雷達極化技術研究現狀與展望

王雪松

(國防科學技術大學　長沙　410073)

雷達極化技術研究現狀與展望

王雪松*

(國防科學技術大學長沙410073)

雷達極化學是研究雷達波與目標相互作用過程中的變極化效應、揭示其作用機理的一門應用基礎科學，在微波遙感、對地勘察、氣象探測、戰(zhàn)場偵察、抗干擾、目標識別等領域有重大應用前景。該文簡要回顧了雷達極化理論與技術的發(fā)展歷程，綜述了雷達極化信息精確獲取、極化敏感陣列信號處理、目標極化特性、極化抗干擾、目標極化分類識別等關鍵技術的研究現狀，最后對雷達極化技術的發(fā)展做了展望。

極化雷達；雷達成像；極化精密測量；極化校準；極化濾波；目標識別；抗干擾

引用格式：王雪松.雷達極化技術研究現狀與展望[J].雷達學報, 2016, 5(2): 119–131.DOI: 10.12000/JR16039.

Reference format: Wang Xuesong.Status and prospects of radar polarimetry techniques[J].Journal of Radars, 2016, 5(2): 119–131.DOI: 10.12000/JR16039.

1　引言

雷達科學與技術在對地觀測、資源勘探、氣象探測、環(huán)境監(jiān)測、防空反導、偵察監(jiān)視等民用和軍用領域得到廣泛而深入的應用，成為關乎國家安全的戰(zhàn)略高技術領域，體現了國家綜合實力與競爭力。自20世紀30年代雷達投入使用以來，雷達科學與技術始終圍繞著兩大主題交織發(fā)展：一是不斷提升雷達在復雜環(huán)境中的生存能力和工作能力；二是不斷拓展增強對目標信息的獲取能力，進而提升對目標對象的分辨、識別和認知能力。

極化作為電磁波的本質屬性，是幅度、頻率、相位以外的重要基本參量，描述了電磁波的矢量特征，即電場矢端在傳播截面上隨時間變化的軌跡特性[1–3]。早在20世紀40年代，人們就已發(fā)現：目標受到電磁波照射時會出現“變極化效應”，即散射波的極化狀態(tài)相對于入射波會發(fā)生改變，二者存在著特定的映射變換關系，其與目標的姿態(tài)、尺寸、結構、材料等物理屬性密切相關，因此目標可以視為一個“極化變換器”[4,5]。目標變極化效應所蘊含的目標豐富物理屬性信息對提升雷達的目標檢測、抗干擾、分類和識別等能力具有極大潛力。經過半個多世紀的發(fā)展，雷達極化學已經成為雷達科學與技術的一個專門學科領域，對雷達極化信息的開發(fā)利用已經涉及電磁波輻射、傳播、散射、接收與處理等與雷達探測相關的全過程。雷達極化信息的應用可對雷達的檢測、跟蹤、成像、識別以及抗干擾等幾乎所有功能都能帶來革新和提升，因而雷達極化學在氣象探測、地理遙感、空間監(jiān)視、防空反導、戰(zhàn)略預警、戰(zhàn)場偵察、精確制導和對抗復雜電磁環(huán)境和自然雜波環(huán)境等各領域都備受重視并呈現蓬勃發(fā)展態(tài)勢。

2　發(fā)展歷程

雷達極化的研究始于20世紀40年代。在70多年的發(fā)展歷程中，雷達極化學從無到有，不斷發(fā)展，已成體系。

20世紀40、50年代，發(fā)展了雷達目標極化特性測量與表征、天線極化特性分析、目標最優(yōu)極化等基礎理論和方法，興起了雷達極化學研究的第1個高潮[4–6]。

20世紀60、70年代，限于當時技術條件，雷達極化測量的實現技術難度大且代價昂貴，目標極化散射機理難以深刻揭示，相關理論研究成果難以得到有效驗證，雷達極化研究經歷了短暫低潮[7–9]。

20世紀80年代，隨著微波器件與工藝水平、數字信號處理技術的進步，雷達極化測量技術和系統(tǒng)不斷獲得重大突破，雷達極化學迎來了第1輪的發(fā)展高潮。諸如在氣象探測方面，1978年英國RAL的S波段雷達和1983年美國的NCAR/CP-2雷達先后完成極化捷變改造；在目標特性測量方面，1980年美國佐治亞理工研究院研制成功極化捷變雷達，并于1984年研制成功脈內極化捷變雷達；在對地觀測方面，1985年美國研制出世界上第1部機載極化SAR，等等。這一時期，雷達極化學理論與雷達系統(tǒng)充分結合、相互促進、共同進步，發(fā)展和豐富了雷達目標唯象學、極化濾波、極化目標分解等極化信息處理理論，催生了雷達極化在氣象探測、抗雜波和電磁干擾、目標分類識別和對地遙感等領域一批早期的技術驗證與應用實踐，讓人們重新認識到雷達極化信息的重要性和不可替代性[10–14]。

20世紀90年代以來，雷達極化學受到世界多個發(fā)達國家的普遍重視和持續(xù)投入，雷達極化理論進一步深化發(fā)展、極化測量數據豐富多樣、應用愈加廣泛深入，尤其是進入21世紀后呈現出加速發(fā)展態(tài)勢，大批先進極化雷達相繼問世，在氣象探測、微波遙感、空間監(jiān)視等民用和軍用領域取得令人振奮的應用成果，展現出蓬勃發(fā)展的局面。目前，美國、歐洲等國家對雷達極化問題給予了持續(xù)關注和高度投入，同時寓軍于民進行融合式發(fā)展。為支撐對地觀測、海洋遙感、氣象探測、防災減災等重大應用需求，在美國的多功能相控陣(MPAR)[15,16]、德國的TanDEM衛(wèi)星[17]、日本的ALOS衛(wèi)星[18]等重大計劃中，雷達極化問題均被列為重要研究內容。具有高精度極化測量和高性能極化信息獲取與處理能力的新體制雷達相繼研制成功并投入使用，諸如美國的新一代氣象雷達WSR-88D[19,20]、荷蘭的PARSAX氣象雷達[21]、加拿大的Radarsat-2衛(wèi)星[22]、美國的反導雷達GBR[23]、法國的MERIC空中目標監(jiān)視極化ISAR雷達[24]等，在氣象災害預報、對地觀測、國家安全等領域發(fā)揮了重要作用。

縱觀雷達極化學70年的發(fā)展歷程，主要圍繞雷達極化信息獲取、目標極化散射機理和雷達極化信息處理與應用3個方面交融發(fā)展、螺旋上升。21世紀以來，雷達極化技術面臨的測量系統(tǒng)、觀測對象、工作環(huán)境和遂行任務等都發(fā)生了深刻變化[25]，呈現出“信息維度不斷拓展”、“測量精度大幅提升”、“目標對象復雜多樣”等新特點新趨勢，衍生出許多新的概念、體制和技術。當前，隨著雷達探測環(huán)境的復雜化、應用領域的多樣化，對目標和環(huán)境特性的精密測量、物理參數反演、目標分類識別、適應復雜電磁環(huán)境等都提出了越來越高的要求，雷達極化學面臨著新的挑戰(zhàn)，同時也孕育著新的重大發(fā)展機遇。

3　雷達極化信息精確獲取技術

雷達極化信息獲取是極化信息利用的前提和基礎，極化信息獲取能力直接決定了極化信息利用的性能和效果，其核心是利用雷達系統(tǒng)單個脈沖或多個脈沖觀測目標后的多極化通道接收數據，實現目標極化散射特性的測量?？v觀雷達極化信息獲取技術的發(fā)展進程，按照極化測量能力主要可分為單極化、雙極化和全極化等發(fā)展階段。

20世紀50～60年代在空間目標特性測量和武器制導應用中，逐漸出現雙極化體制雷達，諸如美國的ALTAIR雷達、前蘇聯(lián)的Fang Song(“扇歌”)雷達等。該體制采用單極化發(fā)射和正交雙極化接收的方式，能獲取目標極化散射矩陣的一列元素，用于增強雷達探測性能。70年代末期，分時全極化測量體制雷達逐漸出現，該體制采用輪流發(fā)射一對極化狀態(tài)正交的電磁波、正交雙極化同時/輪流接收的方式，通過一組脈沖來測量得到目標的極化散射矩陣，并在對地遙感、氣象探測、戰(zhàn)場偵察等領域得到了廣泛應用，諸如美國于1985年研制的第1部機載極化SAR系統(tǒng)、荷蘭分別于2005和2008年研制的TARA和IDAR氣象雷達[26,27]、日本于2006年發(fā)射的ALOS/PALSAR星載極化SAR[18]、加拿大于2007年發(fā)射的Radarsat-2星載極化SAR[22]等。

為了準確獲取諸如彈道導彈等高速運動目標和降水粒子、鳥群、箔條云密集誘餌/碎片等大尺度分布式“軟”目標的相干極化散射特性，同時全極化測量體制雷達已成為當前極化雷達發(fā)展的重要方向，近年已有數部雷達問世，諸如1995年美國改造的CSU-CHILL氣象雷達[28]、2003年法國研制的MERIC空中目標監(jiān)視ISAR成像雷達[24]、2009年荷蘭改造完畢的PARSAX氣象雷達[21]等，典型同時全極化體制雷達如圖1所示。該體制通過同時發(fā)射一對極化狀態(tài)正交的電磁波，并采用正交雙極化同時接收的方式，即通過“同時發(fā)射、同時接收”(Simultaneous Transmit Simultaneous Receive, STSR)[12]的方式在單個脈沖內獲得目標的極化散射矩陣。相較于分時全極化測量體制，同時全極化測量體制能夠通過單個脈沖獲取目標極化散射矩陣，在極化信息精確獲取和利用方面具有獨特優(yōu)勢，是當前極化測量技術領域備受重視的發(fā)展方向。

隨著雷達極化測量能力和測量帶寬的提高，利用經典極化的“時諧性”概念研究雷達極化問題存在諸多局限，促使了雷達極化學研究從經典極化向瞬態(tài)極化的發(fā)展。國防科技大學王雪松提出“瞬態(tài)極化”概念[3]，系統(tǒng)研究了復雜動態(tài)時變電磁信號輻射、傳播、散射、接收過程中的極化信息獲取、表征與處理問題，在對脈內瞬時全極化測量波形及其信號處理進行深入研究的基礎上，于2008 年研制成功瞬態(tài)極化雷達IPR-X-I和IPR-P-I(分別為X波段和P波段雷達)[29,30]，實現了脈內/脈間時-頻-極化域多維編碼雷達信號波形，具備動態(tài)目標極化散射矩陣的脈內瞬時測量能力，能夠支持氣象、防空、航管、成像和抗干擾等多種應用研究。

隨著極化技術在氣象觀測和防空反導等領域中的應用日益深化，極化信息測量的精度已經成為制約雷達極化技術應用的關鍵因素之一，促使雷達極化測量向精密測量時代邁進。雖然極化雷達經過了多年的發(fā)展，但實際應用中暴露出的問題表明在極化信息精確獲取方面仍存在諸多難題需要突破。主要表現在：一是彈道目標、臨近空間目標、近地空間目標、強機動目標等高動態(tài)目標的極化特性精密測量對全極化測量雷達信號波形設計及信號處理技術提出了新的挑戰(zhàn)；二是面對降水粒子、箔條云、鳥群、密集誘餌/碎片等大尺度分布式目標時，現有的極化測量方法難以滿足極化信息應用對極化測量精度提出的高需求；三是隨著智能化、多功能雷達的蓬勃發(fā)展，全極化相控陣雷達成為未來極化雷達發(fā)展的重要趨勢，但現有相控陣雷達波束形成與極化控制、目標極化特性和角度等參數測量的精度尚難以滿足現實應用需求。

圖1　典型的同時全極化體制雷達，法國MERIC(左)和中國IPR-X-I(右)Fig.1　Typical simultaneous full-polarization radars, MERIC radar from France (left)and IPR-X-I radar from China (right)

我國在雷達極化信息獲取方面的研究工作起步較晚，但在國家相關部門重大科研項目的支持下，極化雷達系統(tǒng)的關鍵器件和工藝水平提升很快。近年來，已有多部極化雷達系統(tǒng)成功問世，如中國電科14所研制的靶場大型地基目標特性測量雷達、中科院電子所研制的機載極化SAR系統(tǒng)、中國電科38所研制的機載極化SAR和極化干涉SAR系統(tǒng)、航天科技704所研制的機載海洋極化SAR系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學研制的高頻地波雷達等。此外，還有多個在研的雷達系統(tǒng)與雷達導引頭均將具備全極化測量能力，如航天科工23所在研的某大型相控陣雷達、中國電科14所在研的某型相控陣雷達和航天科工集團二院、三院在研的雷達導引頭等?？傮w而言，我國在極化雷達系統(tǒng)建設方面取得了長足進步，其硬件平臺的性能指標已趨于國際先進水平。

雷達極化信息的精確獲取被認為是制約極化雷達系統(tǒng)研發(fā)及應用的關鍵瓶頸難題，尤其是高動態(tài)目標極化測量誤差機理模型與補償處理方法、大型地基雷達極化精確校準、全極化相控陣雷達天線波束指向與極化特性的聯(lián)合控制及精密測量等關鍵技術，更是雷達工程界和各領域用戶急欲破解的棘手難題?？傊绾卧诂F有雷達系統(tǒng)硬件基礎上，推動極化測量體制和信號處理理論與技術創(chuàng)新、提升雷達極化信息精確獲取能力是亟需研究的重大課題。

4　雷達極化敏感陣列信號處理技術

極化敏感陣列信號處理主要包括目標檢測、自適應處理和參數估計等3個方面[31,32]，其研究歷史可以追溯到20世紀70年代初美國貝爾實驗室Lee博士等關于極化分集的工作，盡管其研究針對的主要應用背景為無線通信領域。隨后的研究主要圍繞無線通信和電子偵察中的極化敏感陣列波束形成和信號多維參數估計問題展開，國外主要研究學者有美國俄亥俄州立大學Compton教授、美國華盛頓大學圣路易斯分校的Nehorai教授、佛羅里達大學的李薦教授、美國ESL公司的Ferrara博士、以色列特拉維夫大學的Weiss教授、香港理工大學的黃啟南教授、法國GIPSA實驗室的Le Bihan博士和南錫大學的Miron教授等。

20世紀70年代中期開始，人們逐漸關注極化敏感陣列在雷達目標探測中的應用，相關研究單位主要有美國麻省理工學院林肯實驗室、佐治亞理工研究院、雪城大學、佛羅里達大學、意大利佛羅倫薩大學、那不勒斯“費德里克二世”大學、羅馬大學、荷蘭代爾夫特理工大學等。

2003年，美國佐治亞理工研究院Showman等針對極化敏感陣列雷達提出了空-時-極化域自適應處理的概念[33]。法國雷恩大學Ferro-Famil和美國MITRE公司Fante等分別對空-時-極化域自適應處理在地面動目標顯示和寬帶干擾抑制進行了研究[34,35]。2005年由Nehorai教授牽頭，美國國防部和國防高級研究計劃局(DARPA)分別啟動了“面向全域最優(yōu)的自適應波形設計”的多學科大學研究計劃(MURI)項目和“復雜海洋環(huán)境中低小目標探測的自適應波形設計”項目[36]，項目主管單位分別為美國空軍科研辦公室(AFOSR)和海軍實驗室(NRL)，前者的參與大學和企業(yè)有8個，后者的參與單位達9個，主要研究目標分別是面向雷達自適應匹配照射與接收的波形設計和面向復雜海洋環(huán)境中低小目標探測的自適應波形設計，而雷達極化敏感陣列信號處理都是其主要研究內容。2010年，美國普渡大學在美軍通信-電子研發(fā)工程中心(CERDEC)資助下，研制了S波段8×1全極化數字陣列天線[37]。2011年，法國IREENA實驗室Bencheikh博士等研究了基于特征子空間分解的收發(fā)分置雙基地極化MIMO雷達目標測角問題[38]。典型的極化敏感陣列天線如圖2所示。

圖2　典型的極化敏感陣列天線：美國Flam&Russell(左)、瑞典LOIS(中)和北京理工大學(右)Fig.2　Typical polarization sensitive array antennas: Flam&Russell antenna from the United States (left), LOIS antenna from Sweden (middle)and antenna from Beijing Institute of Technology (right)

國內自2002年以來，北京理工大學、國防科學技術大學、西安電子科技大學、電子科技大學、吉林大學、南京理工大學、南京航空航天大學、中國科學技術大學、空軍航空大學、解放軍信息工程大學、華南理工大學、復旦大學等高校以通信和電子偵察為背景，開展了極化敏感陣列信號多維參數估計與波束形成的研究。在利用極化敏感陣列提高雷達目標探測性能方面，國內研究單位主要包括北京理工大學、國防科學技術大學、吉林大學、西安電子科技大學、電子科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、空軍航空大學、南京理工大學等。

整體來看，雷達極化敏感陣列信號處理的研究尚處于起步階段，缺乏系統(tǒng)性，也不夠深入。上述國內外研究工作多假設雷達陣列流形精確已知，對雷達目標環(huán)境(包括雜波與干擾)的假設相對簡單，而實際雷達陣列通常存在由于極化耦合、天線指向誤差、天線位置誤差、通道不一致等因素引起的模型失配，雷達真實環(huán)境遠比現有假設復雜。有關復雜目標與復雜環(huán)境、以及模型失配條件下，雷達極化敏感陣列空-時-極化自適應匹配接收、魯棒自適應波束形成、高容錯性多維參數估計等方面的研究工作亟待開展。

5　復雜目標極化散射特性建模、表征與驗證技術

雷達目標極化散射特性建模、表征與驗證的研究工作是伴隨著雷達極化理論、電磁散射建模理論與測量技術的進步發(fā)展起來的，是雷達極化學在目標特性領域的基礎性問題，其研究成果為目標極化分類識別提供理論、技術和數據支撐。

長期以來，為了實現對復雜目標極化散射特性的準確分析，針對其電磁散射建模的研究一直備受關注。經過數十年的發(fā)展，形成了高頻近似與數值計算兩大類分析方法。以美國為首的西方強國開展了一系列的研究計劃，旨在發(fā)展先進的復雜目標電磁特性建模方法和預估工具。最初研究重點集中于各類高頻近似方法，包括幾何光學(GO)方法、幾何繞射理論(UTD)、物理光學(PO)方法、物理繞射理論(PTD)、彈跳射線(SBR)方法等[39–41]。高頻近似法研究的一個標志性成果是20世紀90年代由美國DEMACO公司和伊利諾依大學開發(fā)的基于PO、PTD和SBR方法的電磁散射分析軟件包Xpatch。經多年努力，在90年代末，伊利諾依大學計算電磁學中心研發(fā)成功了多層快速多極子方法(MLFMA)[42]。 MLFMA具有極高的計算精度及普適性，現已能在X波段精確計算全尺寸型號飛機等復雜目標的電磁散射特性數據[43,44]。國內在數值方法、射線方法研究方面取得了飛速的進展，針對雷達目標極化散射特性的建模技術研究也備受關注。電子科技大學、東南大學、北京環(huán)境特性研究所、復旦大學、北京理工大學、西安電子科技大學等單位的工作進展頗具代表性。在目標極化散射特性建模方法、高性能數值計算技術、高頻計算技術、雷達目標特性工程應用等方面取得了較大的進展。

在目標極化散射測量與驗證方面，國外大都借助目標極化測量結果與理論分析結果相互對比的方式來完成。早在1950年，美國的Sinclair率先在天線理論中引入了極化散射矩陣測量的概念[4]。Huynen的研究工作進一步推動了雷達極化理論的發(fā)展，一些目標極化散射矩陣的測量方法被陸續(xù)提出，并在實驗室測量以及現代極化雷達中被廣泛采用[9]。目前，美國海軍實驗室、密歇根州立大學的微波實驗室、美國麻省理工學院的林肯實驗室等單位和組織均對目標極化散射特性測量理論進行了研究，并建立了完善的實驗室設施。90年代，Mortensen等在EMSL(European Microwave Signature Laboratory)開展了諸多雙站全極化定量測試方面的研究，并形成了行之有效的測量方法[45]。國內北京航空航天大學、北京環(huán)境特性研究所、中科院電子所、中國電科22所、兵器212所、航天科技802所等都開展了極化測量理論和方法的相關研究。典型目標特性測量實驗室如圖3所示。

圖3　目標特性實驗室測量：美國海軍雙站暗室(左)、國內中型緊縮場暗室(右)Fig.3　Target characteristic laboratory measurement: The United States Navy bistatic anechoic chamber (left), Chinese medium-size anechoic chamber (right)

在極化散射機理表征方面，自20世紀90年代以來，國外學者提出利用幾種典型結構散射特性對極化散射機理進行表征的理論路線，在SAR地面目標分類識別和參數反演等方面獲得成功應用[46–51]。針對人造目標識別問題，國內外學者提出了GTD模型、屬性散射中心模型、典型體散射中心模型等[52–56]，但這些模型較少考慮極化效應。

總體而言，我國目前在復雜目標的全極化散射特性建模、極化測量技術和機理表征研究等方面取得了較大進步，但相關研究仍然不夠系統(tǒng)，同發(fā)達國家的相關技術水平相比還存在較大差距。首先，尚未形成對電大尺寸復雜目標寬帶全極化散射特性的精確預估能力，嚴重制約了對目標結構、材料等因素在內的極化散射機理認知和揭示；其次，缺乏完善的目標寬帶全極化散射測量技術體系，難以實現對目標散射模型和機理表征的可靠驗證。最后，缺乏對各類典型結構和材料目標的時域、頻域、空域極化特性的深入研究，難以獲得有效的復雜目標極化散射表征模型和手段，無法滿足目標探測、分類與識別的要求。因此，需要系統(tǒng)研究更為有效的目標極化散射特性建模分析方法和實驗測量技術，提高建模精度和求解效率，提升基于實驗室測量的目標極化散射特性模型驗證能力，推動目標極化散射機理表征理論和方法的發(fā)展完善，更好地支撐雷達極化理論與技術的整體進步。

6　雷達極化抗干擾技術

雷達極化抗干擾技術的研究始于20世紀70年代，是雷達極化學中最早成功應用于工程的分支之一[57]。雷達科學家很早就發(fā)現，當雷達干擾與目標在時域、頻域、空域無法很好地區(qū)分時，極化抗干擾往往能夠體現出獨特的優(yōu)勢極化抗干擾技術就是利用這種極化特性差異，通過濾除干擾、鑒別(辨別)干擾等途徑抑制干擾對雷達探測的影響。

近年來，隨著雷達極化信息獲取和處理技術的發(fā)展，目標回波與干擾信號在極化域的特性差異逐步得以被更加深刻地洞察、揭示和利用，極化抗干擾也因此日益受到重視。該領域有代表性的研究機構主要包括美國的佐治亞理工研究院、伊利諾依大學、喬治·華盛頓大學、國家大氣研究中心，意大利的佛羅倫薩大學、羅馬大學，荷蘭的代爾夫特理工大學、日本的新瀉大學，國內的國防科學技術大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京理工大學、空軍預警學院、電子科技大學、西安電子科技大學等院校以及中國電科集團14所、38所、兵器工業(yè)集團、航天科工二院、三院等國防工業(yè)部門。

極化抗雜波干擾最早的實踐是抑制雨雜波干擾，隨后逐步拓展到氣象雷達地雜波干擾抑制、情報雷達射頻干擾抑制、火控雷達假目標欺騙干擾鑒別等多個應用領域。20世紀70年代初，美國佐治亞理工研究院的Nathanson針對雨雜波干擾提出了著名的自適應極化對消器(Adaptive Polarization Canceller, APC)，他們發(fā)現雨雜波在時域(距離)、頻域(多普勒)、空域(角度)上覆蓋目標回波而無法用時、頻、空域抗干擾手段消除，但雨雜波與目標回波的極化狀態(tài)存在差異，APC將兩個正交極化天線(左旋圓極化、右旋圓極化)接收的雜波信號通過相關反饋環(huán)進行自適應加權輸出，達到穩(wěn)態(tài)后的合成接收極化即是雨雜波干擾的正交極化，此措施可有效對消雨雜波，改善雷達在強降雨中的目標探測能力[58]。

20世紀90年代，氣象雷達成為極化抗干擾技術的重要應用平臺。荷蘭代爾夫特理工大學的Moisseev、Unal等人研究發(fā)現，含有地雜波的信號區(qū)域交叉極化相關系數相對較小，因此能夠利用這種差異將與氣象目標混為一體的地雜波干擾有效濾除，并先后提出了多種極化濾波方法，成功應用于雙極化氣象雷達[59,60]。

進入21世紀，極化抗干擾的應用領域進一步拓寬。雖然較少看到國外在相關方面的報道，但國內相關科研單位近年來掀起了極化抗干擾技術的應用研究熱潮。2001年哈爾濱工業(yè)大學提出了利用極化濾除抑制電臺射頻干擾的方法并成功應用于某型高頻地波雷達，有效提升了該雷達的超視距目標搜索能力[61,62]。2013年國防科學技術大學利用瞬時極化變換濾波技術成功消除了某型UHF波段情報雷達面臨的移動通信基站強烈干擾，有效提升了該型雷達在干擾方向的目標檢測能力(如圖4所示)[63]。除此之外，空軍裝備研究院、中國電科14所等單位在大功率變極化器研制等方面取得了重要進展，北京理工大學、空軍預警學院等多家單位亦開展了理論和實踐工作。

隨著各種電磁用頻活動的加劇、雷達探測應用范圍的拓展以及電子對抗行動的升級，各種民用工業(yè)射頻干擾、軍用電子干擾、自然環(huán)境雜波干擾大量涌入雷達接收機，雷達面臨的干擾環(huán)境日趨復雜惡劣，射頻干擾對雷達的影響日益嚴重。例如，充斥于自由空間的大量廣播電視信號進入VHF波段雷達接收機后，淹沒了本就微弱的目標回波信號，大大限制了米波雷達對隱身飛機等低散射截面目標的探測能力；而按蜂窩形式密集部署的移動通信發(fā)射基站，其信號頻率、到達方向覆蓋均很寬，嚴重壓縮了UHF波段雷達的可用電磁頻譜和可監(jiān)視空域。這些射頻干擾往往由來自于不同方向、具有不同極化、經歷不同傳播路徑的多個輻射場合成得到，極化特性復雜且呈現空域結構復雜、時域劇烈非平穩(wěn)變化特點，現有的極化抑制方法僅能獲得有限改善甚至完全失效。非平穩(wěn)射頻干擾已成為同頻段雷達平時/戰(zhàn)時均會面臨的重要障礙，亟需在深入分析非平穩(wěn)干擾極化特性形成機理的基礎上，發(fā)展新的雷達極化抑制理論與方法。

地基雷達/艦載雷達低仰角探測、機載雷達下視探測等工作場景中，都會受到地/海雜波的嚴重影響，尤其是對低空慢速目標的探測，因目標回波信號在時域(距離)、頻域(多普勒)、空域(方位)很容易被雜波干擾淹沒或與其非常接近而難以分離、濾除。例如，地基/艦載雷達面臨的目標切向飛行/速度模糊、海雜波譜展寬等情況，機載雷達面臨的目標回波在距離-多普勒聯(lián)合域落入主瓣或旁瓣雜波等情況，導致傳統(tǒng)的多普勒濾波、距離-多普勒聯(lián)合域濾波等手段很難有好的效果。近年來，基于方位-多普勒聯(lián)合域的空-時自適應處理技術得到了很大的發(fā)展，已逐步應用于機載預警雷達系統(tǒng)，極化廣義似然比檢驗(P-GLRT)等極化域雜波抑制方法亦得到了很大的發(fā)展[64,65]，然而這類方法大多是基于均勻分布雜波的假設，即雜波的功率、極化散射特性在各個空間單元具有相似/強相關特性，可以通過相鄰單元估計得到。但實際上，無論是地物雜波還是海面雜波，多數情況下均呈現出“非勻質”的特點，導致雜波特性難以精確預估，非勻質雜波背景下低空慢速目標探測問題已成為雷達探測領域的重要挑戰(zhàn)，充分利用非勻質雜波中孤立強散射點與目標極化散射特性的差異，是有望取得突破的重要途徑。

隨著軍用電子干擾技術的發(fā)展，先進的雷達干擾系統(tǒng)能夠精確模擬目標回波的波形、多普勒特性、航跡特性等，成為雷達極難消除的“影子”目標，不僅會破壞雷達對目標的檢測、跟蹤和識別，還會消耗大量的雷達資源。這類欺騙干擾如果采用單極化天線工作，目前極化雷達已能利用來波信號極化是否與雷達激勵極化相關的差異予以鑒別[57]。但隨著雙極化天線干擾機的發(fā)展(如具有交叉極化角度欺騙干擾能力、極化分集能力的APECS-II型干擾機等)，已經可以實現對目標極化散射矩陣的模擬，干擾與目標之間的極化差異被嚴重縮減，現有極化鑒別等方法難以有效挖掘利用這種差異。對于高逼真度精確欺騙干擾這類軍用雷達的重要威脅，基于極化變換理論來挖掘并利用深層次的極化差異，是抗干擾的重要途徑。

圖4　某現役雷達對射頻干擾的極化變換濾波效果Fig.4　Polarization transform filtering effect of one active service radar to the radio frequency interferences

7　雷達目標極化分類識別技術

目標分類識別是雷達最受關注的應用領域之一，也是頗具挑戰(zhàn)性的科學難題[66–68]。電磁散射理論表明目標極化特性敏感于目標形狀、結構、姿態(tài)，同時也與目標材質密切相關[66–71]。極化雷達利用電磁波的矢量特性，獲得目標的極化散射響應特征，對目標的介電常數、幾何形狀、空間取向等物理屬性十分敏感，因此可以增強雷達對目標物理屬性信息的獲取能力，為目標分類識別提供有力支撐。美、英、法、德、意大利、加拿大、日本、荷蘭等發(fā)達國家對雷達目標極化識別技術很早就開始高度關注。

基于窄帶低分辨雷達的窄帶極化識別是最早見諸報道的雷達目標極化識別技術。美國早期就曾嘗試用窄帶極化特征區(qū)分彈頭和誘餌目標。早期的目標極化識別研究思路主要是通過目標極化散射矩陣的變換和分解來獲得目標的 “極化不變量”特征，Kennaugh和Huynen的工作是這一階段的杰出代表[5,9]。1952年，Kennaugh提出了最佳極化的概念[5]。1970年，Huynen提出了“極化叉”的概念[9]。這種基于窄帶極化信息的“極化不變量”能粗略描述目標形狀、胖瘦、有無螺旋結構等，但對復雜形體目標效果不佳，故20世紀80年代以來進展較緩慢?，F有針對空間目標的反導預警等戰(zhàn)略應用中，由于需要兼顧遠距離探測、高精度跟蹤等需求，大型地基極化雷達均包括窄帶工作模式，加之部分雷達低頻工作會兼具反隱身的效果，因此目標低頻窄帶極化特征仍被認為是多特征融合識別方法中的重要特征之一(特別是對于簡單結構形體目標)。

隨著寬帶雷達技術的發(fā)展，雷達距離分辨力顯著提高，目標的強散射點能夠被孤立出來而形成1維距離像，基于1維距離像的極化特征提取能夠提供更為豐富的目標細節(jié)信息。20世紀90年代以來，基于1維高分辨雷達的極化識別技術得到了深入研究和發(fā)展，如1990年美國學者Chamberlain等提出“目標暫態(tài)極化響應(Transient Polarization Response, TPR)”概念，把復雜目標的結構分解為由散射中心對應的多個子結構來分別描述，對多種商用飛機實現了良好的目標識別效果[72]；英國“硫磺石”導彈(Brimstone)利用1維高分辨極化特征實現對不同裝甲車輛目標的有效鑒別(如圖5所示)[73]；美國于90年代末公開報道的24種雷達反導目標識別方法中就包括寬帶極化的識別方法[66]?？偟膩砜?，90年代以來出現了1維高分辨極化分類識別研究的熱潮，對地面目標(坦克、裝甲車)、空中目標(飛機、導彈等)、海上目標(艦船)等均有大量研究和較為成功的應用。

圖5　英國硫磺石導引頭照片及其鑒別不同目標示意圖Fig.5　The images of the British Brimstone seeker and its identification illustrations of different targets

基于高分辨2維成像雷達(主要為SAR和ISAR)的目標極化分類識別是目前最活躍的研究領域之一。從目標類別來看，既包含對空中/空間目標的極化ISAR，也包含對地/對海觀測的極化SAR。隨著全球成像雷達數據源的日益豐富，考慮到1維距離像的姿態(tài)敏感性，越來越多研究者提出利用極化SAR/ISAR進行目標特征提取和分類識別[74–77]，圖6給出了某極化SAR對艦船、尾跡的成像結果。據報道，美國戰(zhàn)略防御計劃的核心——GBR雷達具備全極化測量和ISAR成像能力，能同時捕獲多個高空目標，并實時區(qū)分誘餌和目標[23]。此外，具有極化ISAR成像的雷達還有法國的MERIC系統(tǒng)等。極化SAR方面的雷達系統(tǒng)更是不勝枚舉，可以說，世界上先進SAR系統(tǒng)幾乎都具備全極化能力，代表性的星載(天基)極化SAR系統(tǒng)有：美、德、意聯(lián)合研制的SIR-C/X-SAR系統(tǒng)，歐洲空間局ENVISAT衛(wèi)星上搭載的ASAR系統(tǒng)，加拿大的Radarsat-2系統(tǒng)，日本的ALOS/PALSAR系統(tǒng)，意大利的Cosmo-Skymed系統(tǒng)，德國的TerraSAR-X系統(tǒng)，以色列的TecSAR系統(tǒng)等[74]。隨著極化雷達成像系統(tǒng)的飛速發(fā)展和極化成像數據資源的日益豐富，大大促進了雷達目標極化分類識別理論與算法的創(chuàng)新發(fā)展，同時也正是由于這些系統(tǒng)和數據的出現，雷達目標極化分類識別的很多方法得到了實際的檢驗驗證，并逐步走向成功應用。

極化雷達人造目標3維成像與特征反演是目前最熱門的研究領域之一。近年來，伴隨著雷達極化技術和成像技術的飛速進展，極化雷達3維成像越來越被看好，涌現出包括極化干涉SAR、極化圓周SAR、極化層析SAR等3維成像技術和系統(tǒng)[78–80]。極化干涉SAR是在極化SAR和干涉SAR技術基礎上發(fā)展而來的新興對地觀測技術，通過極化和干涉信息的有效組合實現觀測維度的擴展，并實現對目標的3維散射中心分離[81]。對某些特定類型目標，如樹木植株等，極化干涉成像理論可實現樹干、樹冠等特定散射結構的分離，在森林遙感中獲得成功應用，但難以直接應用于人造目標。極化層析SAR 3維成像技術的研究始于20世紀90年代中期，將極化和層析技術結合能夠顯著降低目標極化散射特征描述的模糊性，提供更為豐富的目標細節(jié)特征，明顯改善針對隱藏目標或微弱目標的檢測和3維成像性能，因而被廣泛地認為對目標識別技術的發(fā)展將產生巨大推動作用[82]。目前，這一領域的研究總體上仍處于起步階段。我國自90年代以來，在極化雷達系統(tǒng)研制方面也有著長足的進展：1994年北京無線電測量研究所(BIRM)研制成功了一部C波段逆合成孔徑實驗雷達C-ISAR；中國電科14所研制了某大型地基目標特性測量雷達，具備ISAR能力；中科院電子所、中國電科38所、航天科技704所等單位研制了多種型號/類型的極化SAR系統(tǒng)。在目標極化分類識別技術方面也開展了一定的研究，相關的研究機構主要有國防科學技術大學、清華大學、武漢大學、復旦大學、電子科技大學、西安電子科技大學、中科院電子所、航天科技/科工集團、兵器工業(yè)集團等。

總體而言，目前雷達目標極化分類識別的需求愈加廣泛——防空反導、低空監(jiān)視等對空中/空間目標識別的需求長盛不衰，戰(zhàn)場監(jiān)視、國土資源、對地遙感、精確制導等對地面目標識別需求亟待解決，海洋監(jiān)測和海上維權等領域對海上目標的識別需求愈發(fā)迫切。雖然目前雷達目標極化識別已經形成較豐富的理論體系，但研究分支龐雜，具體的理論性研究成果多，普適的應用性研究成果少。目標全極化散射響應特征易受非目標因素影響、極化3維成像系統(tǒng)與散射圖像重構理論不成熟、分類識別器正確率低和泛化能力不足等瓶頸問題有待突破，開展人造目標精細幾何結構特征提取、相對不變特征提取、3維全極化散射圖像重構、以增強泛化能力為導向的分類識別器設計與訓練等科學問題的研究工作已經刻不容緩。

圖6　極化SAR對艦船、尾跡成像結果Fig.6　Polarimetric SAR image of ships and their wakes

8　總結與展望

雷達極化理論與技術已在微波遙感、氣象探測、防空反導、精確制導等諸多領域得到成功應用，但是對這一信息資源的研究開發(fā)深度和廣度還遠不能與其重要性相稱。隨著對目標和環(huán)境特性的精密測量、物理參數反演、分類識別、抗干擾等各種應用需求的強勁增長，具有精密極化測量能力的雷達體制已成為現代雷達重要發(fā)展趨勢，現有雷達極化理論與技術體系正面臨著嚴峻挑戰(zhàn)和重大發(fā)展機遇。

面對國防安全、周邊形勢以及國家經濟社會的發(fā)展，新的重大需求不斷涌現，對雷達極化學帶來新一輪的強勁需求牽引。在國防安全領域，東海防空識別區(qū)、反導目標識別等重大問題對雷達極化信息的深入挖掘及其在空中/空間目標分類識別等領域的應用提出了急迫需求。在海洋利益拓展、海上維權領域，近年來海權維護行動和海島爭端中，對海上艦船目標的有效監(jiān)測監(jiān)控和可靠分類識別已成為雷達極化學發(fā)展的又一重要驅動力。在經濟社會發(fā)展領域，隨著航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是我國實行低空空域開放政策以來以及各類無人飛行器的迅猛增長，中低空監(jiān)視管控、尤其是在復雜自然/城區(qū)環(huán)境下對“低、小、慢”目標的有效檢測和識別已成為棘手難題。這些重大問題為雷達極化學帶來了新的發(fā)展契機。

從我國雷達極化學的總體發(fā)展來看，目前存在兩個“不平衡”：一是雷達極化學基礎理論與關鍵技術在微波成像領域(特別是對地觀測)的發(fā)展與在其它領域(如對空探測等)的發(fā)展不平衡。在微波成像對地觀測領域，國內已有包括“多維度微波成像基礎理論與關鍵技術”國家自然科學基金重大項目、“高分辨對地觀測系統(tǒng)”重大專項(簡稱“高分專項”)、中歐“龍計劃”等在內的多個重大項目和重大計劃的鼎力支持，已經取得了相當多的理論成果和成功應用。相比之下，在對空探測、低空監(jiān)視等領域則缺乏系統(tǒng)的重大項目支持。二是雷達極化的“硬能力”與“軟能力”發(fā)展不平衡。在“硬能力”方面，近年來我國陸續(xù)研制成功多部具有極化測量能力的雷達系統(tǒng)，極化雷達系統(tǒng)硬件建設水平整體上已接近甚至達到國際先進水平。相比之下，雷達極化信息的開發(fā)利用的“軟能力”發(fā)展則相對不足，包括雷達極化精確測量信號處理與數據處理、目標極化信息表征與定量提取、極化目標分類識別等在內的諸多基礎科學問題成為制約應用的瓶頸。

在這樣的形勢下，需要秉承“著眼當前、放眼未來，緊貼需求、面向應用”的理念，瞄準雷達極化技術前沿發(fā)展和國家安全重大應用需求，大力推動雷達極化基礎理論與關鍵技術的創(chuàng)新發(fā)展，取得一批國際一流、有重大突破、重大影響的理論成果和應用成果，推進新的雷達技術變革和里程碑式的應用發(fā)展，為當前我國經濟社會發(fā)展和國家安全做出積極貢獻。

致謝感謝清華大學楊健教授、北京理工大學劉志文教授、航天科工集團207所殷紅成研究員、國防科技大學李永禎副研究員、施龍飛副研究員、代大海副教授、陳思偉講師、邢世其講師、龐晨講師等人在本文撰寫過程中提供的有益建議和熱情幫助。

[1]Mott H著, 林昌祿譯.天線和雷達中的極化[M].成都: 電子科技大學出版社, 1989.Mott H.Polarization in Antennas and Eadars[M].Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China Press, 1989.

[2]莊釗文, 肖順平, 王雪松.雷達極化信息處理及其應用[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1999.Zhuang Zhaowen, Xiao Shunping, and Wang Xuesong.Radar Polarization Information Processing and Application[M].Beijing: National Defense Industry Press, 1999.

[3]王雪松.寬帶極化信息處理的研究[D].[博士論文], 國防科學技術大學研究生院, 1999.Wang Xue-song.Study on wideband polarization information processing[D].[Ph.D.dissertation], Graduate School of National University of Defense Technology, 1999.

[4]Sinclair G.The transmission and reception of elliptically polarized waves[J].Proceedings of the IRE, 1950, 38(2): 148–151.

[5]Kennaugh E M.Polarization properties of radar reflection[D].Ohio State University, 1952.

[6]Graves C D.Radar polarization power scattering matrix[J].Proceedings of the IRE, 1956, 44(2): 248–252.

[7]柯有安.雷達散射矩陣與極化匹配接收[J].電子學報, 1963, (3): 1–11.Ke Youan.Radar scattering matrix and polarization matching Receive[J].Acta Electronica Sinica, 1963, (3): 1–11.

[8]Ke Y A and Liu Z W.Early studies on target models in China[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2001, 37(3): 1070–1075.

[9]Huynen J R.Phenomenological theory of radar targets[D].Delft University of Technology, 1970.

[10]Kostinski A B and Boerner W M.On foundations of radar polarimetry[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1986, 34(12): 1395–1404.

[11]Boerner W M, Yan W L, Xi A Q, et al..On the basic principles of radar polarimetry-the target characteristic polarization state theory of Kennaugh, Huynen’s polarization fork concept, and its extension to the partially polarized case[J].Proceedings of the IEEE, 1991, 79(10): 1538–1550.

[12]Giuli D.Polarization diversity in radars[J].Proceedings of the IEEE, 1986, 74(2): 245–269.

[13]van Zyl J J, Zebker H A, and Elachi C.Imaging radar polarization signatures: theory and observation[J].Radio Science, 1987, 22(4): 529–543.

[14]Zebker H A and Van Zyl J J.Imaging radar polarimetry: a review[J].Proceedings of the IEEE, 1991, 79(11): 1583–1606.

[15]Weadon M, Heinselman P L, Forsyth D, et al..Multifunction phased-array radar[J].Bulletin of the American Meteorological Society, 2009, 90(3): 385–389.

[16]Weber M E, Cho J Y N, Herd J S, et al..The next generation multi-mission U.S.Surveillance radar network[J].Bulletin of the American Meteorological Society, 2007, 88(11): 1739–1751.

[17]Rodriguez-Cassola M, Prats P, Schulze D, et al..First biostatic spaceborne SAR experiments with TanDEM-X[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2012, 9(1): 33–37.

[18]Shimada M, Tadono T, and Rosenqvist A.Advanced Land Observing Satellite (ALOS)and monitoring global environmental change[J].Proceedings of the IEEE, 2010, 98(5): 780–799.

[19]Doviak R J, Bringi V, Ryzhkov, et al..Considerations for polarimetric upgrades to operational WSR-88D radars[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2000, 17(3): 257–278.

[20]Doviak R J and Zrnic D S.WSR-88D radar for research and enhancement of operations: polarimetric upgrades toimprove rainfall measurements[EB/OL].http://publications.nssl.noaa.gov/wsr88d_reports/2pol_upgrades.pdf, 1998.

[21]Krasnov O A, Ligthart L P, Li Z, et al..The PARSAX - full polarimetric FMCW radar with dual-orthogonal signals[C].European Radar Conference, Delft, the Netherlands, 2008: 84–87.

[22]陳思偉, 代大海, 李盾, 等.Radarsat-2 的系統(tǒng)組成及技術革新分析[J].航天電子對抗, 2008, 24(1): 33–36.Chen Si-wei, Dai Da-hai, Li Dun, et al..Constitution and technical advancements of Radarsat-2[J].Aerospace Electronic Warfare, 2008, 24(1): 33–36.

[23]Stone M L and Banner G P.Radars for the detection and tracking of ballistic missiles, satellites, and Planets[J].Lincoln Laboratory Journal, 2000, 12(2): 217–244.

[24]Titin-Schnaider C and Attia S.Calibration of the MERIC full-polarimetric radar: theory and implementation[J].Aerospace Science and Technology, 2003, 7(8): 633–640.

[25]楊建宇.雷達技術發(fā)展規(guī)律和宏觀趨勢分析[J].雷達學報, 2012, 1(1): 19–27.Yang Jian-yu.Development laws and macro trends analysis of radar technology[J].Journal of Radars, 2012, 1(1): 19–27.

[26]Ventura J F I.Design of a high resolution X-band Doppler polarimetric weather radar[D].Delft University of Technology, 2009.

[27]Unal C M H.Spectral polarimetric radar clutter suppression to enhance atmospheric echoes[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2009, 26(9): 1781–1797.

[28]Brunkow D, Bringi V N, Kennedy P C, et al..A description of the CSU-CHILL national radar facility[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2000, 17(12): 1596–1608.

[29]王雪松, 王劍, 王濤, 等.雷達目標極化散射矩陣的瞬時測量方法[J].電子學報, 2006, 34(6): 1020–1025.Wang Xue-song, Wang Jian, Wang Tao, et al..Instantaneous measurement of radar target polarization scattering matrix[J].Acta Electronica Sinica, 2006, 34(6): 1020–1025.

[30]王雪松, 李永禎, 戴幻堯, 等.瞬態(tài)極化雷達系統(tǒng)及實驗研究[J].科學通報, 2010, 55(10): 938–944.Wang Xue-song, Li Yong-zhen, Dai Huan-yao, et al..Research on instantaneous polarization radar system and external experiment[J].Chinese Science Bulletin, 2010, 55(10): 937–944.

[31]莊釗文, 徐振海, 肖順平, 等.極化敏感陣列信號處理[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2005.Zhuang Zhaowen, Xu Zhenhai, Xiao Shunping, et al..Signal Processing of Polarization Sensitive Array[M].Beijing: National Defense Industry Press, 2005.

[32]徐友根, 劉志文, 龔曉峰.極化敏感陣列信號處理[M].北京: 北京理工大學出版社, 2013.Xu Yougen, Liu Zhiwen, and Gong Xiaofeng.Signal Processing of Polarization Sensitive Array[M].Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2013.

[33]Showman G A, Melvin W L, and Belenkii M.Performance evaluation of two polarimetric STAP architectures[C].Proceedings of the IEEE Radar Conference, Huntsville, Alabama, USA, 2003: 59–65.

[34]Ferro-Famil L, Cristallini D, Colone F, et al..Exploiting polarization together with space-time adaptive processing for GMTI in high resolution SAR images[C].Proceedings of the European Conference on Synthetic Aperture Radar, Aachen, Germany, 2010: 402–405.

[35]Fante R L and Vaccaro J J.Evaluation of adaptive spacetime-polarization cancellation of broadband interference[C].Proceedings of the IEEE Position Location and Navigation Symposium, Palms Springs, California, USA, 2002.

[36]Hurtado M, Xiao J J, and Nehorai A.Adaptive polarimetric design for target estimation, detection, and tracking[J].IEEE Signal Processing Magazine, 2009, 26: 576–587.

[37]Fulton C and Chappell W J.Calibration of a digital phased array for polarimetric radar[C].The IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Anaheim, California, USA, 2010: 161–164.

[38]Bencheikh M L and Wang Y.Combined esprit-rootmusic for DOA-DOD estimation in polarimetric bistatic MIMO radar[J].Progress in Electromagnetics Research Letters, 2011, 22: 109–117.

[39]Pathak P H, Carluccio G, and Albani M.The uniform geometrical theory of diffraction and some of its applications[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2013, 55(4): 41–69.

[40]Aguilar G A and Pathak P H.A time domain formulation of the uniform geometrical theory of diffraction for scattering from a smooth convex surface[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013, 61(10): 5144–5154.

[41]Weinmann F.UTD shooting-and-bouncing extension to a PO/PTD ray tracing algorithm[J].Applied Computational Electromagnetics Society Journal, 2009, 24(3): 281–293.

[42]Chew W C, Jin J M, and Song J M.Fast and Efficient Algorithms in Computational Electromagnetics[M].Boston: Artech House, 2001.

[43]胡俊, 聶在平, 王軍, 等.三維電大目標散射求解的多層快速多極子方法[J].電波科學學報, 2004, 19(5): 509–514.Hu Jun, Nie Zai-ping, Wang Jun, et al..Multilevel fast multipole algorithm for solving scattering from 3-D electrically large object[J].Chinese Journal of Radio Science, 2004, 19(5): 509–514.

[44]Ergul O and Gurel L.Efficient parallelization of themultilevel fast multipole algorithm for the solution of largescale scatterig problems[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, 56(8): 2335–2344.

[45]Mortensen H B.Implementation of bistatic polarimetric calibration procedure for the EMSL[R].European Microwave Signature Laboratory, 1995, 25.

[46]Krogager E.Aspects of polarimetric radar imaging[D].Technical University of Denmark, 1993.

[47]Cameron W L, Youssef N N, and Leung L K.Simulated polarimetric signatures of primitive geometrical shapes[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1996, 34(3): 793–803.

[48]Freeman A and Durden S L.A three-component scattering model for polarimetric SAR data[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1998, 36(3): 963–973.

[49]Yamaguchi Y, Sato A, Boerner W M, et al..Fourcomponent scattering power decomposition with rotation of coherency matrix[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(6): 2251–2258.

[50]Cloude S R and Pottier E.A review of target decomposition theorems in radar polarimetry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1996, 34(2): 498–518.

[51]Chen S W, Li Y Z, Wang X S, et al..Modeling and interpretation of scattering mechanisms in polarimetric SAR: advances and perspectives[J].IEEE Signal Processing Magazine, 2014, 31(4): 79–89.

[52]Hurst M P and Mittra R.Scattering center analysis via prony’s method[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1987, 35(8): 986–988.

[53]Potter L C, Chiang D M, and Carriere R.A GTD-based parametric model for radar scattering[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1995, 43(10): 1058–1067.

[54]Potter L C and Moses R L.Attributed scattering centers for SAR ATR[J].IEEE Transactions on Image Processing, 1997, 5(1): 79–91.

[55]Gerry M J, Potter L C, and Gupta I J.A parametric model for synthetic aperture radar measurements[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1999, 47(7): 1179–1188.

[56]Jackson J A and Moses R L.Feature extraction algorithm for 3D scene modeling and visualization using monostatic SAR[J].Proceedings of SPIE, 2006, 6237(1): 55–66.

[57]李永禎, 肖順平, 王雪松, 等.雷達極化抗干擾技術[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2010.Li Yongzhen, Xiao Shunping, Wang Xuesong, et al..Radar Polarization ECCM Technology[M].Beijing: National Defense Industry Press, 2010.

[58]Nathanson F E.Adaptive circular polarization[C].IEEE International Radar Conference, Arlington, VA, USA, 1975: 221–225.

[59]Moisseev D N, Unal C M H, Russchenberg H W J, et al..Doppler polarimetric ground clutter identification and suppression for atmospheric radars based on co-polar correlation[C].Proceedings of International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications, 2000, 1: 94–97.

[60]Unal C M H and Moisseev D N.Combined doppler and polarimetric radar measurements: correction for spectrum aliasing and non-simultaneous polarimetric measurements[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2004, 21(3): 443–456.

[61]張國毅, 劉永坦.高頻地波雷達的三維極化濾波[J].電子學報, 2000, 28(9): 114–116.Zhang Guo-yi and Liu Yong-tan.Three dimension polarization filtering of HF ground wave radar[J].Acta Electronica Sinica, 2000, 28(9): 114–116.

[62]張國毅, 劉永坦.高頻地波雷達多干擾的極化抑制[J].電子學報, 2001, 29(9): 1206–1209.Zhang Guo-yi and Liu Yong-tan.Polarization suppression of multidisturbance in HF ground wave radar[J].Acta Electronica Sinica, 2001, 29(9): 1206–1209.

[63]任博, 施龍飛, 王洪軍, 等.抑制雷達主波束內GSM干擾的極化濾波方法研究[J].電子與信息學報, 2014, 36(2): 459–464.Ren Bo, Shi Long-fei, Wang Hong-jun, et al..Investigation on of polarization filtering scheme to suppress GSM interference in radar main beam[J].Journal of Electronics & Information Technology, 2014, 36(2): 459–464.

[64]Lombardo P, Pastina D, and Bucciarelli T.Adaptive polarimetric target detection with coherent radar.Part I: Detection against Gaussian background[J].IEEE Transactions on Aerospace & Electronic Systems, 2001, 37(4): 1194–1206.

[65]Lombardo P, Pastina D, and Bucciarelli T.Adaptive polarimetric target detection with coherent radar.Part II: Detection against non-Gaussian background[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2001, 37(4): 1207–1220.

[66]莊釗文, 王雪松, 等, 雷達目標識別[M].北京: 高等教育出版社, 2015.Zhuang Zhaowen, Wang Xuesong, et al..Radar Target Reorganization[M].Beijing: Higher Education Press, 2015.

[67]肖順平.寬帶極化雷達目標識別的理論與應用[D].國防科學技術大學, 1995.Xiao Shunping.The theory and application of target recognition for wideband polarimetric radar[D].National University of Defense Technology, 1995.

[68]肖順平, 王雪松, 代大海, 等.極化雷達成像處理及應用[M].北京: 科學出版社, 2013.Xiao Shunping, Wang Xuesong, Dai Dahai,et al..Polarimetric Radar Imaging Processing and Application[M].Beijing: Science Press, 2013.

[69]黃培康, 殷紅成, 許小劍.雷達目標特性[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.Huang Peikang, Yin Hongcheng, and Xu Xiaojian.Radar Target Characteristic[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005.

[70]Jin Y Q.Theory and Approach of Information Retrievals from Electromagnetic Scattering and Remote Sensing[M].Berlin Heidelberg, New York: Springer, 2005.

[71]聶在平, 方大剛.目標與環(huán)境電磁散射特性建模[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.Nie Zaiping and Fang Dagang.Modeling of Electromagnetic Scattering Characteristics of Target and Environment[M].Beijing: National Defense Industry Press, 2009.

[72]Chamberlain N F, Walton E K, and Garber F D.Radar target identification of aircraft using polarization-diverse features[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1991, 27(1): 58–67.

[73]習遠望, 張江華, 劉逸平.空地導彈雷達導引頭最新技術進展[J].火控雷達技術, 2010, 39(2): 17–22.Xi Yuan-wang, Zhang Jiang-hua, and Liu Yi-ping.The latest technique progress on air to ground radar seeker[J].Fire Control Radar Technology, 2010, 39(2): 17–22.

[74]Lee J S and Pottier E.Polarimetric Radar Imaging: From Basics to Applications[M].Boca Raton, US: CRC Press, 2009.

[75]van Zyl J J and Kim Y.Synthetic Aperture Radar Polarimetry[M].Hoboken, NJ: Wiley, 2011.

[76]Cloude S R.Polarization Application in Remote Sensing[M].New York, US: Oxford University Press, 2010.

[77]Yamaguchi Y.Radar Polarimetry from Basics to Applications: Radar Remote Sensing Using Polarimetric Information[M].IEICE Press, 2007.

[78]Boerner W M.Recent advances in extra-wide-band polarimetry, interferometry and polarimetric interferometry in synthetic aperture remote sensing and its applications[J].IEEE Proceedings-Radar, Sonar and Navigation, 2003, 150(3): 113–124.

[79]吳一戎, 洪文, 王彥平.極化干涉SAR 的研究現狀與啟示[J].電子與信息學報, 2007, 29(5): 1258–1262.Wu Yi-rong, Hong Wen, and Wang Yan-ping.The currentstatus and implications of polarimetric SAR interferometry[J].Journal of Electronics & Information Technology, 2007, 29(5): 1258–1262.

[80]吳一戎.多維度合成孔徑雷達成像概念[J].雷達學報, 2013, 2(2): 135–142.Wu Yi-rong.Concept of multidimensional space jointobservation SAR[J].Journal of Radars, 2013, 2(2): 135–142.

[81]Cloude S R and Papathanassiou K P.Polarimetric SAR interferometry[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1998, 36(5): 1551–1565.

[82]Reigber A.Airborne polarimetric SAR tomography[D].University of Stuttgart, 2001.

王雪松(1972–)，男，內蒙古人，博士，教授，國防科技大學理學院院長，主要研究方向為極化信息處理、雷達目標識別、新體制雷達技術。

E-mail：wangxuesong@nudt.edu.cn

Status and Prospects of Radar Polarimetry Techniques

Wang Xuesong
(National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Radar polarimetry is an applied fundamental science field that is focused on understanding interaction processes between radar waves and targets and disclosing their mechanisms.Radar polarimetry has significant application prospects in the fields of microwave remote sensing, earth observation, meteorological measurement, battlefield reconnaissance, anti-interference, target recognition, and so on.This study briefly reviews the development history of radar polarization theory and technology.Next, the state of the art of several key technologies within radar polarimetry, including the precise acquisition of radar polarization information, polarization-sensitive array signal processing, target polarization characteristics, polarization antiinterference, and target polarization classification and recognition, is summarized.Finally, the future developments of radar polarization technology are considered.

Polarimetric radar; Radar imaging; Polarization precise measurement; Polarimetric calibration; Polarimetric filter; Target recognition; Anti-interference

TN953

A

2095-283X(2016)02-0119-13

10.12000/JR16039

2016-02-16；改回日期：2016-04-14；網絡出版：2016-04-25

王雪松 wxs1019@vip.sina.com

國家自然科學基金(61490690, 61490693, 61302143)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61490690, 61490693, 61302143)