模型为 ［ 19 19 ］ ： <math display="block" id="M38"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mi>α</mi><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><msup><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="bold-italic">θ</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><msup><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="bold-italic">θ</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422548&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422547&type= 32.08866501 11.34533310 ， 其中， <math id="M39"><mi mathvariant="bold-italic">θ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422552&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422550&type= 1.94733346 2.79399991 是入射角， <math id="M40"><mi>α</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422555&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422553&type= 1.94733346 2.79399991 是经验参数。 <math id="M41"><mi>α</mi><mo>=</mo><mn mathvariant="normal">0</mn></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422559&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422557&type= 8.55133343 2.79399991 时， 式（9） 式（9） 表示Bragg散射极化比 <math id="M42"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422562&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422560&type= 6.51933336 3.72533321 ： <math display="block" id="M43"><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">H</mi><mi mathvariant="bold-italic">H</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">V</mi><mi mathvariant="bold-italic">V</mi></mrow></msubsup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow><mrow><msup><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>+</mo><mn mathvariant="normal">2</mn><mi mathvariant="normal">t</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><msup><mrow><mi mathvariant="normal">n</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup><mi mathvariant="bold-italic">θ</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422566&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422564&type= 45.88933182 10.15999985 . 结合 式（6） 式（6） 、 式（7） 式（7） 和 式（10） 式（10） ，可以实现非极化分量 <math id="M44"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422578&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422576&type= 4.82600021 3.72533321 的提取，计算公式为： <math display="block" id="M45"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mrow><mover accent="true"><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi><mo>̂</mo></mover></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">V</mi><mi mathvariant="bold-italic">V</mi></mrow></msubsup><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><mi mathvariant="bold-italic">D</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><mi mathvariant="bold-italic">P</mi><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">R</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">B</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422574&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422572&type= 34.03599930 8.46666718 . 非极化分量 <math id="M46"><msub><mrow><mi mathvariant="bold-italic">σ</mi></mrow><mrow><mi mathvariant="bold-italic">w</mi><mi mathvariant="bold-italic">b</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422578&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422576&type= 4.82600021 3.72533321 的提取可以有效的增强海洋锋特征，最后得到海洋锋特征增强后的图像。 3 实验结果与分析 1 为了验证本文方法的有效性，下面通过ALOS卫星PALSAR获取的SLC数据进行处理分析。本文选用的2景实验数据分别获取于2010年12月6日21：31：16和2010年11月30日21：07：58，地点分别位于挪威海和考爱海峡。下面将对挪威海海洋锋和考爱海峡海洋锋数据分别进行处理分析。 3.1　挪威海海洋锋实验 2 3 . 1 . 1　挪威海海洋锋实验结果 3 挪威海海洋锋VV和HH极化SAR图像分别如 图2 图2 （a）和 图2 图2 （b）所示，经过本文方法处理后得到的海洋锋特征增强结果如 图3 图3 所示。 1;2; 通过 图2 图2 （a）和 图2 图2 （b）可以看出，无论VV极化还是HH极化SAR图像，海洋锋特征都较弱。将 图3 图3 和图 2（a） 2（a） 、 2 2 进行对比可以发现，经过本文方法处理后，海洋锋特征得到明显的增强，海洋锋与背景对比度更高。 3 . 1 . 2　挪威海海洋锋实验结果分析 3 为了更加直观地分析海洋锋特征增强的效果，在图 2（a） 2（a） 、 2 2 和 图3 图3 中分别截取相同位置的剖面，剖面截取位置如 图4 图4 黄色直线所示，箭头指向为剖面截取方向，计算剖面的对比度，对比度计算公式为： <math display="block" id="M47"><mi>C</mi><mi>R</mi><mo>=</mo><mrow><mrow><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>y</mi></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mrow><mover><mrow><mi>σ</mi></mrow><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>y</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mrow><mover><mrow><mi>σ</mi></mrow><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>y</mi></mrow></msub></mrow></mrow></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422605&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422603&type= 30.47999954 5.67266655 ， 其中： <math id="M48"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>y</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422611&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422608&type= 2.87866688 3.72533321 表示剖面位置 <math id="M49"><mi>y</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422616&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422614&type= 1.86266661 3.72533321 对应的幅度值， <math id="M50"><msub><mrow><mover><mrow><mi>σ</mi></mrow><mo>¯</mo></mover></mrow><mrow><mi>y</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422622&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422619&type= 3.21733332 4.40266657 是剖面上所有幅度值的平均值。 图2 图2 （a）和 图2 图2 （b）海洋锋剖面对比度分别如 图5 图5 （a）和 图5 图5 （b）所示， 图3 图3 对应的海洋锋剖面对比度如 图5 图5 （c）所示。 1;2;3; 对比发现，VV和HH极化海洋锋特征不明显。经过本文方法处理后，海洋锋特征得到明显的增强，与背景的对比度更高。 下面采用峰值-背景比和等效视数对海洋锋特征增强的效果进行定量分析。峰值-背景比（Peak-to-Background Ratio，PBR）用来表示海洋锋特征增强的效果 ［ 20 20 ］ ： <math display="block" id="M51"><mi mathvariant="normal">P</mi><mi mathvariant="normal">B</mi><mi mathvariant="normal">R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mi>S</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422669&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422666&type= 22.26733208 11.00666618 ， 其中 <math id="M52"><msub><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mi>S</mi></mrow></mfenced></mrow><mrow><mi mathvariant="normal">m</mi><mi mathvariant="normal">a</mi><mi mathvariant="normal">x</mi></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422675&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422672&type= 8.72066593 4.99533367 表示剖面能量的最大值， <math id="M53"><mfenced open="<" close=">" separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>S</mi></mrow><mrow><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422679&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422677&type= 6.43466663 4.91066647 表示背景能量的均值，PBR越大海洋锋特征越明显。噪声的衡量标准可以用等效视数（Equivalent Number of Looks，ENL）来表示 ［ 21 21 ］ ，计算公式为： <math display="block" id="M54"><mi mathvariant="normal">E</mi><mi mathvariant="normal">N</mi><mi mathvariant="normal">L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mi>μ</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><mi>S</mi><msup><mrow><mi>D</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422685&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422682&type= 19.89666748 8.04333401 ， 其中 <math id="M55"><mi>μ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422691&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422688&type= 1.94733346 3.64066648 表示图像的均值， <math id="M56"><mi>S</mi><mi>D</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422697&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=17422694&type= 4.99533367 2.79399991 表示图像的标准差，ENL越大表示噪声水平越低。图 2（a） 2（a） 、 2 2 和 图3 图3 对应的PBR和ENL对比如 表1 表1 所示。 VV极化 HH极化 海洋锋特征 增强结果 PBR 2.373 2 2.525 1 3.041 2 ENL 1.687 4 1.642 6 2.400 5 通过 表1 表1 可以发现，通过非极化分量提取的方法可以有效地增强海洋锋特征，海洋锋特征增强结果的PBR和ENL均大于VV和HH极化图像，其中PBR较VV和HH极化分别提升了28.15%和20.44%，ENL较VV和HH极化分别提升了42.26%和46.14%，说明本文的方法有效增强海洋锋特征。 3.2　考爱海峡海洋锋实验 2 3 . 2 . 1　考爱海峡海洋锋实验结果 3 考爱海峡获取的VV和HH极化的海洋锋SAR图像分别如 图6 图6 （a）和 图6 图6 （b）所示，本文方法处理的海洋锋特征增强后的结果如 图7 图7 所示。 1;2; 通过 图6 图6 （a）和 图6 图6 （b）可以发现，尽管HH极化下SAR图像海洋锋特征优于VV极化，但是其特征仍然比较弱。经过本文方法处理后， 图7 图7 所示的海洋锋特征更加明显。 3 . 2 . 2　考爱海峡海洋锋实验结果分析 3 针对考爱海峡的海洋锋SAR图像，在图 6（a） 6（a） 、 6（b） 6（b） 和 图7 图7 中分别截取相同位置的剖面计算对比度，其中截取的位置如 图8 图8 黄色直线所示，箭头指向为剖面截取方向。得到 图6 图6 （a）和 图6 图6 （b）对应的剖面对比度如 图9 图9 （a）和 图9 图9 （b）所示， 图7 图7 对应的海洋锋剖面对比度如 图9 图9 （c）所示。 1;2;3; 对比图 9（a） 9（a） 、 9（b） 9（b） 和 图9 图9 （c）可以发现，VV和HH极化海洋锋特征较弱，采用本文的方法处理后海洋锋特征得到明显的增强。图 6（a） 6（a） 、 6（b） 6（b） 和 图7 图7 对应的PBR和ENL对比如 表2 表2 所示。 VV极化 HH极化 增强结果 PBR 2.289 9 2.445 6 2.874 9 ENL 1.882 6 1.831 8 2.491 5 通过 表2 表2 可以发现，通过非极化分量提取方法可以有效地增强海洋锋特征，海洋锋特征增强结果的PBR和ENL均大于VV和HH极化图像，其中PBR较VV和HH极化分别提升了25.55%和17.55%，ENL较VV和HH极化分别提升了32.34%和36.01%，说明本文的方法可以有效增强海洋锋特征。 4 结　论 1 针对海洋锋特征在SAR图像中表现较弱这一问题，本文针对双极化（VV和HH极化）SLC，根据海洋锋与海面背景散射机制的不同，提出一种基于非极化分量的SAR图像海洋锋特征增强方法。将本文的方法应用于2景不同地点的ALOS PALSAR数据，并通过PBR和ENL二个参数进行定量分析。实验结果表明，经过本文方法处理后PBR较双极化图像可以提升15%以上，ENL较双极化图像可以提升30%以上。实验结果证明了方法的有效性，为后续的应用奠定基础。 参考文献 BELKIN I M ， CORNILLON P C ， SHERMAN K . 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