极化雷达测量体制研究进展

戴幻尧，刘 勇，周 波，耿宏峰

(1.中国洛阳电子装备试验中心， 河南洛阳471003)

(2.航天飞行器生存技术与效能评估实验室， 北京100085)

0 引言

目标极化特性测量是极化信息应用的前提和基础，极化滤波、极化增强、极化目标识别等均需要准确获取目标、杂波或干扰的极化特性。按雷达发射、接收端在极化维的自由度来划分，现有雷达系统大体可分为单极化雷达、双极化雷达及全极化雷达。单极化雷达是指发射和接收端的极化方式均为固定的单一极化，常规的不具有极化信息测量能力的雷达均属于该类系统，这种雷达体制仅能获得目标极化散射矩阵的一个元素，不具备极化信息获取与处理能力。在原有单极化雷达基础上增加一路正交极化接收通道就构成了双极化雷达，该雷达体制采用“单极化发射、正交极化同时接收”的工作模式，具备了一定的极化信息获取与处理能力。通过对正交极化通道的接收信号进行融合处理，可以提高输出信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)，改善雷达的目标检测性能。同时，对两路接收信号进行复加权求和处理，还可以实现一定的抗干扰功能。典型的双极化雷达系统有美国用于观测、跟踪卫星的Millstone Hill雷达，用于弹道导弹防御的AMRAD 雷达［1］和 ALTAIR 雷达［2］。然而，双极化雷达仅能测量目标散射矩阵的一列元素，无法获取目标完整的极化散射信息。例如，发射H极化，同时接收H、V极化时，仅能得到目标极化散射矩阵的HH、VH元素。因此，这种极化测量雷达的极化信息利用程度有限。

因此，自20世纪80年代起，国内外学者开始研究了全极化测量体制，并研制了多套全极化雷达系统。全极化雷达能够测量目标极化散射矩阵的四个元素，为各种极化信息处理提供了数据支持。从发射、接收端的极化组合来划分，当前全极化雷达的极化测量体制大体分为三类:分时极化测量体制、瞬时极化测量体制(也称同时极化测量体制)及紧凑极化测量体制。在这三种极化测量体制下，目标回波信号中均包含有目标的全部极化散射信息，但三者在系统实现结构、发射波形、信号处理等诸多方面存在明显差别，下面加以详细说明。

1 极化测量雷达体制划分

1.1 分时全极化测量体制

受研制技术、实现成本等因素制约，早期的全极化雷达大都采用分时极化测量体制，即采用“交替发射正交极化信号，同时接收目标回波正交极化分量”的工作模式。图1为分时极化测量体制雷达的原理结构框图。

图1 分时极化测量体制雷达的原理结构框图

由于分时极化测量雷达的发射机仅需一路射频电路，降低了实现难度，且研制成本较低，因此得到最早的广泛应用。当前，大多数机载、星载极化SAR系统均采用这种测量体制，国外典型的雷达系统有美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)研制的机载极化 SAR 系统 CV-990［3］、美国麻省理工学院林肯实验室研制的Ka波段机载SAR系统ADTS［4］、美国 NASA 喷气推进实验室(Jet Proulsion Laboratory，JPL)研制的星载 SAR 系统 SIR-C［5］、法国国家航空空间研究局(ONERA)研制的多波段(P/L/S/C/X/Ku)极化 SAR 系统 PAMSES［6］、丹麦遥感中心(Danish Center for Remote Sensing，DCRS)研制的双波段(L/C)极化 SAR系统 EMISAR［7-8］、加拿大空间局(Canadian Space Agency，CSA)研制的 RADARSAT-II系统、日本宇宙航空研究开发机构和日本资源探测用观测系统研究开发机构(Japan Resources Observatioin System Oroganizatioin，JAROS)共同研制的ALOS PALSAR系统以及美国国家气象研究中心(NCAR)研制的S波段S-Pol气象雷达［9-10］等。同时，我国也研制了多套具有分时极化测量能力的极化雷达系统，我国第一部5 cm双线极化雷达［11］、机载极化SAR系统、具有分时极化测量能力的空间目标探测雷达。分时极化测量体制在两个脉冲重复周期(Pulse Repeating Interval，PRI)内才能得到目标完整的极化散射矩阵估计，存在以下几点固有缺陷［12-13］:

(1)分时极化测量体制在一个PRI内仅能得到极化散射矩阵的一列元素，利用连续两次测量才能得到完整的极化散射矩阵，两次测量的时间延迟会使极化散射矩阵重构时各元素产生去相关效应。例如，在第n个PRI内，发射H极化，测得元素sHH(n)、sVH(n)，而在第n+1个PRI内，发射V极化，测得元素sHV(n+1)、sVV(n+1)。对于极化特性快变化的目标(非平稳目标)，这种去相关效应将变得不可接受。

紧凑极化测量体制的原理框图如图5所示。图中的相位控制量α决定了发射信号的极化方式，按该相位控制量的不同，美国资深学者Raney R.K.将紧凑极化测量划分成两类:当α=0°时，雷达发射45°斜线极化，称为π/4极化模式;当α=±90°时，雷达发射左或右旋圆极化，称为Hybrid极化模式。

(3)紧凑极化测量体制不需要极化切换器等射频器件，并且该体制具有自校准功能，方便了雷达系统的误差校准。

(4)分时极化测量体制在发射时需要在两路极化通道间进行切换，极化切换开关的极化隔离度有限，可能产生很高的交叉极化干扰。

2.出台针对基层统战干部的表彰奖励制度。为保证统战干部对统战对象、统战工作的熟悉度，应鼓励其长期从事基层统战工作。为此，应建立基层统战干部“功勋奖励”机制，可考虑经由中央统战部会同组织人事部门对长期从事基层统战工作并取得成绩的党员干部发放纪念章或勋章，对在统战工作某个领域取得突出成绩的“优秀统战干部”予以单项表彰，并作为统战干部年度考核、评先选优、职级晋升的重要依据。

1.2 瞬时全极化测量体制

在实验中，选取的测量频率为10 GHz，固定俯仰角φ0=0°，方位角是仿真产生的随机变量

图2 瞬时极化测量体制雷达的原理结构框图

1992年，文献［13］研究了瞬时极化测量方案，分析了该种测量体制的误差因素，定义了峰值旁瓣电平(Peak Sidelobe Level，PSL)和隔离度(Isolation，I)两个参数来定量评估波形性能;文献［19-21］也深入研究了极化散射矩阵的瞬时测量方法，基于该极化测量体制研究了目标距离、速度和极化散射矩阵的联合估计问题;文献［16-17］分析了星载极化SAR的工作模式，将现有工作模式分为三类:极化时分模式(Polarization Time Division，PTD)、极化频分模式(Polarization Frequency Division，PFD)及极化码分模式(Polarization Code Division，PCD)，并比较了三种工作模式的距离模糊性能;文献［16］将Alamouti空时编码原理与极化分集相结合，设计了基于Golay序列编码的全极化编码波形，分析了该编码波形的检测性能，文献［17］将这种测量方案推广到多组正交极化天线阵情况;文献［18-19］也从不同角度研究了瞬时极化测量体制。在瞬时极化测量雷达研制方面，美国Colorado州立大学研制的CSU-Chill气象雷达;美国佐治亚技术研究所(DIRI)研制的W波段三维成像雷达HIRES-95;法国ONERA研制的的X波段空间目标监视成像雷达MERIC;荷兰Delft理论大学研制的X波段雷达PARSAX。图3是MERIC雷达和PARSAX雷达的照片。

图3 瞬时极化测量体制的地基雷达系统

表1列出了MERIC雷达和PARSAX雷达的主要性能参数［22-26］。图4是由MERIC雷达采用瞬时极化测量模式得到的飞机目标四路极化通道(HH/HV/VH/VV)的二维图像。

表1 MERIC雷达和PARSAX雷达的主要性能参数

图4 MERIC雷达获得的某飞机目标全极化ISAR图像

瞬时全极化测量体制在一个PRI内就可以获得目标完整的极化散射矩阵，在动态目标的极化特性测量方面具有特有优势，正交波形设计及信号处理是其中的关键技术。

1.3 紧凑(Compact)极化测量体制

紧凑极化测量体制于20世纪90年代提出，至今仍为具有巨大发展潜力的一种新体制全极化模式［27-28］。这种极化测量体制最早用于气象目标参数测量，近年来被作为新一代星载极化SAR系统的优选模式。紧凑极化测量体制的主要特点是雷达在发射圆极化或斜线极化信号时，还同时接收目标回波的H、V极化分量。

在此基础上，运用SPSS24.0软件，进行Pearson相关检验，分析空间距离、经济发展水平、人口数量与各客源市场客流量增加值的相关性(表6)。从表6可以看出，空间距离是影响节假日期间客源市场客流量变化的主要因素，空间距离越远，客流量增加值将越小；经济发展水平和人口数量对客源市场客流量变化的影响并不明显，在本研究中未通过相关性检验。

(2)分时极化测量体制无法获得目标在同一时刻的极化散射矩阵，会在两次目标运动测量间引入额外的相位调制误差。

图5 紧凑极化测量体制雷达的原理结构框图

为仿真分析两种极化测量体制在目标极化特性快起伏情况下的测量性能，利用结构较复杂的有翼锥型体目标的暗室测量数据进行仿真实验。与上一部分相同，测量俯仰角固定为φ0=0°，中心方位角为θ0=10°，并仿真产生方位角的随机起伏量，Ts=0.1 s，Tp=0.002 s，扰动标准差为 σθ=0.5°。

在3类产品中，中国和约旦两国的RCA均小于0.8，约旦的RCA甚至小于0.1，说明两国在该类产品出口中，国际竞争力较弱。

(2)在紧凑极化测量体制下，两路接收信号均包含主极化散射分量，两者的平均电平相当，可以减小通道串扰因素影响，并降低对接收机灵敏度的要求，便于雷达系统的硬件实现。

诸暨市人民检察院与市司法局联合成立了检调对接人民调解室，该调解室以检察环节轻微刑事案件和解、民事行政申诉案件和解、涉检信访息诉和解为主要工作内容，运用人民调解手段化解矛盾纠纷。2010年以来，诸暨市人民检察院会同司法局等机构，先后出台了《关于轻伤害案件委托人民调解的若干意见(试行)》《检察批捕、起诉环节检调对接工作实施细则》等文件，规范和细化了检察批捕、起诉环节以及基层检察室的检调对接工作。根据上述文件，检察院对受理的轻微刑事案件，认为采取调解方式更有助于化解矛盾纠纷的，由“检调对接办公室”制作《委托人民调解函》，并附上涉案当事人双方同意调解的申请书等材料，移送人民调解组织进行调解。

(3)在分时极化测量体制下，极化散射矩阵各元素的多普勒采样频率降低了一半，从而使无模糊最大多普勒带宽降低了一半。

式中：s为脑电信号；Q1为对脑电信号进行1/4位数；Q3为对脑电信号进行3/4位数。根据提取好的脑电信号特征，采用ELM和SVM分类器分别对测试数据和训练数据进行警觉度状态的分类。

(4)在紧凑极化测量体制下，目标极化散射矩阵的四个元素混合在一起，不能直接获取目标的全极化信息，需要更加复杂的信号处理算法。

2 极化测量实验与结果分析

图6给出了雷达观测视线与目标之间的空间几何关系。动态目标的极化特性变化可以归结为由观测视线在目标坐标系的视线角(方位角和俯仰角)变化引起的。因此，通过建立观测视线的随机起伏模型，在此基础上利用锥体目标的暗室测量数据进行动态极化测量仿真实验，对比分析分时极化测量和瞬时极化测量两种体制的测量性能。

图6 动态目标的极化测量空间几何示意图

为克服分时极化测量体制的缺陷，同时更加直接的获取目标全极化散射信息，从20世纪90年代初起，国内外学者研究了瞬时极化测量方案［14-19］。该测量方案的基本原理是雷达正交极化通道同时发射两路正交(准正交)编码信号，并同时接收、处理目标回波的正交极化分量，利用波形之间的正交性消除波形互扰，从而利用单次回波即可获得目标完整的极化散射矩阵。瞬时极化测量体制雷达的原理框图如图2所示。

式中:ρ=exp(-Tp/Ts);Ts为视线角度扰动周期;Tp为测量采样间隔(对应于 PRI);nθ(n+1)、nφ(n+1)服从标准正态分布;σθ为视线角度的扰动量标准差。中心方位角 θ0=10°，扰动标准差 σθ=0.5°，扰动周期 Ts=0.1 s，脉冲重复周期 Tp=0.002 s，测量脉冲数 2N=256。雷达信号波形采用单频脉冲波形，τp=10 μs，瞬时极化测量波形选取为频移脉冲矢量波形，f0，H=10/τp=1 MHz，f0，V=20/τp=2 MHz。

紧凑极化测量体制具有以下特点:

当不考虑通道噪声时，直接由上述测量数据求出三路极化通道的自相关函数，即CHH(n)、CVH(n)及CVV(n)。如图7所示，三路极化通道散射特性具有明显的快起伏特性，即相关时间较短，

另一方面，监管部门实时针对危险品运输行业存在的问题对当前法规提出相关修改意见，并协调各部门深刻落实相关法律法规，大力推行监督管理办法整治行业规范，在经济高速发展的同时协同法律与时俱进，具体问题具体分析，不仅对企业，也要制定约束相关监督管理人员的法律法规，要完善相关主管部门的监管职能。

图7 锥体目标三路极化通道的自相关函数

图8是在两种测量体制下极化散射矩阵、Mueller矩阵相对测量误差与SNR的关系曲线，其中，仿真次数为100次，SNR为10 dB～30 dB。可以看出，在目标极化特性快起伏情况下，分时极化测量提取的目标极化特征量存在一个固定偏差，不能正确反映目标极化特性，此时瞬时极化测量体制的测量性能要明显优于分时极化测量体制，瞬时极化测量体制的优势更加明显。

对照组进行硬膜外麻醉,穿刺位置同上,注入局麻药利多卡因2ml与0.2%丁卡因混合液(国药准字H20093223),给药剂量参照麻醉平面情况。

4) 在罐区防火堤外应设置紧急切断阀的现场操作开关，其接点信号直接送至气动执行机构的电磁阀或电液、电动执行机构的紧急停车系统(ESD)动作端子或相应的SIS，用于在紧急情况下现场手动开关紧急切断阀。

图8 两种极化测量体制的测量均方误差性能(锥体目标)

3 结束语

本文立足于两种测量体制的基本原理和信号处理流程，研究了动态目标的全极化测量方法，分析了两种测量体制的误差因素，并进行仿真实验和外场测量实验，验证了瞬时极化测量体制在动态目标极化特性获取方面的有效性和优越性。

纵观极化雷达测量体制的发展历程，经历了从部分极化到全极化，从分时极化到瞬时极化的发展过程。在这一过程中，雷达的目标极化信息获取能力得到了显著提高，获取的目标极化散射特性更加全面和丰富。相应的，雷达极化理论从面向窄带、非相参极化雷达的经典极化理论，逐步发展为面向宽带、相参极化雷达的瞬态极化理论，极化信息处理技术得到了极大的发展。

将瞬时全极化测量体制与相控阵技术相结合的极化雷达是发展的重要方向，该新型雷达能将瞬态极化雷达强大的全极化信号获取处理能力和相控阵雷达灵活的波束调度能力相结合，可显著提升雷达的多批高速目标跟踪测量能力，扩大其探测范围、增强其目标检测、识别和抗干扰能力，具有极大的应用潜力。当前，美国等发达国家已开始对瞬态极化相控阵雷达的相关技术进行研究，美国国防部海军研究局等多个部门已经联手开展该类雷达的研制工作，并计划在2025年前装备使用，以服务于国家安全、空中管制等领域。我国也应重视相关领域的技术积累，特别是加强对极化相控阵技术和极化信息处理技术的研究投入，以期为未来新体制雷达的研制提供技术保障。

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