代大海　廖　斌　肖順平　王雪松

①(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院　長(zhǎng)沙　410073)

②(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　長(zhǎng)沙　410073)

雷達(dá)極化信息獲取與處理的研究進(jìn)展

代大海*①②廖斌①②肖順平②王雪松②

①(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院長(zhǎng)沙410073)

②(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)沙410073)

雷達(dá)極化信息獲取與處理已成為當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)的重要分支之一。該文首先簡(jiǎn)要回顧了雷達(dá)極化技術(shù)的發(fā)展歷程，而后結(jié)合電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究成果，重點(diǎn)闡述了雷達(dá)極化測(cè)量與校準(zhǔn)、極化抗干擾、極化特征提取與分類識(shí)別、極化成像與參數(shù)反演等關(guān)鍵技術(shù)的基本原理、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，得出了一些有意義的結(jié)論。

極化測(cè)量；極化校準(zhǔn)；極化濾波；有源假目標(biāo)鑒別；極化雷達(dá)成像；雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別

引用格式：代大海, 廖斌, 肖順平, 等.雷達(dá)極化信息獲取與處理的研究進(jìn)展[J].雷達(dá)學(xué)報(bào), 2016, 5(2): 143–155.DOI: 10.12000/JR15103.

Reference format: Dai Dahai, Liao Bin, Xiao Shunping, et al..Advancements on radar polarization information acquisition and processing[J].Journal of Radars, 2016, 5(2): 143–155.DOI: 10.12000/JR15103.

1　引言

極化作為矢量波共有的一種性質(zhì)，在紅外、光學(xué)、雷達(dá)等領(lǐng)域均受到了廣泛關(guān)注。就雷達(dá)而言，極化反映了電磁波的矢量特性，是電磁波除時(shí)域、頻域和空域信息以外的又一可資利用的重要信息，充分挖掘極化信息為現(xiàn)代雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)性能的改善提供了廣闊的空間[1–7]。自1946年G.Sinclair提出雷達(dá)目標(biāo)的極化散射矩陣的概念以來(lái)，雷達(dá)極化技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了60余年的研究[3]。相關(guān)的參考文獻(xiàn)和研究成果非常豐富，積累了一大批基礎(chǔ)性研究成果并逐漸邁入實(shí)用階段，已有相當(dāng)數(shù)量的極化雷達(dá)相繼問(wèn)世。美、歐、日、俄、加拿大等國(guó)相繼研發(fā)了能實(shí)現(xiàn)對(duì)地全極化觀測(cè)的全極化機(jī)載/星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)系統(tǒng)[8–15]，據(jù)信美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的核心GBR雷達(dá)就采用了極化技術(shù)[16,17]。這些眾多極化雷達(dá)系統(tǒng)在現(xiàn)代國(guó)防中獲得的廣泛應(yīng)用標(biāo)志著極化雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展水平的高低已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家軍事力量與綜合國(guó)力水平的重要標(biāo)志之一，其發(fā)展受到各國(guó)越來(lái)越多的重視。

雷達(dá)極化技術(shù)的發(fā)展大致可以分為4個(gè)階段：第1個(gè)階段即從20世紀(jì)40年代到50年代末期的第1次研究高潮。以Sinclair、Kennaugh以及Gent等人的工作為代表，研究?jī)?nèi)容為極化散射矩陣的概念提出與界定、最優(yōu)極化理論、雷達(dá)目標(biāo)和地物雜波極化測(cè)量與極化特性研究等[3,4]。第2個(gè)階段即從20世紀(jì)50 年代末期開(kāi)始，包括了整個(gè)60年代和70年代初期的短暫低潮。不過(guò)也恰在這一時(shí)期，美國(guó)在彈道導(dǎo)彈防御和近地空間/深空探測(cè)等項(xiàng)目的牽引下研制了一系列大型空間探測(cè)和深空探測(cè)極化雷達(dá)[18,19](包括Millstone Hill雷達(dá)[20]、AMRAD雷達(dá)[21]等)。從某種意義上說(shuō)，正是這些大型極化雷達(dá)在目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別方面體現(xiàn)出良好的性能催生了第3個(gè)階段的研究熱潮。第3個(gè)階段即從20世紀(jì)70年代至80年代末的再次高潮，以1970年J.R.Huynen的博士論文《雷達(dá)目標(biāo)唯象學(xué)理論》為開(kāi)端，闡述了極化散射矩陣元素與目標(biāo)結(jié)構(gòu)屬性之間的內(nèi)在聯(lián)系，并指出了利用極化信息進(jìn)行目標(biāo)分類和識(shí)別的可能性[22]。1986年，Guili發(fā)表長(zhǎng)篇極化綜述性文章，標(biāo)志著窄帶雷達(dá)極化問(wèn)題的研究已基本發(fā)展成熟[4]。第4個(gè)階段即從20世紀(jì)90年代至今的持續(xù)高潮期。這一階段，有大量的極化雷達(dá)系統(tǒng)尤其是寬帶極化成像雷達(dá)系統(tǒng)研制成功并投入使用[8–17,23,24]，獲得的大量極化數(shù)據(jù)又促進(jìn)了雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用研究的大發(fā)展。

特別是近年來(lái)，隨著人們對(duì)目標(biāo)電磁散射特性認(rèn)識(shí)的逐步深入以及極化散射測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)極化信息處理問(wèn)題引起了廣泛的關(guān)注[5]。寬帶信號(hào)理論和技術(shù)、極化散射測(cè)量、雷達(dá)成像等技術(shù)迅猛發(fā)展，微波器件工藝水平不斷提高，雷達(dá)體制發(fā)生了極為深刻的變革，具有高分辨成像能力、全極化測(cè)量或極化捷變能力的現(xiàn)代雷達(dá)迅速崛起，逐漸取代了傳統(tǒng)的低分辨和單極化體制雷達(dá)而成為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的主流，從而極大地增強(qiáng)并擴(kuò)展了雷達(dá)的探測(cè)功能和應(yīng)用范圍[6,7,24]?？梢哉f(shuō)，雷達(dá)極化信息獲取與處理已成為當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)的重要分支之一，其研究?jī)?nèi)容既包括電磁波與雷達(dá)目標(biāo)的極化表征[1,3,4]、雷達(dá)目標(biāo)極化特性[3,6,7,25–27]、極化測(cè)量與數(shù)據(jù)校準(zhǔn)[16,28,29]等基礎(chǔ)理論問(wèn)題，又包括極化濾波[30–41]、極化檢測(cè)[23,42–50]、極化優(yōu)化與增強(qiáng)[3,4,36]、極化跟蹤與關(guān)聯(lián)[37]、極化成像[23,24,51,52]等矢量信號(hào)處理問(wèn)題，還包括極化特征提取[6,7,53–57]、極化鑒別[16,17,58–62]、極化分類與識(shí)別反演[23,24,51,63–65]等雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題，涉及到雷達(dá)基礎(chǔ)理論、電子對(duì)抗、模式識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域。限于篇幅，下面結(jié)合我們近20年的研究積累，重點(diǎn)介紹雷達(dá)極化測(cè)量、極化抗干擾、極化特征提取與分類識(shí)別、極化成像與參數(shù)反演等若干極化信息獲取與處理的關(guān)鍵技術(shù)。

2　極化測(cè)量與極化校準(zhǔn)技術(shù)

一般地，目標(biāo)的極化特性可以用極化散射矩陣來(lái)描述，目標(biāo)的極化散射矩陣與目標(biāo)結(jié)構(gòu)、形狀、材料、姿態(tài)、入射波頻率等諸多因素有關(guān)。雷達(dá)目標(biāo)極化散射矩陣測(cè)量技術(shù)(簡(jiǎn)稱“極化測(cè)量”)是極化信息獲取與處理領(lǐng)域的基礎(chǔ)問(wèn)題，如何準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的極化特性信息，并加以有效利用，長(zhǎng)期以來(lái)一直是雷達(dá)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注的前沿問(wèn)題。

2.1極化測(cè)量

早期的極化測(cè)量雷達(dá)采用單極化發(fā)射、全極化接收的模式。如前面提到的Millstone Hill雷達(dá)[20]、AMRAD雷達(dá)[21]，都屬于這種模式。這種極化測(cè)量體制通過(guò)對(duì)兩接收極化通道信號(hào)的融合，可將信噪比平均提高幾個(gè)分貝，保證了對(duì)目標(biāo)穩(wěn)定的檢測(cè)性能；此外，還可以對(duì)固定極化干擾進(jìn)行抑制。但是，這種極化測(cè)量體制的雷達(dá)無(wú)法獲取完整的目標(biāo)極化散射特性信息，僅能夠測(cè)量目標(biāo)散射矩陣的一列元素。

分時(shí)極化測(cè)量體制是最早出現(xiàn)的全極化測(cè)量體制，即通過(guò)兩個(gè)正交極化通道“輪流發(fā)射、同時(shí)接收”，雷達(dá)在相鄰脈沖重復(fù)周期內(nèi)可以輪流測(cè)得目標(biāo)極化散射矩陣的兩列，從而得到整個(gè)極化散射矩陣的估計(jì)。這種體制也是目前應(yīng)用最多的，如美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室的CV-990、DC-8、SIR-C, MIT Lincoln實(shí)驗(yàn)室的ADTS和加拿大CCRS/DREO的極化SAR系統(tǒng)等。然而，理論計(jì)算和測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，雷達(dá)目標(biāo)的極化散射矩陣往往對(duì)姿態(tài)十分敏感。對(duì)于高速導(dǎo)彈目標(biāo)的特性測(cè)量等諸多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，在雷達(dá)的兩次相鄰觀測(cè)期間，目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的空間位置和觀測(cè)姿態(tài)均已發(fā)生變化，這意味著雷達(dá)的兩次相鄰測(cè)得的兩個(gè)2維列矢量不是來(lái)源于同一個(gè)極化散射矩陣，因此不能得到目標(biāo)完整的極化散射矩陣，這是分時(shí)極化測(cè)量在對(duì)動(dòng)目標(biāo)測(cè)量時(shí)的固有缺陷。

由于分時(shí)極化的固有缺陷，Giuli等人提出同時(shí)極化測(cè)量體制[28,29]，即采用兩個(gè)正交極化通道“同時(shí)發(fā)射、同時(shí)接收”，在單個(gè)脈沖內(nèi)即可完成全極化測(cè)量。相較于分時(shí)極化測(cè)量體制，同時(shí)極化測(cè)量體制具有顯著優(yōu)勢(shì)，二者的比較見(jiàn)表1?？紤]到分時(shí)極化雷達(dá)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的散射矩陣，所以研究切實(shí)可行的同時(shí)極化測(cè)量體制是目前極化測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[66]。

2.2極化校準(zhǔn)

準(zhǔn)確的極化測(cè)量是準(zhǔn)確理解和利用蘊(yùn)藏于雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)中的目標(biāo)極化散射信息的前提，然而，通常情況下，雷達(dá)在實(shí)際的極化測(cè)量過(guò)程中不可避免會(huì)受到噪聲和雜波、天線空域極化特性以及極化通道不平衡等非理想因素的影響，使得極化雷達(dá)的測(cè)量值偏離真實(shí)值。由于噪聲、雜波以及雷達(dá)系統(tǒng)本身的非理想因素不可避免，因此極化雷達(dá)的測(cè)量誤差無(wú)法完全消除，只能對(duì)其進(jìn)行極化校準(zhǔn)。

1986年，R.M.Barnes利用乘性誤差矩陣和加性誤差矩陣對(duì)極化測(cè)量誤差進(jìn)行建模[67]，并提出通過(guò)測(cè)量極化散射矩陣已知的定標(biāo)體來(lái)反推誤差矩陣，實(shí)現(xiàn)誤差校準(zhǔn)，該方法被普遍接受，并得到了廣泛應(yīng)用[1,68–70]。

表1　分時(shí)極化和同時(shí)極化優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.1　Compare between time-diversity polarization and simultaneous polarization

根據(jù)極化測(cè)量體制的不同，極化校準(zhǔn)方法分為常規(guī)的針對(duì)分時(shí)極化測(cè)量體制的極化校準(zhǔn)方法和針對(duì)同時(shí)極化測(cè)量體制(瞬時(shí)極化測(cè)量)的瞬時(shí)極化校準(zhǔn)方法[68]。按照定標(biāo)體的不同，又分為基于無(wú)源定標(biāo)體的極化校準(zhǔn)方法和基于有源變極化發(fā)射器(Polarimetric Active Radar Calibrator, PARC)的極化校準(zhǔn)方法[69]。其中基于無(wú)源定標(biāo)體的極化校準(zhǔn)方法又分為基于典型點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)體的極化校準(zhǔn)方法和基于分布式地物目標(biāo)的極化校準(zhǔn)方法[71]，后者在機(jī)載、星載極化SAR校準(zhǔn)中應(yīng)用廣泛[70]。此外，還有一些結(jié)合了以上極化校準(zhǔn)方法的優(yōu)點(diǎn)的綜合極化校準(zhǔn)方法[70,72]。

3　極化抗干擾

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜惡劣，極化信息在雷達(dá)抗干擾中的作用已是不容忽視的，極化抗干擾也一直是雷達(dá)極化信息處理領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)。按照對(duì)抗干擾的類型，極化抗干擾技術(shù)又可分為兩類：一類是抗噪聲抑制類干擾，通常稱為極化濾波；另一類是抗有源假目標(biāo)欺騙干擾。

3.1極化濾波

極化濾波的基本思想是調(diào)節(jié)接收系統(tǒng)的極化方式，使之在盡可能保留目標(biāo)信號(hào)的同時(shí)，最大限度地有效地抑制干擾信號(hào)，其核心在干擾極化狀態(tài)的估計(jì)和權(quán)值的計(jì)算上，其本質(zhì)上歸結(jié)為對(duì)混雜在干擾背景中有用信號(hào)的最佳接收，在數(shù)學(xué)上抽象為線性或非線性最優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化準(zhǔn)則主要有信號(hào)功率最大化、干擾功率最小化、信號(hào)干擾噪聲比(Signal Interferer Noise Ratio, SINR)最大化等。早期的雷達(dá)變極化主要是使用極化罩或變極化柵，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)有相當(dāng)難度，也難以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理。直到1981年荷蘭SHAPE技術(shù)中心A.J.Poelman提出了虛擬極化適配(Virtual Polarimetric Adapter, VPA)的概念，利用虛擬極化適配技術(shù)，對(duì)兩路極化正交信號(hào)進(jìn)行復(fù)加權(quán)求和，等效于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行極化濾波處理，大大降低了濾波器的現(xiàn)實(shí)成本和復(fù)雜程度。圖1給出了包含預(yù)處理的極化自適應(yīng)濾波器處理流程圖。圖2給出了經(jīng)過(guò)極化自適應(yīng)濾波前后的信號(hào)頻譜，由于干擾被對(duì)消，目標(biāo)信號(hào)頻譜顯現(xiàn)出來(lái)(輸出信號(hào)信干比較大，但信噪比仍然很小，所以這里在頻域表示濾波效果)。

圖1　自適應(yīng)遞推極化濾波原理框圖Fig.1　Chart of adaptive polarimetric recursive filter

圖2　自適應(yīng)極化濾波前后信號(hào)頻譜Fig.2　The signal spectrum before and after adaptive polarimetric filtering

理論上講，以SINR作為優(yōu)化函數(shù)的極化濾波器性能是最優(yōu)的，實(shí)際中常用的極化濾波器是對(duì)先驗(yàn)知識(shí)要求不高的信號(hào)匹配極化濾波器(Signal Match Polarimetric Filter, SMPF)和干擾抑制極化濾波器(Interferer Suppression Polarimetric Filter, ISPF)，而直接以SINR作為優(yōu)化函數(shù)的極化濾波器并不多見(jiàn)。因此文獻(xiàn)[37]研究極化濾波器的性能評(píng)估與選擇問(wèn)題，提出了可以根據(jù)信號(hào)的極化度和干擾的極化度關(guān)系來(lái)確定極化濾波器的優(yōu)選區(qū)(如圖3)：若電磁環(huán)境參數(shù)落在Ⅰ區(qū)，雷達(dá)宜采用ISPF濾波器；若落在Ⅱ區(qū)，雷達(dá)宜采用SMPF進(jìn)行極化濾波。若落在Ⅲ區(qū)，當(dāng)INR超過(guò)20 dB后，可用1條直線近似描述二者的分界，該直線方程為：

圖3　ISPF與SMPF的優(yōu)選區(qū)與臨界區(qū)示意圖Fig.3　The priority zone and critical zone for ISPF and SMPF

圖4　3個(gè)干擾條件下輸出SINR與信號(hào)參量的關(guān)系Fig.4　The relationship between output SINR and signal parameters with 3 interferers

這個(gè)方程對(duì)在高干噪比條件下選擇極化濾波器實(shí)際工程應(yīng)用中很方便。其啟發(fā)意義在于，利用ISPF和SMPF等易于實(shí)現(xiàn)的極化濾波器構(gòu)造1個(gè)聯(lián)合濾波器，根據(jù)電磁環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化選擇極化濾波器，有可能彌補(bǔ)單個(gè)極化濾波器性能的不足，使聯(lián)合濾波器的總體性能接近最佳SINR極化濾波器水平。

以上討論的極化濾波器均是針對(duì)單個(gè)干擾源而言的，基本可歸結(jié)為單凹口極化濾波器。為對(duì)抗同時(shí)多個(gè)干擾源，可以采用非線性極化濾波器，其基本思想是設(shè)置多組線性極化濾波器，而后通過(guò)邏輯乘的辦法取最小的結(jié)果作為濾波輸出，這種極化濾波器的好處是可以同時(shí)抑制多個(gè)噪聲干擾。此外，另外一個(gè)對(duì)抗多干擾的方法，就是將極化域信息同空域、時(shí)域、頻域等其它域信息結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成聯(lián)合濾波處理。圖4給出了利用極化敏感陣列同時(shí)抑制3個(gè)干擾的濾波效果圖，從圖4中可以看出，由于綜合利用了空域-極化域信息，使得3個(gè)干擾源同時(shí)得到了有效的抑制[37]。綜合利用多種域的信息，實(shí)現(xiàn)多域多維聯(lián)合濾波處理，將是極化濾波處理的發(fā)展方向[73,74]。

3.2有源假目標(biāo)干擾的極化鑒別

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，有源干擾日益成為進(jìn)攻方突防防御雷達(dá)的重要手段[59,60]。進(jìn)攻方不僅可以對(duì)防御方實(shí)施噪聲干擾，而且能夠以靈活多變的方式轉(zhuǎn)發(fā)雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)來(lái)壓制和欺騙防御方的雷達(dá)系統(tǒng)。隨著微波技術(shù)、數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)以及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，有源假目標(biāo)干擾系統(tǒng)已經(jīng)從轉(zhuǎn)發(fā)簡(jiǎn)單的干擾信號(hào)發(fā)展到可以自主產(chǎn)生在能量上、波形上、相位調(diào)制方式等方面與目標(biāo)回波信號(hào)高度逼近的假目標(biāo)。尤其是有源多假目標(biāo)干擾，因其一次可產(chǎn)生幾十至上百個(gè)與真實(shí)目標(biāo)信號(hào)特征相差無(wú)幾的假目標(biāo)，使得雷達(dá)系統(tǒng)采用諸如最大加速度限制、自相關(guān)分析法、波形分析法等在時(shí)域、頻域上均難以鑒別，從而嚴(yán)重地消耗了雷達(dá)資源，使雷達(dá)產(chǎn)生混批、飽和的現(xiàn)象，甚至不能正常工作，這對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)防御系統(tǒng)無(wú)疑是一個(gè)巨大的威脅。有源多假目標(biāo)欺騙性電子干擾因其高效的性價(jià)比，其干擾策略與方法和對(duì)其鑒別與抑制技術(shù)的研究是人們當(dāng)前普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

極化是電磁波的固有屬性，目標(biāo)回波信號(hào)中不僅包含了其時(shí)域、頻域和空域信息，而且包含了其極化特性。利用有源假目標(biāo)和雷達(dá)目標(biāo)在極化特征上的差異，極化測(cè)量雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)有源假目標(biāo)和雷達(dá)目標(biāo)的鑒別。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)極化域特征的提取和應(yīng)用來(lái)鑒別有源欺騙干擾的工作逐步展開(kāi)。文獻(xiàn)[58]分析了幾種簡(jiǎn)單形體目標(biāo)與固定極化假目標(biāo)干擾在散射特性上的差異，并提取了散射矩陣特征量進(jìn)行鑒別；文獻(xiàn)[61]研究了干擾信號(hào)和目標(biāo)回波的瞬態(tài)極化投影矢量在脈間的變化規(guī)律，并提出了瞬態(tài)極化投影矢量起伏度等特征量進(jìn)行鑒別；文獻(xiàn)[17]以美國(guó)的X波段地基防御雷達(dá)(XBR)系統(tǒng)為例，探討了有源多假目標(biāo)等欺騙性電子干擾對(duì)地基防御雷達(dá)系統(tǒng)的有效性等問(wèn)題；由于單極化有源假目標(biāo)的散射矩陣為奇異矩陣，而雷達(dá)目標(biāo)的極化散射矩陣一般是互易、非奇異的，因此文獻(xiàn)[62]定義目標(biāo)散射矩陣歸一化行列式值C作為鑒別特征量，并設(shè)計(jì)如下極化鑒別算法：

綜上所述，可見(jiàn)有源假目標(biāo)極化鑒別的核心在于鑒別檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的選擇。事實(shí)上，極化雷達(dá)鑒別有源假目標(biāo)欺騙干擾的本質(zhì)是基于下面的事實(shí)：真實(shí)雷達(dá)目標(biāo)是無(wú)源的散射體，其回波與雷達(dá)發(fā)射極化、接收極化和目標(biāo)極化特性有關(guān)；而有源欺騙干擾信號(hào)僅取決于干擾機(jī)的極化和雷達(dá)接收極化，而與雷達(dá)發(fā)射極化無(wú)關(guān)。圖5給出了針對(duì)兩種不同實(shí)驗(yàn)情形下的有源假目標(biāo)的鑒別實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]，由圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，只需選取一個(gè)合適的門限，該鑒別方法很容易保證99%以上的有源假目標(biāo)被鑒別出來(lái)，而雷達(dá)目標(biāo)誤判為有源假目標(biāo)的概率將低于0.3%，這表明實(shí)際中用極化來(lái)鑒別有源目標(biāo)確實(shí)是簡(jiǎn)捷有效的途徑。

值得指出的是，目前這些有源假目標(biāo)鑒別方法對(duì)于目標(biāo)和干擾的種類、樣式還不具有廣泛適用性，特別是對(duì)于變極化干擾，鑒別性能稍差，因此在工程實(shí)用性方面還有待改進(jìn)。另外，上述研究只涉及到常規(guī)窄帶或?qū)拵?維成像模式，對(duì)于如何利用極化信息，實(shí)現(xiàn)具有2維成像能力的極化SAR/ISAR系統(tǒng)中有源假目標(biāo)的鑒別和對(duì)消尚甚少見(jiàn)諸報(bào)道。

4　極化域特征提取與識(shí)別

世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)極化域特征提取與識(shí)別技術(shù)很早就已經(jīng)開(kāi)始重視，這幾十年來(lái)不斷取得重要研究成果。目前，雷達(dá)目標(biāo)的極化識(shí)別算法從技術(shù)路線上大致可以分為以下兩大類，第1類是早期形成的、以低分辨體制為背景，對(duì)極化散射矩陣進(jìn)行映射變換，尋求目標(biāo)的穩(wěn)健性極化特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類與識(shí)別；第2類技術(shù)路線是以寬帶高分辨雷達(dá)體制為背景，將極化測(cè)量與高分辨技術(shù)相結(jié)合，抽取目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類與識(shí)別。鑒于基于極化2維成像的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)涉及的研究?jī)?nèi)容很多、發(fā)展很快，故單獨(dú)作為一節(jié)，放在下一節(jié)論述。

4.1窄帶極化特征提取與識(shí)別

早期的研究思路主要以中、低分辨率雷達(dá)體制為背景，根據(jù)最優(yōu)極化理論和目標(biāo)唯象學(xué)理論，對(duì)雷達(dá)目標(biāo)的極化散射矩陣進(jìn)行變換、分解，尋求目標(biāo)的極化不變量等穩(wěn)健性極化特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類和識(shí)別。從識(shí)別技術(shù)路線上大致都是直接依據(jù)極化散射矩陣或其變換特征。例如，Brickel于1965年提出的三參數(shù)軌跡法[75], 以及E.M.Kennaugh提出的零極化方法[3]、J.R.Huynen提出的基于目標(biāo)分解的方法[22]等。

在日趨復(fù)雜的電磁環(huán)境中，尤其是面臨的雷達(dá)目標(biāo)種類很多時(shí)，直接基于窄帶極化特征進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別還有一定難度。值得指出的是，即便如此，一般情況全極化信息的利用還是很有價(jià)值的。如在研究雷達(dá)目標(biāo)極化微動(dòng)特性時(shí)，文獻(xiàn)[16]提取一個(gè)不敏感于彈頭RCS起伏特性的特征量—— 交叉極化分量之和與共極化分量之差的比值，該特征量隨彈頭章動(dòng)而周期變化，利用該特征量的時(shí)變特性可以實(shí)現(xiàn)彈頭章動(dòng)頻率估計(jì)。仿真結(jié)果如圖6所示，結(jié)果表明同傳統(tǒng)的基于單極化RCS的方法相比，基于極化時(shí)變特性的章動(dòng)頻率估計(jì)方法可以有效克服基于RCS序列的章動(dòng)頻率估計(jì)方法引入的虛假頻率，具有更好的穩(wěn)健性。

圖5　不同鑒別門限下對(duì)偽全極化假目標(biāo)的鑒別概率Fig.5　The distinguish probability for fake fully polarimrtric flase target under different threshold

圖6　基于某錐球體全極化信息的章動(dòng)頻率估計(jì)實(shí)驗(yàn)Fig.6　The nutation frequency estimation experiment based on a cone’s fully polarimetric information

4.2寬帶極化特征提取與識(shí)別

隨著寬帶高分辨極化雷達(dá)體制的迅速崛起，基于寬帶極化信息的雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，全極化和寬帶高分辨技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)1維成像來(lái)離析目標(biāo)的空間-極化散射結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抽取目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類識(shí)別，已逐漸成為當(dāng)今雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域公認(rèn)的極具潛力的技術(shù)途徑。這方面的研究思路大概可以分為如下3個(gè)方面：

第1種思路是從時(shí)域-極化域聯(lián)合的角度出發(fā)，提取目標(biāo)回波極化隨時(shí)間(距離)的變化特征。如N.F.Chamberlain提出“目標(biāo)瞬態(tài)極化響應(yīng)(TPR)”的概念[76]，利用橢圓曲線擬合技術(shù)研究了5種大型商用飛機(jī)的極化結(jié)構(gòu)特征，并進(jìn)行了識(shí)別實(shí)驗(yàn)；1993年，郭桂蓉和何松華針對(duì)線性調(diào)頻、彈載正交極化毫米波雷達(dá)體制，提出了距離-極化結(jié)構(gòu)成像方法，并對(duì)多種坦克、車輛等地面目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn)，取得了良好的識(shí)別效果[56]；2002年，D.A.Garren等人提出了根據(jù)目標(biāo)散射矩陣的時(shí)域動(dòng)態(tài)特性，利用極化波形優(yōu)化技術(shù)來(lái)提高目標(biāo)識(shí)別效果[77]。

第2種思路是從頻域-極化域聯(lián)合的角度出發(fā)，提取目標(biāo)回波極化隨頻率的變化特征[6,7,55]。如文獻(xiàn)[6]針對(duì)寬帶極化雷達(dá)體制探討了目標(biāo)極化結(jié)構(gòu)在寬帶探測(cè)信號(hào)作用下所表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)變化特性，陸續(xù)提出了極化狀態(tài)距離和極化頻率穩(wěn)定度等概念，首次將動(dòng)力學(xué)理論用于目標(biāo)特性描述，提出了兩種新的極化譜的概念，在此基礎(chǔ)上提出了基于多維極化特征空間、基于本征極化、以及基于極化軌道約束下譜特性的目標(biāo)識(shí)別方法，并對(duì)5類軍用飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行了識(shí)別實(shí)驗(yàn)，取得了良好的識(shí)別效果；文獻(xiàn)[7]以目標(biāo)瞬態(tài)極化散射特性刻畫(huà)作為切入點(diǎn)，提出了目標(biāo)極化散射特性各向異性程度、目標(biāo)瞬態(tài)極化散射結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度等概念，研究了相應(yīng)的特征提取方法，并分別采用基于高維特征空間線性劃分和基于樹(shù)狀分類器的兩種識(shí)別方法，對(duì)5類軍用飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行了寬帶極化特征提取與識(shí)別實(shí)驗(yàn)，均取得了十分良好的識(shí)別結(jié)果。

第3種思路是從時(shí)頻-極化聯(lián)合域的角度，提取雷達(dá)目標(biāo)回波的極化在時(shí)頻域上的變化特征。如文獻(xiàn)[54]立足于瞬態(tài)極化時(shí)頻分析理論，在2004年提出了基于瞬態(tài)極化WVD相關(guān)的寬帶極化雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別方法和基于目標(biāo)回波瞬態(tài)極化時(shí)頻分布奇異值特征提取與識(shí)別的方法，并且揭示了采用瞬態(tài)極化WVD相關(guān)方法時(shí)的改善性能與目標(biāo)散射回波極化散度之間的關(guān)系。

5　極化成像與參數(shù)反演

相對(duì)1維距離像而言，雷達(dá)目標(biāo)2維或3維成像提供了更加豐富、細(xì)致和穩(wěn)定的信息，從而更加有利于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別，這是極化成像與參數(shù)反演得到最廣泛關(guān)注的原因所在[2,70,78,79]。高分辨成像和極化從不同方面刻畫(huà)了目標(biāo)的散射特性：一方面，成像系統(tǒng)利用大的發(fā)射信號(hào)帶寬與長(zhǎng)的合成孔徑獲得具有高的距離和方位成像分辨率，形成精細(xì)的高分辨圖像；另一方面，目標(biāo)的極化信息與其結(jié)構(gòu)、材料、形狀、姿態(tài)取向等有著本質(zhì)的聯(lián)系。通過(guò)極化信息的提取，可獲取目標(biāo)表面粗糙度、對(duì)稱性和取向等其它參數(shù)難以表征的信息，是完整刻畫(huà)目標(biāo)特性所不可或缺的。高分辨成像技術(shù)大大降低了極化描述模型的模糊性，而極化技術(shù)則使得高分辨技術(shù)描述的結(jié)構(gòu)信息更為全面，二者的結(jié)合可以相得益彰。正是由于極化高分辨成像的這些優(yōu)點(diǎn)，促使了許多極化成像系統(tǒng)的研制。大量極化成像系統(tǒng)的研制以及高分辨極化圖像數(shù)據(jù)的獲取反過(guò)來(lái)又極大地促進(jìn)了極化成像與參數(shù)反演的研究工作。目前這方面的研究文獻(xiàn)很多，研究?jī)?nèi)容也十分豐富。概括起來(lái)主要包括如下3類：

(1)通過(guò)高分辨極化目標(biāo)分解的方法，以此判斷目標(biāo)的基本散射機(jī)理，提取某些能夠表征目標(biāo)的散射特性參數(shù)。極化分解將極化測(cè)量數(shù)據(jù)同目標(biāo)散射機(jī)理聯(lián)系起來(lái)，是描述目標(biāo)散射機(jī)理的有效手段，因此極化分解在極化成像與參數(shù)反演方面占有重要的地位。極化目標(biāo)分解的方法大致又分為兩類[23,24,80–82]：一類是應(yīng)用于單視極化成像數(shù)據(jù)的相干目標(biāo)分解，包括基于Pauli分解、Cameron分解以及Krogager分解等。另一類是應(yīng)用于多視極化成像數(shù)據(jù)的部分相干目標(biāo)分解，針對(duì)極化協(xié)方差矩陣、極化相干矩陣、Mueller矩陣或Kennaugh矩陣，包括著名的Huynen分解、Cloude分解和Holm&Barnes分解、H/α/A分解等等。基于極化分解理論分析了目標(biāo)的主散射分量、奇次散射分量、偶次散射分量及體散射分量等散射成份，并提取了目標(biāo)熵、反熵及alpha角、目標(biāo)對(duì)稱度等有效的極化特征量。極化分解技術(shù)廣泛用于極化SAR目標(biāo)特性分析、相干斑抑制、特征提取、地物分類及地表參數(shù)反演等領(lǐng)域[83–85]。

(2)通過(guò)極化高分辨或超分辨的辦法，提取出目標(biāo)的全極化散射中心特征，再利用散射中心的極化特征反演目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)和形狀尺寸參數(shù)[51,86–90]。文獻(xiàn)[52]提出了一種基于2維相干極化GTD模型的全極化ISAR超分辨成像方法。圖7給出了利用暗室實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的某彈頭全極化ISAR超分辨成像結(jié)果。從圖中可以看出，極化ISAR超分辨成像結(jié)果可以準(zhǔn)確反映目標(biāo)的長(zhǎng)度、寬度乃至外形幾何結(jié)構(gòu)：該彈頭目標(biāo)一共存在8個(gè)散射中心，頭部(彈頭鼻錐)1個(gè)、中部4個(gè)、尾部3個(gè)；提取的GTD頻率依賴因子，如頭部的球形散射、中部的圓柱體散射以及尾部的角散射和邊緣散射機(jī)理等，都與實(shí)際目標(biāo)模型的結(jié)構(gòu)特性吻合得很好。另外，限于篇幅，這里不再給出每一個(gè)散射中心的散射矩陣和頻率依賴因子的詳細(xì)結(jié)果。上述結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了極化超分辨成像在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值[63–65]，也表明了根據(jù)極化超分辨特征提取進(jìn)行目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)反演的巨大潛力。

(3)在極化SAR/ISAR的基礎(chǔ)上，基于一些更新的體制，研究目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)反演。諸如極化SAR干涉、極化SAR層析成像、極化SAR立體成像等重構(gòu)目標(biāo)的3維極化散射中心[91–94]；利用多頻多孔徑極化SAR提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)，更好地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和成像[95,96]等等。

圖7　某彈頭的極化ISAR超分辨成像結(jié)果Fig.7　A warhead’s POL-ISAR supper-resolution imaging results

6　展望

雷達(dá)目標(biāo)的極化特性，繼其能量、頻率和相位特性之后，成為雷達(dá)信息處理和電子對(duì)抗等領(lǐng)域的重要研究對(duì)象，在諸如反雜波、抗電子干擾、反隱身、目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)刻畫(huà)、特征提取與目標(biāo)識(shí)別等方面顯示出了巨大的潛力。具有全極化測(cè)量或極化捷變能力的新體制雷達(dá)迅速崛起，逐漸取代了傳統(tǒng)的單極化體制雷達(dá)而成為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展潮流，極大地增強(qiáng)并擴(kuò)展了雷達(dá)的探測(cè)功能和應(yīng)用范圍。極化信息的開(kāi)發(fā)利用在雷達(dá)系統(tǒng)削弱惡劣電磁環(huán)境的影響、對(duì)抗有源干擾、抑制環(huán)境雜波、反隱身和鑒別目標(biāo)等方面，提供了極具潛力的技術(shù)途徑。單極化探測(cè)系統(tǒng)只是從一個(gè)側(cè)面反映了目標(biāo)的屬性，而極化信息的利用并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的融合處理過(guò)程，需要從目標(biāo)電磁散射機(jī)理層面出發(fā)提出新思路、新方法，從而使雷達(dá)系統(tǒng)性能得到質(zhì)的提高。近幾年來(lái)，隨著我國(guó)極化雷達(dá)理論與技術(shù)的成熟和各種新型極化器件的出現(xiàn)，進(jìn)一步深入開(kāi)展極化信息獲取與處理的研究已形成現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)，極化雷達(dá)的研制和開(kāi)發(fā)利用正日益引起我國(guó)雷達(dá)專家學(xué)者的濃厚興趣和高度重視，雷達(dá)極化信息獲取與處理必將得到更大的發(fā)展。

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代大海(1980–)，男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，IEEE Member，中國(guó)電子學(xué)會(huì)三遙分會(huì)委員，2008年獲國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位。主持或參與國(guó)家自然科學(xué)基金、973、863等國(guó)家重大科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，合作出版專著3部，申請(qǐng)專利8項(xiàng)，發(fā)表論文40余篇。研究方向?yàn)闃O化雷達(dá)成像、特征提取與目標(biāo)識(shí)別。

E-mail: ddh1206@163.com

廖斌(1989–)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闃O化雷達(dá)成像與目標(biāo)識(shí)別。E-mail: liaobin189@126.com

肖順平(1964–)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闃O化信息處理、電子仿真與雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別。

王雪松(1972–)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闃O化信息處理、雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、新體制雷達(dá)技術(shù)。

Advancements on Radar Polarization Information Acquisition and Processing

Dai Dahai①②Liao Bin①②Xiao Shunping②Wang Xuesong②

①(School of Electronic Science and Engineering, National University of Denfense Technology, Changsha 410073, China)
②(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

The study on radar polarization information acquisition and processing has currently been one important part of radar techniques.The development of the polarization theory is simply reviewed firstly.Subsequently, some key techniques which include polarization measurement, polarization anti-jamming, polarization recognition, imaging and parameters inversion using radar polarimetry are emphatically analyzed in this paper.The basic theories, the present states and the development trends of these key techniques are presented and some meaningful conclusions are derived.

Polarization measurement; Polarimetric calibration; Polarization filter; Discrimination of active decoy; Imaging radar polarimetry; Radar target recognition

TN953

A

2095-283X(2016)02-0143-13

10.12000/JR15103

2015-09-13；改回日期：2015-11-06；網(wǎng)絡(luò)出版：2015-12-14

代大海ddh1206@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61302143, 61501473, 61490693)，863計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA122202)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61302143, 61501473, 61490693), Nation High-Tech R&D Program of China (2013AA122202)