合成孔径雷达海上溢油与小目标检测方法与应用

1 绪论
　　1.1 海上溢油与小目标检测研究背景和意义
　　1.1.1 海上溢油检测研究背景和意义
　　蓝色海洋是地球*宝贵的资源，如果没有海洋，地球将成为荒芜的星球。海洋是生命的摇篮，不仅占据地球表面积的71%，还蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源、动力资源、交通资源、医药资源和海水资源等。海洋对人类居住的地球环境和气候有着巨大调节作用，已成为地球生命支持系统的重要组成部分。然而自20世纪50年代以来，随着各国社会生产力和科学技术的迅猛发展，海洋受到了来自各方面不同程度的污染和破坏，日益严重的污染给人类的生存和发展带来了极为不利的后果。海洋污染主要发生在靠近大陆的海湾，密集的人口和工业，大量的废水和固体废物倾入海水，加上海岸曲折造成水流交换不畅，使得海水的温度、PH、含盐量、透明度、生物种类和数量等性状发生改变，对海洋生态平衡构成危害。目前，海洋污染主要来自石油污染、赤潮、有毒物质累积、塑料污染和核污染等几个方面，其中石油污染较常见且影响严重。海洋石油污染主要有两个来源：一个是天然来源，主要来自生物代谢、死亡分解和海底石油渗漏等；另一个是因人类活动产生，以船舶运输、海上油气开采及沿岸工业排污为主。其中船舶泄漏是石油污染的主要来源，据国际油轮船东防污联合会（ITOPF）统计，1970～2015年，各起油轮事故导致总溢油量约为586x104t，溢油事故发生次数统计如图1.1所示。虽然几十年来油轮的溢油事故有很大改善，但是只要发生海上溢油事件，就会给人类的生产生活和海洋环境生态带来严重危害。要保护好海洋环境，除了加强海洋石油开发活动和海上运输管理，减少意外溢油事故的发生外，同时还要加强对海上溢油的监测，提高对海上溢油事件的应急反应能力和溢油治理能力。现阶段，全国范围内的各海事部门对海上污染的监管主要依靠群众举报、到港检查记录以及定时或不定时的驾船巡视等方式。这些原始手段严重制约了海上溢油污染事故的有效监管，以及对溢油事故及时准确的处理和应急反应，给偷排废油的违法船舶以可乘之机。因此，运用现代化的监测手段和技术，实现监测点和船舶周围全天候、实时、高效的监测，对海洋环境监管、违规行为发现和海洋环境保护是非常必要的。目前，通过合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar， SAR）图像监控海上溢油已经成为一种普遍可行的方法，海面油膜能够降低海面粗糙度，使雷达的Bragg波衰减，造成油膜在SAR图像上一般表现为较暗的区域。然而，该暗区也可能是由“类油膜”所致（低风速海面、海藻区域、漩涡、暗流等），这就给油膜的识别带来了难度。所以，将油膜和类油膜区别开来，是溢油监测的关键问题，也是溢油识别中的一个难点。
　　图1.1 1970～2015年各年代（十年）中型（7？700t）和大型（>700t）的溢油事故发生次数统计图
　　1.1.2 海上小目标检测研究背景和思义
　　海上小目标检测在海洋安全、海事搜救、监控非法行为等方面都具有很重要的应用价值。在海洋安全方面，它是当前和今后长时期内中国国家安全的重心。海上小目标的监视与跟踪是国土安全防卫的重要内容，如掠海飞行的巡航导弹或小飞机、海浪中航行的小艇、处于潜望状态航行的潜艇等。在海事搜救方面，随着海上活动的数量和密度不断加大，发生海上突发事件的概率及其复杂性随之增加，近几年已发生多起海域坠机、船舶遇险、石油泄漏、危险品集装箱坠海、人员失踪等突发事件。如果能够快速准确地发现海上目标，那么海上搜救工作便能够及时有效地实施，事故损失可以*大限度地减少，人民生命财产安全也将得到保障。在监控非法行为方面，船舶未按规定停靠、偷排废油、非法釆沙、违章捕捞和水资源占用等非法行为时有发生。海上不比陆地，海洋违规行为的调查与取证难度较大，为了提高管理效率，及时发现违法行为，同时也为海洋管理决策提供科学依据，因此快速准确地进行目标检测是非常必要的。
　　海杂波是雷达发射信号照射到局部海平面产生的后向散射回波，可以根据海杂波中包含的目标回波来检测和识别目标。海风、海流、海浪、潮汐等都会影响海杂波的生成，使得海杂波产生机理非常复杂。海杂波不仅频谱形状不规则，而且回波幅度起伏分布很难确切表示，严重影响了目标散射回波的特征。如海上的小漂浮物、高海况下的小舰船和浮冰等海上目标的雷达散射截面积（radar cross section，RCS）小，回波受风、浪等各种因素影响信噪比低，进行目标检测时，雷达经常会出现虚警和漏警情况，因此寻找准确高效的海上小目标检测方法和算法，对提高海上弱小目标的检测能力十分必要，并已经成为目前雷达探测领域的热点研究问题。
　　1.2 海上溢油与小目标检测研究进展
　　1.2.1 海上溢油检测研究进展
　　近几年很多学者通过使用可见光、红外、高光谱、雷达等遥感传感器来实现海上溢油检测，并取得了一定的成果（Fingas and Brown，2014）。
　　1.可见光遥感技术
　　不同物质在可见光谱中具有不同的反射率，在可见光区域的电磁波谱（400～700 nm）范围内石油的表面反射率高于水，根据这种光谱特征的差异性可以区别油膜和海水。早在1969年美国就使用机载可见光扫描仪对井喷引起的溢油污染进行了监测，并且取得较好的效果（张煜洲等，2013）。White (1981）利用多种航空、卫星平台的可见光、近红外传感器对海上溢油的光谱特征进行了大量的研究。赵冬至和丛丕福（2000）通过实验分析获得了多种原油的可见光光谱特征差异，可用于油膜识别和厚度估算。但是这种特征差异受传感器自身的观测角度、油膜的种类和厚度、大气散射和水面波浪反射等因素影响，只有当传感器垂直观测时检测效果才*佳。蓝、绿光波段在较清洁的海水中是敏感波段，但是在较为浑浊的海水中，*佳波段则变为绿、红光波段（陆应诚等，2011）。Taylor (1992）对原油光谱进行了实验研究，发现没有明显的光谱特征差异性，而且存在大量干扰或虚假信息。因此，对于海上溢油检测，独立特定的可见光光谱区域的检测能力较弱，但它是一种较为经济的观测手段。
　　2.红外遥感技术
　　一定光学厚度的油会吸收太阳辐射，并以热能的形式释放一部分吸收的辐射，主要发射波长为8～14pm (李四海，2004）。由于油的红外发射率高于水，因此可以使用这种特性来探测油膜。Pinel和Bourlier (2009）使用经典的几何光学近似作为接口，分析了清洁海水和油膜的红外发射率。陈澎等（2013）在2010年7月16日大连发生的溢油事故中使用机载红外传感器（3.0～5.0mm）对事故海域进行了现场监测，识别了海面油膜并分析了油膜的相对厚度。在热红外图像上，“热”特征体现在厚油膜中，“冷”特征体现在中等厚度油膜中，而薄油膜无法被探测，因此红外遥感探测溢油的能力具有一定局限性。相关学者已经证明油膜厚度在50～150pm的可发生冷热转换，且*小探测厚度为20～70pm (Fingas and Brown，2011）。红外传感器无法检测乳化溢油，主要原因是乳化油包含50%～70%的水，具有高导热系数，不能体现出与周围水域的温度差异（Bolus，1996）。
　　3.紫外遥感技术
　　油膜在紫外光区域内有很高的反射率，反射率的差异大小由油种和油膜厚度决定，因此可以使用紫外传感器来探测油膜和获得油膜厚度（Fingas and Brown，2011；方四安等，2010）。通过紫外和红外图像的结合，可以估算油膜的相对厚度。但是紫外遥感数据容易受到海面亮斑、太阳耀斑和海面浮游生物等因素干扰而产生错误或虚假信息（Yinetal.，2010）。
　　4.激光遥感技术
　　油类中的某些成分吸收紫外光后会激发内部电子，以荧光形式迅速释放激发能量。因为其他化合物很少具有这种特性，所以可以用荧光信号强度来检测溢油。不同类型的石油具有不同荧光强度和光谱特征，在理想条件下可以区分石油种类。大多数用于石油泄漏检测的激光传感器米用300~355nm波长范围（Fingas and Brown，2014）。早在1993年德国交通部就部署了机载的激光荧光传感器进行日常海事巡逻。美国国家宇航局也部署了双波长系统的航空海洋激光荧光传感系统AOLm。加拿大环境技术中心（Environment Canada）已经开发了两个激光荧光传感系统（scanning laser environment airborne fluorosensor）用来探测海上溢油。大连海事大学陈澎等通过激光荧光探测仪，提取了海上溢油荧光光谱特征，研究了油种识别和油膜厚度的计算方法（陈澎，2012）。
　　5.高光谱遥感技术
　　高光谱遥感技术能够获取多个连续的窄光谱影像数据，包含空间、辐射和光谱三重信息，具有高光谱分辨率的特点。通过这种手段可以有效提高溢油监测能力，国内外学者在这方面也做了大量工作（李颖等，2012）。Salem等（2003）利用机载AISA和 AVRIS高光谱数据对切萨皮克湾和圣巴拉海岸带海面溢油进行了研究，结果表明溢油的光谱特性具有反射峰，近红外波段厚油膜的反射率高于薄油膜，600～900nm波段范围对油膜进行遥感探测效果*佳。Pietrapertosa等（2016）使用机载AISA高光谱数据对兰布罗河发生的溢油事故进行研究，使用光谱角分类法成功定位了污染区域。何莹(2011）利用星载的Hyerion高光谱数据，运用光谱角分类法，对海上不同油膜的波谱数据进行研究，并提取了相关信息。刘德连等（2013）利用AVIRIS高光谱遥感影像，使用自适应匹配滤波方法对墨西哥湾的海面溢油进行了检测。由于探测波段多、窄且连续，相邻波段具有很高的相关性，高光谱数据量巨大，具有很大冗余性，在使用过程中需要进行预处理。
　　6.雷达遥感技术
　　油膜的存在，减小了雷达接收到的后向散射系数，因此在雷达图像上表现为较低的灰度值，体现为黑色区域。根据搭载平台，目前用于溢油探测的雷达主要为星载雷达、机载雷达、航海雷达和固定式雷达。
　　合成孔径雷达是一种高分辨率主动式微波传感器，不受光照、气候条件等限制，具有全天时、全天候对地观测的特点，在农林、水域、地质、自然灾害和军用等领域具有广泛的应用前景。自1978年美国发射了首颗载有SAR的海洋卫星Seasat以来，（欧洲航天局，简称欧空局）、俄罗斯、德国、日本、加拿大等都相继成功发射了星载SAR。目前在轨运行和运行过的典型星载SAR系统如表1.1所示。
　　表1.1 在轨运行和运行过的星载SAR系统
　　很多国家的学者利用SAR在海面溢油监测领域进行了大量研究，取得了很多研究成果（刘朋，2012）。Bern等（1993）*早将ERS-1数据用于海面溢油监测。Pavlakis等(1996）针对地中海海域发生的溢油事故，利用ERS数据进行了监测。Marghany (2001，2015）利用SAR图像分别对马六甲海峡和墨西哥湾的特大溢油事故进行了分析，效果良好。
　　侧视机载雷达（side-looking airborne radar， SLAR）是一种造价较低的传统式雷达，很多国家使用它进行溢油监测。美国海岸警卫队使用装备名叫空眼雷达系统的喷气飞机执行日常海上巡逻飞行。荷兰交通部门使用一架双涡轮螺桨飞机进行海上溢油监视，飞机上装载Terma X波段的侧视机载雷达。德国联邦海事污染控制组织用装载侧视机载雷达的 DornierDo-228飞机执行监测任务（徐进，2013）。但机载遥感的费用较高，受天气和续航能力限制，很难达到业务化监测要求。
　　早在20世纪80年代，加拿大、美国、俄罗斯和荷兰等国家就开始研究利用航海雷达实现对海面溢油的监视，开发了一些成熟的溢油监视雷达系统。在2002年“威望号”溢油事故中，荷兰的Seadarq雷达监视系统准确地监测到油膜的形态和动向。加拿大海岸警卫队成功试验了两种不同规格型号的船载雷达进行溢油监视。我国大连海事

《合成孔径雷达海上溢油与小目标检测技术》总结了作者团队近年来在合成孔径雷达(SAR)领域中海上溢油与小目标检测的研究成果。《合成孔径雷达海上溢油与小目标检测技术》介绍了海上溢油与小目标检测的研究意义；梳理了SAR系统极化理论基础及溢油检测的基本原理；系统阐述了单极化、双极化和全极化SAR溢油与小目标的检测和识别方法,并基于多模式极化散射机制,建立了极化SAR溢油检测方法。创新性地将迁移学习算法引入SAR图像处理,解决了海杂波下的溢油与小目标有效识别问题。

目录
序
前言
1 绪论 1
1.1 海上溢油与小目标检测研究背景和意义 1
1.2 海上溢油与小目标检测研究进展 3
参考文献 14
2 极化SAR基本概念和理论 21
2.1 SAR系统 21
2.2 波的极化状态表征 22
2.3 目标极化散射的描述和表征 27
2.4 极化SAR的工作原理 33
参考文献 45
3 基于本体和模糊C均值的SAR图像溢油分割 48
3.1 引言 48
3.2 本体 48
3.3 基于核的模糊C均值方法 53
3.4 小结 55
参考文献 55
4 基于BEMD的SAR图像溢油识别 57
4.1 引言 57
4.2 感兴趣区域获取 57
4.3 经验模式分解 58
4.4 特征提取和选择 61
4.5 算法验证与比较 66
4.6 小结 68
参考文献 68
5 基于EEMD的海杂波下小目标的检测 70
5.1 海杂波下小目标的检测技术 70
5.2 海杂波实验数据 84
5.3 基于EEMD和多重分形的小目标检测 88
5.4 基于EEMD和相关系数的小目标检测 96
5.5 小结 99
参考文献 99
6 基于迁移学习的海杂波下小目标检测 101
6.1 引言 101
6.2 迁移学习 101
6.3 迁移学习算法验证 107
6.4 小结 109
参考文献 109
7 基于多模式极化SAR海洋油膜散射机制分析与对比 111
7.1 实验区与数据源介绍 111
7.2 多模式极化SAR海洋油膜散射机制对比 112
7.3 多模式极化SAR海洋油膜散射机制对比结果 117
7.4 小结 125
参考文献 125
8 基于多时相双极化SAR溢油检测与分析研究 127
8.1 实验区与数据源介绍 128
8.2 基于多时相感兴趣区边界优势特征的溢油检测算法 129
8.3 多时相双极化溢油检测结果 138
8.4 小结 145
参考文献 145
9 基于全极化SAR海洋溢油检测与分析研究 148
9.1 实验区与数据源介绍 149
9.2 极化特征参数提取 151
9.3 组合特征参数溢油检测分析 156
9.4 特征参数对不同油膜检测能力对比结果 159
9.5 小结 166
参考文献 167