Segmentation of PolSAR

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相关概念

微波

微波是指频率为300MHz−300GHz的电磁波, 即波长在1m(不含1m)~1mm间的电磁波.
微波的基本性质: 穿透, 反射, 吸收. 对于玻璃, 塑料和瓷器, 几乎呈现穿越而不吸收; 对于水和食物, 会被吸收, 并使物体发热; 对于金属类, 则会被反射.

雷达

真实孔径雷达(RAR)

真实孔径雷达(Real Aperture Radar)由一个实际天线在一个位置上接收同一地物回波信号的侧视雷达. 要提高其方位分辨率, 必须加大天线的孔径.

合成孔径雷达(SAR)

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种高分辨率成像雷达, 可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像.

SAR能够以真实的小孔径天线获得距离向(距离方向)和方位向(方位方向)双向高分辨率遥感成像.
它的基本原理是把很多小天线单元叠加在一起, 构成一个长长的天线. 它利用电子扫描的方式来代替机械式的天线单元辐射, 让小天线也能起到大天线的作用.

SAR的衍生产品

干涉合成孔径雷达(InSAR)

干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR或IfSAR)

InSAR这种测量方法使用两幅或多幅合成孔径雷达影像图, 根据卫星或飞机接收到的回波的相位差来生成数字高程模型或者地表形变图. 理论上此技术可以测量数日或数年间厘米级的地表形变, 可以用于自然灾害监测, 例如地震, 火山和滑坡, 以及结构工程尤其是沉降监测和结构稳定性.

极化合成孔径雷达(PolSAR)

极化合成孔径雷达(Polarimetric Synthetic Aperture Radar, PolSAR)

电磁波的传播和散射都是矢量现象, 而极化正是用来研究电磁波的这种矢量特征. 极化合成孔径雷达在不同收发极化组合下, 测量地物目标的极化散射特性, 并用极化散射矩阵的形式表示. 由于电磁波的极化对目标的介电常数, 物理特性, 几何形状和取向等比较敏感, 因而极化测量可以大大提高成像雷达对目标各种信息的获取能力.

极化干涉合成孔径雷达(Pol-InSAR)

极化干涉合成孔径雷达(Polarimetric Synthetic Aperture Radar Interferometry, Pol-InSAR)

极化干涉SAR是极化SAR与干涉SAR的结合, 充分利用了干涉观测量(相干性和干涉相位)随极化变化的特性, 既具有干涉SAR获取目标高程的能力, 又具有极化SAR对不同散射机理的分辨能力, 还具有提高干涉SAR相干性的能力以及提取体散射体(如森林, 农作物, 冰雪等)参数的潜力.

极化合成孔径雷达(PolSAR)原理

偏振与极化

Note: 偏振与极化的英文原文都是“polarization”, 在英文文献里, 偏振与极化两个术语通用, 都是使用同一个词汇来表达, 只有在中文文献里, 才有不同的用法. 一般来说, 偏振指的是任何波动朝着某特定方向振荡的性质, 而极化指的是各个带电粒子因正负电荷在空间里分离而产生的现象.

偏振

偏振（polarization）指的是波动能够朝着不同方向振荡的性质. 电磁波, 引力波都会展示出偏振现象. 传播于气体或液体的声波不会展示出偏振现象, 因为声波只会朝着传播方向振荡. 如下图所示, 拉伸细线可以展示出线偏振现象与圆偏振现象.

电磁波的电场与磁场彼此相互垂直. 按照常规, 电磁波的偏振方向指的是电场的偏振方向. 在自由空间里, 电磁波是以横波方式传播, 即电场与磁场又都垂直于电磁波的传播方向. 理论而言, 只要垂直于传播方向的方向, 振荡的电场可以呈任意方向. 假若电场的振荡只朝着单独一个方向, 则称此为“线偏振”或“平面偏振”；假若电场的振荡方向是以电磁波的波频率进行旋转动作, 并且电场矢量的矢端随着时间流逝勾绘出圆型, 则称此为“圆偏振”；假若勾绘出椭圆型, 则称此为“椭圆偏振”；对于这两个案例, 又可按照在任意位置朝着源头望去, 电场随时间流易而旋转的顺时针方向, 逆时针方向, 将圆偏振细分为“右旋圆偏振”, “左旋圆偏振”, 将椭圆偏振细分为“右旋椭圆偏振”, “左旋圆椭偏振”；这性质称为手征性.

更多参见: 维基百科:偏振.

极化

极化（polarization）, 指事物在一定条件下发生两极分化, 使其性质相对于原来状态有所偏离的现象. 如分子极化(偶极矩增大), 光子极化(偏振), 电极极化等. 表征均匀平面波的电场矢量（或磁场矢量）在空间指向变化的性质, 通过一给定点上正弦波的电场矢量E末端的轨迹来具体说明. 光学上称之为偏振. 按电场矢量轨迹的特点它可分为线极化, 圆极化和椭圆极化三种. 由于H的方向和E的方向之间有明确的关系, 因此没有必要另行描述H的特性.

与偏振类似, 极化可以分为线极化(又分为水平极化和垂直极化), 圆极化, 椭圆极化,如下图

对于平面电磁波, 极化是指垂直于电磁波传播方向的电场矢量的终端轨迹. 下图是三种极化的示意图:

更多参见: 百度百科:极化.

极化的特性

极化有以下特性:

• 依据发射和接收的极化方式, 可以有四种组合: HH, VV, HV, VH
• 与地表作用后, 电磁波的极化状态可能改变
• 后向散射通常为两种极化的混合
• 不同的地物反映出不同的极化特性

水平极化(Horizontal polarization): 电场矢量与入射面垂直.
垂直极化(Vertical polarization): 电场矢量与入射面平行.
同极化(like-polarized), e.g. HH, VV. 对研究土壤湿度, 船舶检测和区分水冰边界有利的是HH, 对研究作物和海浪有利的是VV.
交叉极化(cross-polarized), e.g. HV, VH. 它们对区别植被和非植被边界, 水体边界, 土壤湿度和表面粗糙度有利.

散射

散射是指由传播介质的不均匀性引起的电磁波向四周射出的现象.

地物目标对入射电磁波能量的反射过程称之为目标的散射机理. 在全极化SAR 成像过程中, 地物目标对不同极化状态下的入射电磁波将表现出不同的散射特性, 这种过程称为极化散射机理. 一般情况下, 极化散射机理主要包含四种基本的散射机理: 表面散射, 漫散射, 偶次散射以及体散射.

下图显示了4中散射机理

1. 表面散射
   表面散射又可称作单次散射(Single bounce scattering), 即电磁波反弹了一次. 常见的地物类型为平坦且光滑的地物, 如干涸的河床, 公路路面, 平静的水面, 光滑平正的岩石或荒地等.
   表面散射对应的归一化散射矩阵为:
   
   Ssingle=[SHHSVHSHVSVV]=[1001]

2. 漫散射

3. 偶次散射
   偶次散射又可称作双次散射(double bounce scattering), 即电磁波反弹了两次. 偶次散射模型的散射体通常由两个散射面构成且两个散射面互相垂直, 通常也称为二面角散射.
   其归一化散射矩阵为
   

   Sdouble=[SHHSVHSHVSVV]=[α001]
   
   其中
   
   α=ej2(γH−γV)(RVHRHHRVVRHV)
   
   γH和γV分别为水平极化和垂直极化电磁波的相位衰减.

4. 体散射

极化SAR数据处理

极化SAR数据的表示

多极化SAR获取的数据为2×2的矩阵.

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极化SAR分类与分割

一般包含两个过程：极化特征提取与分类器设计

一般有三种分类方法：
1. 基于统计模型的（Statistical-based）。如基于Wishart分布的
2. 基于电磁波散射机制的（scattering mechanism）。基于目标分解分解
3. 基于知识的（knowledge-based）。

面向对象（object-oriented）

参考文献