Improving ship detection by using polarimetric decompositions

Abstract

Norway’s large ocean areas require efficient methods to monitor vessels. Radar satellites in orbit today offer dual- or quad-polarised data, which ease the task of detecting vessels in a SAR (Synthetic Aperture Radar) image. The Norwegian Defence Research Establishment (FFI) has developed an automatic ship detection tool, Aegir, which uses all polarisation channels to detect vessels. The ship detector also combines the available polarisation channels to increase the ship to sea contrast to be able to detect more vessels. Since 2011 it is possible to use fully polarimetric images with large area coverage (50 km swath width, while 25 km before). This is of potential interest for operative maritime surveillance. 26 RADARSAT-2 dual-polarisation and 24 quad-polarisation images have been analyzed both manually and automatically. Using Aegir, it is shown that cross-polarisation and (HH-VV)×HV are best for ship detection. Using manual analysis, some decomposition methods have been tested: Pauli, Circular, Krogager and Yamaguchi methods. The polarisation decomposition methods can be used to increase the ship to sea contrast and they can also be used to help discriminate between ice and vessels. It is shown that the Yamaguchi decomposition method gives promising results for differentiating between vessels and ice. The different methods used in the analysis, and the theory behind the methods, for both dualpolarised and quad-polarised images are described in the report.

Norge har store havområder som krever effektive overvåkingsmetoder for å ha mulighet til å ha oversikt over skipstrafikken. Radarsatelitter i dag tilbyr dual- eller full-polarimetriske data, noe som forbedrer skipsdeteksjon i et Syntetisk Aperture Radar-bilde (SAR). Forsvarets Forskningsinstitutt (FFI) har utviklet et skipsdeteksjonsverktøy, Ægir, som bruker alle polariseringskanaler for å detektere skip. Skipsdetektoren kombinerer de tilgjengelige polariseringskanalene for å øke skip-til-sjø-kontrasten for å ha mulighet for å detektere flere skip. Siden 2011 er det blitt mulig å bruke fullpolarimetriske bilder med stor arealdekning (50 km båndbredde mot tidligere 25 km). Dette er potensielt av interesse for operativ havovervåking. 26 RADARSAT-2 dual-polarimetri- og 24 full-polarimetri-bilder har blitt analysert både manuelt og automatisk. Ved å bruke Ægir, er det vist at krysspolarisering og (HH-VV)×HV er best for skipsdeteksjon når full-polarimetri er tilgjengelig. Ved å bruke manuell analyse, har flere dekomposisjonsmetoder blitt testet ut: Pauli, sirkulær, Krogager og Yamaguchi. Dekomposisjonsmetodene kan brukes til å øke skip-til-sjø-kontrasten og de kan også brukes til å se forskjell på skip og is i SAR-bilder. Yamaguchi dekomposisjon har vist lovende resultater for differensiering mellom skip og is. De forskjellige metodene som er brukt i analysen, og teorien bak metodene for både dual- og fullpolarimetri- bilder er beskrevet i rapporten.