雷达极化技术研究现状与展望

王雪松

(国防科学技术大学　长沙　410073)

雷达极化技术研究现状与展望

王雪松*

(国防科学技术大学长沙410073)

雷达极化学是研究雷达波与目标相互作用过程中的变极化效应、揭示其作用机理的一门应用基础科学，在微波遥感、对地勘察、气象探测、战场侦察、抗干扰、目标识别等领域有重大应用前景。该文简要回顾了雷达极化理论与技术的发展历程，综述了雷达极化信息精确获取、极化敏感阵列信号处理、目标极化特性、极化抗干扰、目标极化分类识别等关键技术的研究现状，最后对雷达极化技术的发展做了展望。

极化雷达；雷达成像；极化精密测量；极化校准；极化滤波；目标识别；抗干扰

引用格式：王雪松.雷达极化技术研究现状与展望[J].雷达学报, 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

雷达科学与技术在对地观测、资源勘探、气象探测、环境监测、防空反导、侦察监视等民用和军用领域得到广泛而深入的应用，成为关乎国家安全的战略高技术领域，体现了国家综合实力与竞争力。自20世纪30年代雷达投入使用以来，雷达科学与技术始终围绕着两大主题交织发展：一是不断提升雷达在复杂环境中的生存能力和工作能力；二是不断拓展增强对目标信息的获取能力，进而提升对目标对象的分辨、识别和认知能力。

极化作为电磁波的本质属性，是幅度、频率、相位以外的重要基本参量，描述了电磁波的矢量特征，即电场矢端在传播截面上随时间变化的轨迹特性[1–3]。早在20世纪40年代，人们就已发现：目标受到电磁波照射时会出现“变极化效应”，即散射波的极化状态相对于入射波会发生改变，二者存在着特定的映射变换关系，其与目标的姿态、尺寸、结构、材料等物理属性密切相关，因此目标可以视为一个“极化变换器”[4,5]。目标变极化效应所蕴含的目标丰富物理属性信息对提升雷达的目标检测、抗干扰、分类和识别等能力具有极大潜力。经过半个多世纪的发展，雷达极化学已经成为雷达科学与技术的一个专门学科领域，对雷达极化信息的开发利用已经涉及电磁波辐射、传播、散射、接收与处理等与雷达探测相关的全过程。雷达极化信息的应用可对雷达的检测、跟踪、成像、识别以及抗干扰等几乎所有功能都能带来革新和提升，因而雷达极化学在气象探测、地理遥感、空间监视、防空反导、战略预警、战场侦察、精确制导和对抗复杂电磁环境和自然杂波环境等各领域都备受重视并呈现蓬勃发展态势。

2　发展历程

雷达极化的研究始于20世纪40年代。在70多年的发展历程中，雷达极化学从无到有，不断发展，已成体系。

20世纪40、50年代，发展了雷达目标极化特性测量与表征、天线极化特性分析、目标最优极化等基础理论和方法，兴起了雷达极化学研究的第1个高潮[4–6]。

20世纪60、70年代，限于当时技术条件，雷达极化测量的实现技术难度大且代价昂贵，目标极化散射机理难以深刻揭示，相关理论研究成果难以得到有效验证，雷达极化研究经历了短暂低潮[7–9]。

20世纪80年代，随着微波器件与工艺水平、数字信号处理技术的进步，雷达极化测量技术和系统不断获得重大突破，雷达极化学迎来了第1轮的发展高潮。诸如在气象探测方面，1978年英国RAL的S波段雷达和1983年美国的NCAR/CP-2雷达先后完成极化捷变改造；在目标特性测量方面，1980年美国佐治亚理工研究院研制成功极化捷变雷达，并于1984年研制成功脉内极化捷变雷达；在对地观测方面，1985年美国研制出世界上第1部机载极化SAR，等等。这一时期，雷达极化学理论与雷达系统充分结合、相互促进、共同进步，发展和丰富了雷达目标唯象学、极化滤波、极化目标分解等极化信息处理理论，催生了雷达极化在气象探测、抗杂波和电磁干扰、目标分类识别和对地遥感等领域一批早期的技术验证与应用实践，让人们重新认识到雷达极化信息的重要性和不可替代性[10–14]。

20世纪90年代以来，雷达极化学受到世界多个发达国家的普遍重视和持续投入，雷达极化理论进一步深化发展、极化测量数据丰富多样、应用愈加广泛深入，尤其是进入21世纪后呈现出加速发展态势，大批先进极化雷达相继问世，在气象探测、微波遥感、空间监视等民用和军用领域取得令人振奋的应用成果，展现出蓬勃发展的局面。目前，美国、欧洲等国家对雷达极化问题给予了持续关注和高度投入，同时寓军于民进行融合式发展。为支撑对地观测、海洋遥感、气象探测、防灾减灾等重大应用需求，在美国的多功能相控阵(MPAR)[15,16]、德国的TanDEM卫星[17]、日本的ALOS卫星[18]等重大计划中，雷达极化问题均被列为重要研究内容。具有高精度极化测量和高性能极化信息获取与处理能力的新体制雷达相继研制成功并投入使用，诸如美国的新一代气象雷达WSR-88D[19,20]、荷兰的PARSAX气象雷达[21]、加拿大的Radarsat-2卫星[22]、美国的反导雷达GBR[23]、法国的MERIC空中目标监视极化ISAR雷达[24]等，在气象灾害预报、对地观测、国家安全等领域发挥了重要作用。

纵观雷达极化学70年的发展历程，主要围绕雷达极化信息获取、目标极化散射机理和雷达极化信息处理与应用3个方面交融发展、螺旋上升。21世纪以来，雷达极化技术面临的测量系统、观测对象、工作环境和遂行任务等都发生了深刻变化[25]，呈现出“信息维度不断拓展”、“测量精度大幅提升”、“目标对象复杂多样”等新特点新趋势，衍生出许多新的概念、体制和技术。当前，随着雷达探测环境的复杂化、应用领域的多样化，对目标和环境特性的精密测量、物理参数反演、目标分类识别、适应复杂电磁环境等都提出了越来越高的要求，雷达极化学面临着新的挑战，同时也孕育着新的重大发展机遇。

3　雷达极化信息精确获取技术

雷达极化信息获取是极化信息利用的前提和基础，极化信息获取能力直接决定了极化信息利用的性能和效果，其核心是利用雷达系统单个脉冲或多个脉冲观测目标后的多极化通道接收数据，实现目标极化散射特性的测量。纵观雷达极化信息获取技术的发展进程，按照极化测量能力主要可分为单极化、双极化和全极化等发展阶段。

20世纪50～60年代在空间目标特性测量和武器制导应用中，逐渐出现双极化体制雷达，诸如美国的ALTAIR雷达、前苏联的Fang Song(“扇歌”)雷达等。该体制采用单极化发射和正交双极化接收的方式，能获取目标极化散射矩阵的一列元素，用于增强雷达探测性能。70年代末期，分时全极化测量体制雷达逐渐出现，该体制采用轮流发射一对极化状态正交的电磁波、正交双极化同时/轮流接收的方式，通过一组脉冲来测量得到目标的极化散射矩阵，并在对地遥感、气象探测、战场侦察等领域得到了广泛应用，诸如美国于1985年研制的第1部机载极化SAR系统、荷兰分别于2005和2008年研制的TARA和IDAR气象雷达[26,27]、日本于2006年发射的ALOS/PALSAR星载极化SAR[18]、加拿大于2007年发射的Radarsat-2星载极化SAR[22]等。

为了准确获取诸如弹道导弹等高速运动目标和降水粒子、鸟群、箔条云密集诱饵/碎片等大尺度分布式“软”目标的相干极化散射特性，同时全极化测量体制雷达已成为当前极化雷达发展的重要方向，近年已有数部雷达问世，诸如1995年美国改造的CSU-CHILL气象雷达[28]、2003年法国研制的MERIC空中目标监视ISAR成像雷达[24]、2009年荷兰改造完毕的PARSAX气象雷达[21]等，典型同时全极化体制雷达如图1所示。该体制通过同时发射一对极化状态正交的电磁波，并采用正交双极化同时接收的方式，即通过“同时发射、同时接收”(Simultaneous Transmit Simultaneous Receive, STSR)[12]的方式在单个脉冲内获得目标的极化散射矩阵。相较于分时全极化测量体制，同时全极化测量体制能够通过单个脉冲获取目标极化散射矩阵，在极化信息精确获取和利用方面具有独特优势，是当前极化测量技术领域备受重视的发展方向。

随着雷达极化测量能力和测量带宽的提高，利用经典极化的“时谐性”概念研究雷达极化问题存在诸多局限，促使了雷达极化学研究从经典极化向瞬态极化的发展。国防科技大学王雪松提出“瞬态极化”概念[3]，系统研究了复杂动态时变电磁信号辐射、传播、散射、接收过程中的极化信息获取、表征与处理问题，在对脉内瞬时全极化测量波形及其信号处理进行深入研究的基础上，于2008 年研制成功瞬态极化雷达IPR-X-I和IPR-P-I(分别为X波段和P波段雷达)[29,30]，实现了脉内/脉间时-频-极化域多维编码雷达信号波形，具备动态目标极化散射矩阵的脉内瞬时测量能力，能够支持气象、防空、航管、成像和抗干扰等多种应用研究。

随着极化技术在气象观测和防空反导等领域中的应用日益深化，极化信息测量的精度已经成为制约雷达极化技术应用的关键因素之一，促使雷达极化测量向精密测量时代迈进。虽然极化雷达经过了多年的发展，但实际应用中暴露出的问题表明在极化信息精确获取方面仍存在诸多难题需要突破。主要表现在：一是弹道目标、临近空间目标、近地空间目标、强机动目标等高动态目标的极化特性精密测量对全极化测量雷达信号波形设计及信号处理技术提出了新的挑战；二是面对降水粒子、箔条云、鸟群、密集诱饵/碎片等大尺度分布式目标时，现有的极化测量方法难以满足极化信息应用对极化测量精度提出的高需求；三是随着智能化、多功能雷达的蓬勃发展，全极化相控阵雷达成为未来极化雷达发展的重要趋势，但现有相控阵雷达波束形成与极化控制、目标极化特性和角度等参数测量的精度尚难以满足现实应用需求。

图1　典型的同时全极化体制雷达，法国MERIC(左)和中国IPR-X-I(右)Fig.1　Typical simultaneous full-polarization radars, MERIC radar from France (left)and IPR-X-I radar from China (right)

我国在雷达极化信息获取方面的研究工作起步较晚，但在国家相关部门重大科研项目的支持下，极化雷达系统的关键器件和工艺水平提升很快。近年来，已有多部极化雷达系统成功问世，如中国电科14所研制的靶场大型地基目标特性测量雷达、中科院电子所研制的机载极化SAR系统、中国电科38所研制的机载极化SAR和极化干涉SAR系统、航天科技704所研制的机载海洋极化SAR系统、哈尔滨工业大学研制的高频地波雷达等。此外，还有多个在研的雷达系统与雷达导引头均将具备全极化测量能力，如航天科工23所在研的某大型相控阵雷达、中国电科14所在研的某型相控阵雷达和航天科工集团二院、三院在研的雷达导引头等。总体而言，我国在极化雷达系统建设方面取得了长足进步，其硬件平台的性能指标已趋于国际先进水平。

雷达极化信息的精确获取被认为是制约极化雷达系统研发及应用的关键瓶颈难题，尤其是高动态目标极化测量误差机理模型与补偿处理方法、大型地基雷达极化精确校准、全极化相控阵雷达天线波束指向与极化特性的联合控制及精密测量等关键技术，更是雷达工程界和各领域用户急欲破解的棘手难题。总之，如何在现有雷达系统硬件基础上，推动极化测量体制和信号处理理论与技术创新、提升雷达极化信息精确获取能力是亟需研究的重大课题。

4　雷达极化敏感阵列信号处理技术

极化敏感阵列信号处理主要包括目标检测、自适应处理和参数估计等3个方面[31,32]，其研究历史可以追溯到20世纪70年代初美国贝尔实验室Lee博士等关于极化分集的工作，尽管其研究针对的主要应用背景为无线通信领域。随后的研究主要围绕无线通信和电子侦察中的极化敏感阵列波束形成和信号多维参数估计问题展开，国外主要研究学者有美国俄亥俄州立大学Compton教授、美国华盛顿大学圣路易斯分校的Nehorai教授、佛罗里达大学的李荐教授、美国ESL公司的Ferrara博士、以色列特拉维夫大学的Weiss教授、香港理工大学的黄启南教授、法国GIPSA实验室的Le Bihan博士和南锡大学的Miron教授等。

20世纪70年代中期开始，人们逐渐关注极化敏感阵列在雷达目标探测中的应用，相关研究单位主要有美国麻省理工学院林肯实验室、佐治亚理工研究院、雪城大学、佛罗里达大学、意大利佛罗伦萨大学、那不勒斯“费德里克二世”大学、罗马大学、荷兰代尔夫特理工大学等。

2003年，美国佐治亚理工研究院Showman等针对极化敏感阵列雷达提出了空-时-极化域自适应处理的概念[33]。法国雷恩大学Ferro-Famil和美国MITRE公司Fante等分别对空-时-极化域自适应处理在地面动目标显示和宽带干扰抑制进行了研究[34,35]。2005年由Nehorai教授牵头，美国国防部和国防高级研究计划局(DARPA)分别启动了“面向全域最优的自适应波形设计”的多学科大学研究计划(MURI)项目和“复杂海洋环境中低小目标探测的自适应波形设计”项目[36]，项目主管单位分别为美国空军科研办公室(AFOSR)和海军实验室(NRL)，前者的参与大学和企业有8个，后者的参与单位达9个，主要研究目标分别是面向雷达自适应匹配照射与接收的波形设计和面向复杂海洋环境中低小目标探测的自适应波形设计，而雷达极化敏感阵列信号处理都是其主要研究内容。2010年，美国普渡大学在美军通信-电子研发工程中心(CERDEC)资助下，研制了S波段8×1全极化数字阵列天线[37]。2011年，法国IREENA实验室Bencheikh博士等研究了基于特征子空间分解的收发分置双基地极化MIMO雷达目标测角问题[38]。典型的极化敏感阵列天线如图2所示。

图2　典型的极化敏感阵列天线：美国Flam&Russell(左)、瑞典LOIS(中)和北京理工大学(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)

国内自2002年以来，北京理工大学、国防科学技术大学、西安电子科技大学、电子科技大学、吉林大学、南京理工大学、南京航空航天大学、中国科学技术大学、空军航空大学、解放军信息工程大学、华南理工大学、复旦大学等高校以通信和电子侦察为背景，开展了极化敏感阵列信号多维参数估计与波束形成的研究。在利用极化敏感阵列提高雷达目标探测性能方面，国内研究单位主要包括北京理工大学、国防科学技术大学、吉林大学、西安电子科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学、空军航空大学、南京理工大学等。

整体来看，雷达极化敏感阵列信号处理的研究尚处于起步阶段，缺乏系统性，也不够深入。上述国内外研究工作多假设雷达阵列流形精确已知，对雷达目标环境(包括杂波与干扰)的假设相对简单，而实际雷达阵列通常存在由于极化耦合、天线指向误差、天线位置误差、通道不一致等因素引起的模型失配，雷达真实环境远比现有假设复杂。有关复杂目标与复杂环境、以及模型失配条件下，雷达极化敏感阵列空-时-极化自适应匹配接收、鲁棒自适应波束形成、高容错性多维参数估计等方面的研究工作亟待开展。

5　复杂目标极化散射特性建模、表征与验证技术

雷达目标极化散射特性建模、表征与验证的研究工作是伴随着雷达极化理论、电磁散射建模理论与测量技术的进步发展起来的，是雷达极化学在目标特性领域的基础性问题，其研究成果为目标极化分类识别提供理论、技术和数据支撑。

长期以来，为了实现对复杂目标极化散射特性的准确分析，针对其电磁散射建模的研究一直备受关注。经过数十年的发展，形成了高频近似与数值计算两大类分析方法。以美国为首的西方强国开展了一系列的研究计划，旨在发展先进的复杂目标电磁特性建模方法和预估工具。最初研究重点集中于各类高频近似方法，包括几何光学(GO)方法、几何绕射理论(UTD)、物理光学(PO)方法、物理绕射理论(PTD)、弹跳射线(SBR)方法等[39–41]。高频近似法研究的一个标志性成果是20世纪90年代由美国DEMACO公司和伊利诺依大学开发的基于PO、PTD和SBR方法的电磁散射分析软件包Xpatch。经多年努力，在90年代末，伊利诺依大学计算电磁学中心研发成功了多层快速多极子方法(MLFMA)[42]。 MLFMA具有极高的计算精度及普适性，现已能在X波段精确计算全尺寸型号飞机等复杂目标的电磁散射特性数据[43,44]。国内在数值方法、射线方法研究方面取得了飞速的进展，针对雷达目标极化散射特性的建模技术研究也备受关注。电子科技大学、东南大学、北京环境特性研究所、复旦大学、北京理工大学、西安电子科技大学等单位的工作进展颇具代表性。在目标极化散射特性建模方法、高性能数值计算技术、高频计算技术、雷达目标特性工程应用等方面取得了较大的进展。

在目标极化散射测量与验证方面，国外大都借助目标极化测量结果与理论分析结果相互对比的方式来完成。早在1950年，美国的Sinclair率先在天线理论中引入了极化散射矩阵测量的概念[4]。Huynen的研究工作进一步推动了雷达极化理论的发展，一些目标极化散射矩阵的测量方法被陆续提出，并在实验室测量以及现代极化雷达中被广泛采用[9]。目前，美国海军实验室、密歇根州立大学的微波实验室、美国麻省理工学院的林肯实验室等单位和组织均对目标极化散射特性测量理论进行了研究，并建立了完善的实验室设施。90年代，Mortensen等在EMSL(European Microwave Signature Laboratory)开展了诸多双站全极化定量测试方面的研究，并形成了行之有效的测量方法[45]。国内北京航空航天大学、北京环境特性研究所、中科院电子所、中国电科22所、兵器212所、航天科技802所等都开展了极化测量理论和方法的相关研究。典型目标特性测量实验室如图3所示。

图3　目标特性实验室测量：美国海军双站暗室(左)、国内中型紧缩场暗室(右)Fig.3　Target characteristic laboratory measurement: The United States Navy bistatic anechoic chamber (left), Chinese medium-size anechoic chamber (right)

在极化散射机理表征方面，自20世纪90年代以来，国外学者提出利用几种典型结构散射特性对极化散射机理进行表征的理论路线，在SAR地面目标分类识别和参数反演等方面获得成功应用[46–51]。针对人造目标识别问题，国内外学者提出了GTD模型、属性散射中心模型、典型体散射中心模型等[52–56]，但这些模型较少考虑极化效应。

总体而言，我国目前在复杂目标的全极化散射特性建模、极化测量技术和机理表征研究等方面取得了较大进步，但相关研究仍然不够系统，同发达国家的相关技术水平相比还存在较大差距。首先，尚未形成对电大尺寸复杂目标宽带全极化散射特性的精确预估能力，严重制约了对目标结构、材料等因素在内的极化散射机理认知和揭示；其次，缺乏完善的目标宽带全极化散射测量技术体系，难以实现对目标散射模型和机理表征的可靠验证。最后，缺乏对各类典型结构和材料目标的时域、频域、空域极化特性的深入研究，难以获得有效的复杂目标极化散射表征模型和手段，无法满足目标探测、分类与识别的要求。因此，需要系统研究更为有效的目标极化散射特性建模分析方法和实验测量技术，提高建模精度和求解效率，提升基于实验室测量的目标极化散射特性模型验证能力，推动目标极化散射机理表征理论和方法的发展完善，更好地支撑雷达极化理论与技术的整体进步。

6　雷达极化抗干扰技术

雷达极化抗干扰技术的研究始于20世纪70年代，是雷达极化学中最早成功应用于工程的分支之一[57]。雷达科学家很早就发现，当雷达干扰与目标在时域、频域、空域无法很好地区分时，极化抗干扰往往能够体现出独特的优势极化抗干扰技术就是利用这种极化特性差异，通过滤除干扰、鉴别(辨别)干扰等途径抑制干扰对雷达探测的影响。

近年来，随着雷达极化信息获取和处理技术的发展，目标回波与干扰信号在极化域的特性差异逐步得以被更加深刻地洞察、揭示和利用，极化抗干扰也因此日益受到重视。该领域有代表性的研究机构主要包括美国的佐治亚理工研究院、伊利诺依大学、乔治·华盛顿大学、国家大气研究中心，意大利的佛罗伦萨大学、罗马大学，荷兰的代尔夫特理工大学、日本的新泻大学，国内的国防科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、空军预警学院、电子科技大学、西安电子科技大学等院校以及中国电科集团14所、38所、兵器工业集团、航天科工二院、三院等国防工业部门。

极化抗杂波干扰最早的实践是抑制雨杂波干扰，随后逐步拓展到气象雷达地杂波干扰抑制、情报雷达射频干扰抑制、火控雷达假目标欺骗干扰鉴别等多个应用领域。20世纪70年代初，美国佐治亚理工研究院的Nathanson针对雨杂波干扰提出了著名的自适应极化对消器(Adaptive Polarization Canceller, APC)，他们发现雨杂波在时域(距离)、频域(多普勒)、空域(角度)上覆盖目标回波而无法用时、频、空域抗干扰手段消除，但雨杂波与目标回波的极化状态存在差异，APC将两个正交极化天线(左旋圆极化、右旋圆极化)接收的杂波信号通过相关反馈环进行自适应加权输出，达到稳态后的合成接收极化即是雨杂波干扰的正交极化，此措施可有效对消雨杂波，改善雷达在强降雨中的目标探测能力[58]。

20世纪90年代，气象雷达成为极化抗干扰技术的重要应用平台。荷兰代尔夫特理工大学的Moisseev、Unal等人研究发现，含有地杂波的信号区域交叉极化相关系数相对较小，因此能够利用这种差异将与气象目标混为一体的地杂波干扰有效滤除，并先后提出了多种极化滤波方法，成功应用于双极化气象雷达[59,60]。

进入21世纪，极化抗干扰的应用领域进一步拓宽。虽然较少看到国外在相关方面的报道，但国内相关科研单位近年来掀起了极化抗干扰技术的应用研究热潮。2001年哈尔滨工业大学提出了利用极化滤除抑制电台射频干扰的方法并成功应用于某型高频地波雷达，有效提升了该雷达的超视距目标搜索能力[61,62]。2013年国防科学技术大学利用瞬时极化变换滤波技术成功消除了某型UHF波段情报雷达面临的移动通信基站强烈干扰，有效提升了该型雷达在干扰方向的目标检测能力(如图4所示)[63]。除此之外，空军装备研究院、中国电科14所等单位在大功率变极化器研制等方面取得了重要进展，北京理工大学、空军预警学院等多家单位亦开展了理论和实践工作。

随着各种电磁用频活动的加剧、雷达探测应用范围的拓展以及电子对抗行动的升级，各种民用工业射频干扰、军用电子干扰、自然环境杂波干扰大量涌入雷达接收机，雷达面临的干扰环境日趋复杂恶劣，射频干扰对雷达的影响日益严重。例如，充斥于自由空间的大量广播电视信号进入VHF波段雷达接收机后，淹没了本就微弱的目标回波信号，大大限制了米波雷达对隐身飞机等低散射截面目标的探测能力；而按蜂窝形式密集部署的移动通信发射基站，其信号频率、到达方向覆盖均很宽，严重压缩了UHF波段雷达的可用电磁频谱和可监视空域。这些射频干扰往往由来自于不同方向、具有不同极化、经历不同传播路径的多个辐射场合成得到，极化特性复杂且呈现空域结构复杂、时域剧烈非平稳变化特点，现有的极化抑制方法仅能获得有限改善甚至完全失效。非平稳射频干扰已成为同频段雷达平时/战时均会面临的重要障碍，亟需在深入分析非平稳干扰极化特性形成机理的基础上，发展新的雷达极化抑制理论与方法。

地基雷达/舰载雷达低仰角探测、机载雷达下视探测等工作场景中，都会受到地/海杂波的严重影响，尤其是对低空慢速目标的探测，因目标回波信号在时域(距离)、频域(多普勒)、空域(方位)很容易被杂波干扰淹没或与其非常接近而难以分离、滤除。例如，地基/舰载雷达面临的目标切向飞行/速度模糊、海杂波谱展宽等情况，机载雷达面临的目标回波在距离-多普勒联合域落入主瓣或旁瓣杂波等情况，导致传统的多普勒滤波、距离-多普勒联合域滤波等手段很难有好的效果。近年来，基于方位-多普勒联合域的空-时自适应处理技术得到了很大的发展，已逐步应用于机载预警雷达系统，极化广义似然比检验(P-GLRT)等极化域杂波抑制方法亦得到了很大的发展[64,65]，然而这类方法大多是基于均匀分布杂波的假设，即杂波的功率、极化散射特性在各个空间单元具有相似/强相关特性，可以通过相邻单元估计得到。但实际上，无论是地物杂波还是海面杂波，多数情况下均呈现出“非匀质”的特点，导致杂波特性难以精确预估，非匀质杂波背景下低空慢速目标探测问题已成为雷达探测领域的重要挑战，充分利用非匀质杂波中孤立强散射点与目标极化散射特性的差异，是有望取得突破的重要途径。

随着军用电子干扰技术的发展，先进的雷达干扰系统能够精确模拟目标回波的波形、多普勒特性、航迹特性等，成为雷达极难消除的“影子”目标，不仅会破坏雷达对目标的检测、跟踪和识别，还会消耗大量的雷达资源。这类欺骗干扰如果采用单极化天线工作，目前极化雷达已能利用来波信号极化是否与雷达激励极化相关的差异予以鉴别[57]。但随着双极化天线干扰机的发展(如具有交叉极化角度欺骗干扰能力、极化分集能力的APECS-II型干扰机等)，已经可以实现对目标极化散射矩阵的模拟，干扰与目标之间的极化差异被严重缩减，现有极化鉴别等方法难以有效挖掘利用这种差异。对于高逼真度精确欺骗干扰这类军用雷达的重要威胁，基于极化变换理论来挖掘并利用深层次的极化差异，是抗干扰的重要途径。

图4　某现役雷达对射频干扰的极化变换滤波效果Fig.4　Polarization transform filtering effect of one active service radar to the radio frequency interferences

7　雷达目标极化分类识别技术

目标分类识别是雷达最受关注的应用领域之一，也是颇具挑战性的科学难题[66–68]。电磁散射理论表明目标极化特性敏感于目标形状、结构、姿态，同时也与目标材质密切相关[66–71]。极化雷达利用电磁波的矢量特性，获得目标的极化散射响应特征，对目标的介电常数、几何形状、空间取向等物理属性十分敏感，因此可以增强雷达对目标物理属性信息的获取能力，为目标分类识别提供有力支撑。美、英、法、德、意大利、加拿大、日本、荷兰等发达国家对雷达目标极化识别技术很早就开始高度关注。

基于窄带低分辨雷达的窄带极化识别是最早见诸报道的雷达目标极化识别技术。美国早期就曾尝试用窄带极化特征区分弹头和诱饵目标。早期的目标极化识别研究思路主要是通过目标极化散射矩阵的变换和分解来获得目标的 “极化不变量”特征，Kennaugh和Huynen的工作是这一阶段的杰出代表[5,9]。1952年，Kennaugh提出了最佳极化的概念[5]。1970年，Huynen提出了“极化叉”的概念[9]。这种基于窄带极化信息的“极化不变量”能粗略描述目标形状、胖瘦、有无螺旋结构等，但对复杂形体目标效果不佳，故20世纪80年代以来进展较缓慢。现有针对空间目标的反导预警等战略应用中，由于需要兼顾远距离探测、高精度跟踪等需求，大型地基极化雷达均包括窄带工作模式，加之部分雷达低频工作会兼具反隐身的效果，因此目标低频窄带极化特征仍被认为是多特征融合识别方法中的重要特征之一(特别是对于简单结构形体目标)。

随着宽带雷达技术的发展，雷达距离分辨力显著提高，目标的强散射点能够被孤立出来而形成1维距离像，基于1维距离像的极化特征提取能够提供更为丰富的目标细节信息。20世纪90年代以来，基于1维高分辨雷达的极化识别技术得到了深入研究和发展，如1990年美国学者Chamberlain等提出“目标暂态极化响应(Transient Polarization Response, TPR)”概念，把复杂目标的结构分解为由散射中心对应的多个子结构来分别描述，对多种商用飞机实现了良好的目标识别效果[72]；英国“硫磺石”导弹(Brimstone)利用1维高分辨极化特征实现对不同装甲车辆目标的有效鉴别(如图5所示)[73]；美国于90年代末公开报道的24种雷达反导目标识别方法中就包括宽带极化的识别方法[66]。总的来看，90年代以来出现了1维高分辨极化分类识别研究的热潮，对地面目标(坦克、装甲车)、空中目标(飞机、导弹等)、海上目标(舰船)等均有大量研究和较为成功的应用。

图5　英国硫磺石导引头照片及其鉴别不同目标示意图Fig.5　The images of the British Brimstone seeker and its identification illustrations of different targets

基于高分辨2维成像雷达(主要为SAR和ISAR)的目标极化分类识别是目前最活跃的研究领域之一。从目标类别来看，既包含对空中/空间目标的极化ISAR，也包含对地/对海观测的极化SAR。随着全球成像雷达数据源的日益丰富，考虑到1维距离像的姿态敏感性，越来越多研究者提出利用极化SAR/ISAR进行目标特征提取和分类识别[74–77]，图6给出了某极化SAR对舰船、尾迹的成像结果。据报道，美国战略防御计划的核心——GBR雷达具备全极化测量和ISAR成像能力，能同时捕获多个高空目标，并实时区分诱饵和目标[23]。此外，具有极化ISAR成像的雷达还有法国的MERIC系统等。极化SAR方面的雷达系统更是不胜枚举，可以说，世界上先进SAR系统几乎都具备全极化能力，代表性的星载(天基)极化SAR系统有：美、德、意联合研制的SIR-C/X-SAR系统，欧洲空间局ENVISAT卫星上搭载的ASAR系统，加拿大的Radarsat-2系统，日本的ALOS/PALSAR系统，意大利的Cosmo-Skymed系统，德国的TerraSAR-X系统，以色列的TecSAR系统等[74]。随着极化雷达成像系统的飞速发展和极化成像数据资源的日益丰富，大大促进了雷达目标极化分类识别理论与算法的创新发展，同时也正是由于这些系统和数据的出现，雷达目标极化分类识别的很多方法得到了实际的检验验证，并逐步走向成功应用。

极化雷达人造目标3维成像与特征反演是目前最热门的研究领域之一。近年来，伴随着雷达极化技术和成像技术的飞速进展，极化雷达3维成像越来越被看好，涌现出包括极化干涉SAR、极化圆周SAR、极化层析SAR等3维成像技术和系统[78–80]。极化干涉SAR是在极化SAR和干涉SAR技术基础上发展而来的新兴对地观测技术，通过极化和干涉信息的有效组合实现观测维度的扩展，并实现对目标的3维散射中心分离[81]。对某些特定类型目标，如树木植株等，极化干涉成像理论可实现树干、树冠等特定散射结构的分离，在森林遥感中获得成功应用，但难以直接应用于人造目标。极化层析SAR 3维成像技术的研究始于20世纪90年代中期，将极化和层析技术结合能够显著降低目标极化散射特征描述的模糊性，提供更为丰富的目标细节特征，明显改善针对隐藏目标或微弱目标的检测和3维成像性能，因而被广泛地认为对目标识别技术的发展将产生巨大推动作用[82]。目前，这一领域的研究总体上仍处于起步阶段。我国自90年代以来，在极化雷达系统研制方面也有着长足的进展：1994年北京无线电测量研究所(BIRM)研制成功了一部C波段逆合成孔径实验雷达C-ISAR；中国电科14所研制了某大型地基目标特性测量雷达，具备ISAR能力；中科院电子所、中国电科38所、航天科技704所等单位研制了多种型号/类型的极化SAR系统。在目标极化分类识别技术方面也开展了一定的研究，相关的研究机构主要有国防科学技术大学、清华大学、武汉大学、复旦大学、电子科技大学、西安电子科技大学、中科院电子所、航天科技/科工集团、兵器工业集团等。

总体而言，目前雷达目标极化分类识别的需求愈加广泛——防空反导、低空监视等对空中/空间目标识别的需求长盛不衰，战场监视、国土资源、对地遥感、精确制导等对地面目标识别需求亟待解决，海洋监测和海上维权等领域对海上目标的识别需求愈发迫切。虽然目前雷达目标极化识别已经形成较丰富的理论体系，但研究分支庞杂，具体的理论性研究成果多，普适的应用性研究成果少。目标全极化散射响应特征易受非目标因素影响、极化3维成像系统与散射图像重构理论不成熟、分类识别器正确率低和泛化能力不足等瓶颈问题有待突破，开展人造目标精细几何结构特征提取、相对不变特征提取、3维全极化散射图像重构、以增强泛化能力为导向的分类识别器设计与训练等科学问题的研究工作已经刻不容缓。

图6　极化SAR对舰船、尾迹成像结果Fig.6　Polarimetric SAR image of ships and their wakes

8　总结与展望

雷达极化理论与技术已在微波遥感、气象探测、防空反导、精确制导等诸多领域得到成功应用，但是对这一信息资源的研究开发深度和广度还远不能与其重要性相称。随着对目标和环境特性的精密测量、物理参数反演、分类识别、抗干扰等各种应用需求的强劲增长，具有精密极化测量能力的雷达体制已成为现代雷达重要发展趋势，现有雷达极化理论与技术体系正面临着严峻挑战和重大发展机遇。

面对国防安全、周边形势以及国家经济社会的发展，新的重大需求不断涌现，对雷达极化学带来新一轮的强劲需求牵引。在国防安全领域，东海防空识别区、反导目标识别等重大问题对雷达极化信息的深入挖掘及其在空中/空间目标分类识别等领域的应用提出了急迫需求。在海洋利益拓展、海上维权领域，近年来海权维护行动和海岛争端中，对海上舰船目标的有效监测监控和可靠分类识别已成为雷达极化学发展的又一重要驱动力。在经济社会发展领域，随着航空事业的迅猛发展，特别是我国实行低空空域开放政策以来以及各类无人飞行器的迅猛增长，中低空监视管控、尤其是在复杂自然/城区环境下对“低、小、慢”目标的有效检测和识别已成为棘手难题。这些重大问题为雷达极化学带来了新的发展契机。

从我国雷达极化学的总体发展来看，目前存在两个“不平衡”：一是雷达极化学基础理论与关键技术在微波成像领域(特别是对地观测)的发展与在其它领域(如对空探测等)的发展不平衡。在微波成像对地观测领域，国内已有包括“多维度微波成像基础理论与关键技术”国家自然科学基金重大项目、“高分辨对地观测系统”重大专项(简称“高分专项”)、中欧“龙计划”等在内的多个重大项目和重大计划的鼎力支持，已经取得了相当多的理论成果和成功应用。相比之下，在对空探测、低空监视等领域则缺乏系统的重大项目支持。二是雷达极化的“硬能力”与“软能力”发展不平衡。在“硬能力”方面，近年来我国陆续研制成功多部具有极化测量能力的雷达系统，极化雷达系统硬件建设水平整体上已接近甚至达到国际先进水平。相比之下，雷达极化信息的开发利用的“软能力”发展则相对不足，包括雷达极化精确测量信号处理与数据处理、目标极化信息表征与定量提取、极化目标分类识别等在内的诸多基础科学问题成为制约应用的瓶颈。

在这样的形势下，需要秉承“着眼当前、放眼未来，紧贴需求、面向应用”的理念，瞄准雷达极化技术前沿发展和国家安全重大应用需求，大力推动雷达极化基础理论与关键技术的创新发展，取得一批国际一流、有重大突破、重大影响的理论成果和应用成果，推进新的雷达技术变革和里程碑式的应用发展，为当前我国经济社会发展和国家安全做出积极贡献。

致谢感谢清华大学杨健教授、北京理工大学刘志文教授、航天科工集团207所殷红成研究员、国防科技大学李永祯副研究员、施龙飞副研究员、代大海副教授、陈思伟讲师、邢世其讲师、庞晨讲师等人在本文撰写过程中提供的有益建议和热情帮助。

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王雪松(1972–)，男，内蒙古人，博士，教授，国防科技大学理学院院长，主要研究方向为极化信息处理、雷达目标识别、新体制雷达技术。

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；网络出版：2016-04-25

王雪松 wxs1019@vip.sina.com

国家自然科学基金(61490690, 61490693, 61302143)

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