基于三成份分解的L和C波段PolSAR圖像自然目標(biāo)散射特性分析

蔡紅軍（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所智能情報處理實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥　230088）

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基于三成份分解的L和C波段PolSAR圖像自然目標(biāo)散射特性分析

蔡紅軍
（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所智能情報處理實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230088）

【摘 要】同一目標(biāo)在不同頻率及不同極化方式進(jìn)行雷達(dá)探測時具有不同的散射特性，因此不同波段PolSAR圖像能夠提供具有互補(bǔ)性和合作性的散射特征信息，本文基于三成份目標(biāo)分解模型，分析了L和C波段下的自然目標(biāo)散射特性。采用L波段和C波段PolSAR實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同波段下，由于波長的不同，造成了電磁波在森林中穿透深度的不同，從而引起散射成份的變化。

【關(guān)鍵詞】極化SAR多波段目標(biāo)分解散射特性

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar， SAR）作為一種主動式微波遙感成像傳感器，其優(yōu)勢是可以全天候、全天時地獲取信息。隨著多波段多極化SAR（Polarimetric Synthetic Aperture Radar， PolSAR）系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的多波段PolSAR數(shù)據(jù)可以被獲取。對于地面的同一個自然或人造目標(biāo)，由于其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、尺寸、指向、介電常數(shù)等參數(shù)的不同，在不同波段PolSAR圖像中會呈現(xiàn)不同的極化散射特性，因此不同波段SAR圖像提供的信息具有互補(bǔ)性和合作性，能夠更為全面地反映目標(biāo)特性［1］。因此，多波段目標(biāo)檢測和目標(biāo)物理參數(shù)提取在軍事和民用上都具有重要意義。PolSAR圖像極化目標(biāo)分解是把極化散射矩陣、極化相干矩陣或極化協(xié)方差矩陣表示成若干項(xiàng)不同的基本散射機(jī)理之和，每一項(xiàng)均對應(yīng)確定的物理意義。極化目標(biāo)分解是PolSAR圖像信息提取的重要手段，本文基于三成份目標(biāo)分解模型分析了L和C波段下自然目標(biāo)的散射特性［2］。

1　散射特性分析

對于自然目標(biāo)區(qū)域如森林區(qū)域，不同波長的雷達(dá)波在自然目標(biāo)區(qū)域會造成不同的穿透深度。森林穿透深度與波長成正比，而與冠層體積含水量成反比。

森林穿透深度和頻率有很大的關(guān)系。一般地，當(dāng)雷達(dá)波長小于C波段的雷達(dá)波長時，雷達(dá)波不能穿透植被，此時雷達(dá)回波信號主要來自植被區(qū)域的冠層散射。尤其在X波段下，雷達(dá)信號不能夠穿透植被體樹冠層，此時雷達(dá)回波信號可能只來自植被體表面；而當(dāng)雷達(dá)波長大于L波段的雷達(dá)波長時，雷達(dá)波則能夠穿透植被區(qū)域，此時雷達(dá)回波信號不僅有來自植被區(qū)域的冠層散射，還包括來自植被覆蓋下地面的散射及地面與植被相互作用的后向散射。對于P波段，其波長在0.3米到1米之間，具有非常強(qiáng)的植被冠層穿透能力。因此，利用P波段可以探測森林中的隱藏目標(biāo)。

不同的穿透深度會造成散射機(jī)理的變化，森林區(qū)域主要的散射機(jī)理包括奇次散射、偶次散射和體散射。在L波段下，雷達(dá)后向散射主要來自三種散射機(jī)理：地面的奇次散射，冠層的體散射和地面-樹干的偶次散射。而在C波段下，雷達(dá)后向散射主要來自兩種散射機(jī)理：冠層頂部的奇次散射和體散射。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1　實(shí)驗(yàn)區(qū)域散射成份散射功率對比

2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

多波段PolSAR自然目標(biāo)散射特性分析采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要為L波段全極化ALOS PALSAR數(shù)據(jù)和C波段全極化RADARSAT-2數(shù)據(jù)，這兩組數(shù)據(jù)獲取時間分別是2009年3月和2010年4月，實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)榧幽么舐嵬邪褪∧喜康貐^(qū)。日本ALOS PALSAR全極化模式下的單視圖像的空間分辨率為30×10m。加拿大RADARSAT-2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)全極化模式下的單視圖像的空間分辨率為13.5×7.6m。實(shí)驗(yàn)區(qū)域主要包括草地、森林和農(nóng)田等。

2.2結(jié)果分析

三成份目標(biāo)分解模型把散射功率分解為奇次散射、偶次散射和體散射三部分，利用三成份目標(biāo)分解模型對所選實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。表1揭示了L和C波段下各散射成份占總功率的大小，對比了L和C波段下散射成份功率的變化。從表1可知，在L波段中，主要散射成份為來自地表的奇次散射，而在C波段森林區(qū)域中，體散射是主要的散射成份。

從表1可以看出，在森林區(qū)域奇次散射和體散射是主要的散射成份，在L波段，來自地表的奇次散射為主要的散射成份，而在C波段，由于雷達(dá)波穿透性降低，體散射為主要散射成份。同時，由于真實(shí)觀測數(shù)據(jù)中森林區(qū)域的地面主要為草地，破壞了光滑地面-樹干的偶次散射強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致L波段下偶次散射成份較低。

3　結(jié)語

本文分析了L和C波段下自然目標(biāo)散射特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出由于穿透性的不同，造成散射成份的變化。并借助于三成份目標(biāo)分解模型，利用L波段和C波段PolSAR實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。因此，多波段PolSAR系統(tǒng)可以通過散射成份的變化更完整地揭示目標(biāo)的各種物理屬性，從而為后續(xù)圖像處理提供更多有效信息。

參考文獻(xiàn)：

［1］Bin Zou， Hongjun Cai， Wooil Moon， et al. Target detection based on L- and C-band PolSAR data［C］.Proc. of IGARSS 2011，Vancouver， Canada， 24-29 July， 2011，397-400.

［2］Freeman A， Durden S L. A three-component scattering model for polarimetric SAR data［J］.IEEE Trans. Geosci. Remote Sens.，1998， 36（3）:963-973.

作者簡介：蔡紅軍（1982—），男，河南商丘人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)圖像處理，雷達(dá)目標(biāo)識別。