简缩极化SAR海洋溢油探测技术研究

Marine oil pollution can cause extensive damage to marine and terrestrial ecosystems. Timely and accurate detection of oil spill in the ocean is very important for protecting marine environment. Fully polarimetric synthetic aperture radar (SAR) can detect oil spill, while it's small swath (25 km) is not practical for opertional oil spill monitoring. Though single-polarization SAR is able to provide measurements with large swath, the image-intensity-based methods are limited in their ability to detect oil spill due to their dependence on empirical thresholds, traing samples, and ancillary data. Compact polarimetry is able to reduce the complexity, cost, mass and data rate of a SAR system while maintain many capabilityes of a fullly polarimetric system. Compact polarimetric SAR provides measurements with large swath (350~500 km) and medium resolution (50 m), which is feasible for oil spill monitoring from space. This project will investigate the possibility of oil spill detection with compact polarimetric SAR. We mainly focus on solving three crucial scientific issues: (1) improve the reconstruction accuracy of pseudo quad-polarization information from compact polarimetric SAR observations. (2) develop oil spill detection algorithm for compac polarimetric SAR. (3) distinguish oil spill and look-alike. Japanese L-band ALOS-2 and the Candian C-band RADARSAT Constellation Mission (RCM) SAR satellites will provide SAR measurements in compact polarimetric mode. Therefore, The results from this project are extremely meaningful for operational spaceborne SAR oil spill monitoring in the future.

海洋溢油能够严重破坏海洋和陆地生态系统。及时准确的溢油探测对于保护海洋环境至关重要。全极化SAR能够有效探测溢油，但缺点在于成像刈幅小(25公里)，不适合业务化海洋溢油监测。单极化SAR虽然可以提供宽刈副观测，然而其基于图像强度的溢油探测算法依赖于经验阈值、训练样本以及外部附加数据。简缩极化较全面保持了极化SAR信息，有效降低了对SAR系统复杂度及数据下传速率的要求。简缩极化SAR成像模式获取的中等分辨率的图像刈幅为300~500公里，适合业务化海洋溢油污染监测。本项目将研究简缩极化SAR溢油探测的可能性，主要解决三个科学问题：（1）改进简缩极化与伪全极化SAR数据重构精度。（2）发展简缩极化SAR溢油探测算法。（3）区分真实溢油与"疑似溢油"。日本和加拿大即将发射的L波段ALOS-2和C波段RCM，将提供简缩极化观测。本项目研究成果对于将来的星载SAR业务化海洋溢油监测具有重要意义。

简缩极化合成孔径雷达能够提供包含丰富极化散射信息的海面宽幅观测。传统的星载全极化合成孔径雷达的缺点是成像覆盖范围窄，因此简缩极化雷达独特的成像特点比较适合海洋溢油和石油平台的业务化监测。由于目前尚无星载业务化简缩极化雷达成像模式，我们使用C波段RADARSAT-2全极化数据模拟简缩极化雷达协方差矩阵元素，然后结合两种不同的重构算法计算伪全极化后向散射系数，并应用重构数据探测海洋溢油和石油平台。我们将不同风速和雷达入射角条件下重构的同极化和交叉极化后向散射与实际雷达观测进行了定量比较，发现二者比较一致。对于简缩极化海洋溢油数据重构，我们发现CTLR模式比PI/4模式重构交叉极化后向散射精度高，偏差为0.095 dB，均方根误差为0.419 dB。此外，我们发展了一个利用相对相位区分海洋溢油和清洁海面的非监督分类方法。相对相位是一个逻辑性标量门槛值，能够区分奇次散射和偶次散射。对于以奇次散射为主要散射机制的清洁海面，相对相位值为正值；对于以偶次散射为主要散射机制的溢油覆盖区域，相对相位为负值。我们利用机载海洋溢油光学观测验证了简缩极化海洋溢油探测结果。上述溢油探测方法提供了一种利用简缩极化成像模式数据探测海洋溢油和石油平台的新技术，可以应用于将来的雷达卫星星座提供的简缩极化成像模式观测。. 为了研究简缩极化海洋溢油探测的海洋动力环境条件，我们发展了星载全极化合成孔径雷达海面波浪和风场协同信息提取方法。该算法集成了全极化雷达风矢量和波浪场反演模型，同时考虑了海浪谱与雷达图像谱非线性映射关系，可以直接由全极化雷达观测获取海面风场和浪场要素。该方法不需要先验海况信息，它结合观测雷达图像谱和由交叉极化图像反演的风矢量计算风浪方向谱。观测雷达图形谱与风浪图像谱之间的差被解译为涌浪的贡献。由反演的海浪谱可以计算海浪特征参数如有效波高、波长、波向和波周期等。我们将由全极化雷达图像反演的风、浪参数与现场观测浮标测量进行了定量比较，结果表明全极化雷达观测可以用于同时获取海面风场和浪场等海洋动力环境参数。