趙春雷王亞梁陽云龍毛興鵬*②于長軍

①(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

②(哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 哈爾濱 150001)

③(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院 威海 264209)

雷達(dá)極化信息獲取及極化信號(hào)處理技術(shù)研究綜述

趙春雷①王亞梁①陽云龍①毛興鵬*①②于長軍②③

①(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

②(哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息感知技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 哈爾濱 150001)

③(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院 威海 264209)

雷達(dá)極化信號(hào)處理技術(shù)作為雷達(dá)領(lǐng)域的熱門研究方向之一，逐漸受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視并在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而極化信息獲取則是極化信號(hào)處理的基礎(chǔ)。該文對(duì)相關(guān)的幾個(gè)主要方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，包括極化信息獲取、極化分集與編碼、極化抗干擾/雜波、目標(biāo)的極化檢測、分類與識(shí)別，最后總結(jié)了雷達(dá)極化技術(shù)面臨的問題，并對(duì)其發(fā)展前景做出展望。

極化信號(hào)處理；極化測量；極化參數(shù)估計(jì)；抗干擾/雜波；目標(biāo)檢測；目標(biāo)分類與識(shí)別

1 引言

作為現(xiàn)代戰(zhàn)場偵察、氣象觀測、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測的重要手段之一，雷達(dá)在軍用、民用領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。在充分挖掘空間電磁波中包含的信息的基礎(chǔ)上，雷達(dá)不僅可以獲取目標(biāo)距離、速度、方位等信息，還能對(duì)目標(biāo)的種類、特性、結(jié)構(gòu)做出分析與判斷。

極化是繼時(shí)域、頻域、空域信息之后雷達(dá)可利用的另一種重要信息，作為電磁波的固有屬性，極化反映了波的電場矢量端點(diǎn)隨時(shí)間變化的規(guī)律，按照其形成的空間軌跡形狀和旋向又可分為線、圓、橢圓極化和左旋、右旋極化。由于接收電磁波的極化狀態(tài)既與發(fā)射天線輻射電磁波的極化狀態(tài)有關(guān)，還受目標(biāo)的形狀、大小、姿態(tài)、物質(zhì)組成等因素影響[1](目標(biāo)的去極化效應(yīng))，因此，將電磁波的極化應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域具備巨大的發(fā)展?jié)摿2]。

極化雷達(dá)體制的提出最早可以追溯到上世紀(jì)50年代，但當(dāng)時(shí)極化信號(hào)處理技術(shù)仍未成熟，無法帶來可觀的性能改善，且由于系統(tǒng)、設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，受限于硬件水平，其成本也大大增加，因此并未得到廣泛應(yīng)用；而隨著軟硬件水平的不斷提高和極化信號(hào)處理技術(shù)的逐漸完善，極化雷達(dá)開始展現(xiàn)出其顯著的優(yōu)勢并逐步成為現(xiàn)代雷達(dá)的主流[3]。從世界范圍看，美國、俄羅斯、加拿大、意大利、德國、法國、荷蘭、日本等國相繼開展了極化雷達(dá)的研制和系統(tǒng)更新改造，在國內(nèi)，國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)等多所高校，以及中科院電子所、中國電子科技集團(tuán)14所、38所、航天科技704所等多家立足電子或航天科技的科研院所都在極化理論研究、系統(tǒng)研制和工程實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了大量的工作[4]?？偟貋碚f，極化雷達(dá)體制經(jīng)歷了從變/雙極化到全極化的漫長發(fā)展歷程，其全極化測量能力從多脈沖周期分時(shí)測量向單脈沖周期同時(shí)測量發(fā)展，針對(duì)的目標(biāo)也從簡單的平穩(wěn)目標(biāo)(理想點(diǎn)散射靜態(tài)目標(biāo))推廣至復(fù)雜的非平穩(wěn)目標(biāo)(結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型目標(biāo)或高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)等)，應(yīng)用范圍越來越廣，并能夠適應(yīng)愈發(fā)復(fù)雜的電磁環(huán)境(寬帶信號(hào)、部分極化波、各類噪聲/雜波/干擾等)。

對(duì)極化雷達(dá)系統(tǒng)而言，其性能優(yōu)勢一方面來自于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)備的升級(jí)帶來的測量精度和穩(wěn)定性的提高，另一方面則主要?dú)w功于成熟的極化信號(hào)處理技術(shù)，利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法對(duì)極化信息進(jìn)行充分的挖掘和利用是其靈魂所在[5]?；緲O化信息的獲取一般通過直接測量或參數(shù)估計(jì)實(shí)現(xiàn)，而極化分集和編碼技術(shù)是更全面、更精確、更快速地實(shí)現(xiàn)極化數(shù)據(jù)觀測的基礎(chǔ)，合理利用獲取的基本極化信息或經(jīng)過進(jìn)一步處理得到的極化信息，并輔以時(shí)域、頻域、空域等其他信息，可以大大提高雷達(dá)的抗干擾/雜波、目標(biāo)檢測、分類與識(shí)別能力，因此，極化信號(hào)處理技術(shù)已成為預(yù)警、監(jiān)視、跟蹤、氣象、遙感、成像等各類雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文對(duì)軍用和民用領(lǐng)域涉及的極化雷達(dá)信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述和總結(jié)，第2節(jié)從目標(biāo)極化散射矩陣和電磁波極化狀態(tài)兩個(gè)方面總結(jié)了雷達(dá)基本極化信息的測量和獲取方法；第3節(jié)介紹了極化分集與編碼的基本概念、實(shí)現(xiàn)方法及其應(yīng)用；第4節(jié)梳理了各類極化抗干擾技術(shù)的發(fā)展歷程、實(shí)現(xiàn)方式和優(yōu)缺點(diǎn)等；第5節(jié)從目標(biāo)極化檢測、分類與識(shí)別的角度介紹了極化信息在雷達(dá)系統(tǒng)中的利用方式及其優(yōu)勢；最后，在第6節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)并對(duì)雷達(dá)極化信號(hào)處理技術(shù)未來的發(fā)展趨勢和前景做出了展望。

2 極化信息獲取

對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)而言，精確地獲取極化信息是雷達(dá)抗干擾、目標(biāo)檢測和識(shí)別的基礎(chǔ)，而通常要獲取的基本極化信息有兩種：目標(biāo)的極化散射矩陣和電磁波的極化狀態(tài)。其中，前者反映了雷達(dá)目標(biāo)的去極化特性，其測量一般需要設(shè)計(jì)特定的發(fā)射/接收體制；后者則反映了雷達(dá)接收電磁波電場取向的時(shí)變特性，只要接收端為極化天線或極化敏感陣列即可對(duì)任意接收信號(hào)進(jìn)行極化參數(shù)估計(jì)。而其他復(fù)雜的極化信息則可在此基礎(chǔ)上利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)進(jìn)一步得到。

2.1 目標(biāo)極化散射矩陣的測量

極化散射矩陣[1]的概念最早由G. Sinclair提出，它反映了目標(biāo)在一定的姿態(tài)和觀測頻率下對(duì)電磁波的極化散射效應(yīng)，可將其記為：

其中的各元素分別表示在發(fā)射/接收端分別采用水平/垂直極化時(shí)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的復(fù)散射系數(shù)。

鑒于任意極化波都可視為一對(duì)正交極化波的幅相加權(quán)合成，極化散射矩陣反映了目標(biāo)對(duì)電磁波的全部極化散射信息。因此，完整而精確地測量極化散射矩陣是雷達(dá)極化信號(hào)處理的關(guān)鍵。

自上世紀(jì)五六十年代起，雷達(dá)系統(tǒng)開始不再局限于傳統(tǒng)的單極化體制，隨著極化理論的逐步完善和硬件水平的不斷提高，極化雷達(dá)測量體制按其出現(xiàn)的時(shí)間順序經(jīng)歷了如下發(fā)展歷程：變極化、雙極化、分時(shí)全極化、同時(shí)全極化、緊縮極化測量體制。

變極化測量模式一般利用選擇開關(guān)控制發(fā)射信號(hào)的極化狀態(tài)，并在接收端采用相同的極化方式進(jìn)行接收[6]。通過不同脈沖間的極化切換，該體制可以在兩個(gè)脈沖周期內(nèi)測得極化散射矩陣的對(duì)角線元素，即同極化分量。然而，該體制對(duì)脈沖重復(fù)周期、極化轉(zhuǎn)換開關(guān)等硬件設(shè)備都有嚴(yán)格要求，因此并未得到廣泛應(yīng)用。

雙極化測量模式采用單極化發(fā)射、正交雙極化同時(shí)接收的工作方式，僅需在接收端增加一個(gè)正交極化通道即可在單個(gè)脈沖周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)極化散射矩陣其中一列元素的測量[5,7]，充分利用獲取的極化信息能夠在一定程度上提高目標(biāo)檢測的信噪比和目標(biāo)跟蹤、抗干擾性能[8,9]。

在此基礎(chǔ)上，分時(shí)全極化測量體制[10]被提出，其融合了變極化體制的正交雙極化脈間交替發(fā)射和雙極化體制的正交雙極化同時(shí)接收方式，使得雷達(dá)能夠在兩個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)測得完整的極化散射矩陣，因此被廣泛應(yīng)用于氣象觀測、地理遙感、電子偵察與對(duì)抗等[11]。由于獲得了完備的目標(biāo)極化信息，利用目標(biāo)與環(huán)境或干擾的不同極化散射特性即可更好地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測、分類、識(shí)別以及干擾抑制等[2,4,6]。但由于極化散射矩陣的兩列元素分別是在不同的脈沖重復(fù)周期內(nèi)測得，該體制仍存在一定的缺陷[12]：對(duì)于極化散射特性起伏的非平穩(wěn)目標(biāo)(如復(fù)雜結(jié)構(gòu)或快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo))會(huì)出現(xiàn)去相關(guān)效應(yīng)和距離模糊現(xiàn)象；需要精確補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的散射矩陣兩列之間的相位差；發(fā)射通道存在交叉極化耦合。鑒于如今大部分現(xiàn)役極化雷達(dá)采用的都是分時(shí)極化測量體制，大規(guī)模的設(shè)備改造代價(jià)太大，因此對(duì)具有較高極化隔離度的極化捷變天線[13,14]或極化分集天線[15,16]的研究仍有較高的實(shí)用價(jià)值。

為克服分時(shí)全極化測量體制的不足，同時(shí)全極化測量體制[17,18]應(yīng)運(yùn)而生，該體制利用雙極化通道同時(shí)發(fā)射波形正交的兩路編碼信號(hào)，并在接收端利用發(fā)射波形的正交性進(jìn)行相關(guān)接收和兩路正交極化發(fā)射信號(hào)的分離，從而避免了發(fā)射端極化切換帶來的負(fù)面影響，在單個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)完整極化散射矩陣的測量。顯然，該體制能夠在更廣泛的應(yīng)用場景下實(shí)現(xiàn)對(duì)各類目標(biāo)極化散射特性的精確測量，大大提高雷達(dá)各方面的性能[4]。

當(dāng)然，盡管同時(shí)全極化測量體制在目標(biāo)檢測、分類、識(shí)別以及抗干擾等方面都存在顯著優(yōu)勢，但仍存在以下問題：系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜、設(shè)備量增大，成本更高；對(duì)信號(hào)的正交波形設(shè)計(jì)、編碼和處理方法提出了更高的要求。為進(jìn)一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低硬件成本，簡縮極化測量體制被提出[19-21]，按照發(fā)射和接收極化方式可將其分為兩類：45°線極化發(fā)射、垂直/水平線極化同時(shí)接收的π/4模式[22]和圓極化發(fā)射、垂直/水平線極化同時(shí)接收的CL-pol模式[23]。簡縮極化測量體制功耗低、對(duì)通道串?dāng)_、不一致性等不敏感，在多數(shù)應(yīng)用場景下其性能基本可以媲美全極化系統(tǒng)[24,25]。

另外，在發(fā)射波形設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方面，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了正負(fù)線性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)、頻移脈沖信號(hào)等多種極化測量波形[18,26]，并針對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)多普勒頻移[27]、波形隔離度[28]、目標(biāo)極化特性起伏[29]、測量誤差[30]等對(duì)極化散射矩陣測量的影響以及相應(yīng)的解決方案進(jìn)行了充分的研究。

值得注意的是，硬件條件、復(fù)雜電磁傳播環(huán)境等不理想因素必然導(dǎo)致極化散射矩陣的測量誤差，因此需要進(jìn)行極化定標(biāo)[31]。針對(duì)通道串?dāng)_和幅相不一致性問題，按照極化定標(biāo)利用的已知極化散射特性目標(biāo)的種類，可將其分為點(diǎn)目標(biāo)[32,33]和分布目標(biāo)定標(biāo)方法[34,35]。前者原理上簡單直觀，但校正結(jié)果一般僅對(duì)特定時(shí)間內(nèi)定標(biāo)體所在的特定空間區(qū)域有效且校正精度對(duì)定標(biāo)體誤差較為敏感；而后者則具有較高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，但選擇的定標(biāo)體散射特性仍對(duì)定標(biāo)精度有一定影響[36,37]。對(duì)于受電離層引起的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)影響的雷達(dá)系統(tǒng)(如星載極化SAR)，其參數(shù)定標(biāo)既可在上述通道誤差校正后進(jìn)行[38,39]，也可同時(shí)聯(lián)合求解[40,41]，而各參量的耦合影響往往也不可忽略[42]。

2.2 電磁波的極化狀態(tài)估計(jì)和極化DOA估計(jì)

在電子對(duì)抗中，利用真實(shí)目標(biāo)與干擾的極化差異可以進(jìn)行分類與識(shí)別，通過極化濾波等技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)干擾抑制或目標(biāo)增強(qiáng)[43,44]，因此，精確估計(jì)輻射源極化狀態(tài)[45,46]同樣相當(dāng)重要。

電磁波的極化狀態(tài)描述了電場矢量空間取向隨時(shí)間變化的方式，最為常用的表征方法是Jones矢量法，即將電場幅度表示為：

其中，E0為電磁波的幅度，為極化角，為極化相差。

顯然，極化角、極化相差兩個(gè)參數(shù)完全反映了電磁波的極化狀態(tài)。若接收陣元為完備電磁矢量傳感器或部分電磁矢量傳感器，則可感知入射信號(hào)的極化信息。

由于信號(hào)的極化參數(shù)與方位信息耦合在陣列流型中，因此目前極化狀態(tài)估計(jì)的過程往往都是與信號(hào)的波達(dá)方向(DOA)估計(jì)聯(lián)合進(jìn)行的，一般稱之為極化DOA估計(jì)。與未考慮極化的傳統(tǒng)DOA估計(jì)相比，極化DOA估計(jì)利用信號(hào)極化狀態(tài)的不同使目標(biāo)在多維參數(shù)空間中的差異性更加明顯，因此參數(shù)估計(jì)的精度和分辨力都有所提升。

一般而言，完備的電磁矢量天線由共相位中心的3根正交偶極子和3個(gè)正交電流環(huán)構(gòu)成，能夠感知空間電磁信號(hào)的全部電場、磁場分量。文獻(xiàn)[47,48]研究了基于單電磁矢量傳感器的方位和極化參數(shù)聯(lián)合估計(jì)問題，但由于要消除傳感器內(nèi)部各單元之間的互耦影響需要復(fù)雜的電磁隔離技術(shù)和較高的成本，因此完備的電磁矢量天線仍難以得到廣泛的工程應(yīng)用，但由于硬件水平在不斷提高，這方面的研究仍然具有一定的學(xué)術(shù)意義。

實(shí)際上，無論是理論研究還是實(shí)際應(yīng)用，極化DOA估計(jì)多數(shù)以簡化的部分電磁矢量天線/陣列為基礎(chǔ)，如交叉偶極子天線。上世紀(jì)90年代以來，不斷有學(xué)者嘗試將基于2階或高階統(tǒng)計(jì)量的MUSIC[49,50]、矩陣束MUSIC[51]、ESPRIT[52,53]等經(jīng)典高分辨參數(shù)估計(jì)方法推廣到極化敏感陣列上來，以實(shí)現(xiàn)DOA和極化參數(shù)的聯(lián)合估計(jì)。近年來，也有學(xué)者引入四元數(shù)[54,55]、幾何代數(shù)[56]、張量代數(shù)[57,58]等高維代數(shù)理論來提升參數(shù)估計(jì)的魯棒性；文獻(xiàn)[59]引入稀疏表示和壓縮感知理論以求帶來算法適用性和估計(jì)性能上的改善。

針對(duì)三極化天線，張國毅等人研究了3維極化濾波[45]的參數(shù)估計(jì)問題，并給出了高干擾極化度情形下的簡化估計(jì)方法[60]；K.T. Wong等人研究了6維電磁矢量下的極化及DOA估計(jì)問題，并對(duì)三偶極子條件下矢量叉乘方法的應(yīng)用進(jìn)行了分析[61]。隨后，Lundback等人對(duì)三極化陣列下的參數(shù)唯一性進(jìn)行了研究，認(rèn)為來自同一方向的不同導(dǎo)向矢量若極化狀態(tài)不同，則這些導(dǎo)向矢量是相互獨(dú)立的[62]。徐友根等人對(duì)單一三極化天線提出了一種準(zhǔn)矢量叉乘算法來估計(jì)極化參數(shù)及DOA ，該算法可對(duì)非線極化的移動(dòng)信源進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[63]。文獻(xiàn)[64]對(duì)比并總結(jié)了不同組合下的三極化天線下的參數(shù)估計(jì)性能，并給出參數(shù)估計(jì)的解析解。孫杰等人在三陣子天線的基礎(chǔ)上首先給出了估計(jì)波達(dá)角的公式，并提出一種濾除地面反射波的方法提高波達(dá)角的估計(jì)精度，然后利用獲得的高精度的波達(dá)角估計(jì)值和已測的電場強(qiáng)度，計(jì)算出電磁波的極化參數(shù)[65]。

另外，在接收陣列結(jié)構(gòu)方面，也可采用由單極化天線所組成的共形陣列，既節(jié)約了天線設(shè)計(jì)與制造的成本，又由于天線與載體共形節(jié)省了空間。文獻(xiàn)[66,67]分別針對(duì)柱面、錐面共形天線研究了方位與極化信息去耦合和聯(lián)合估計(jì)方法，但都要求陣列結(jié)構(gòu)滿足一定的對(duì)稱性。文獻(xiàn)[68]則基于秩損理論提出了一種可以適用于任意共形載體的參數(shù)聯(lián)合估計(jì)方法，在一定程度上擴(kuò)大了算法的應(yīng)用范圍。

由于各類電子系統(tǒng)應(yīng)用場景多種多樣，電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，不等功率信號(hào)[69]、相干信源[70]、部分極化波[71,72]及近場[73]條件下的入射信號(hào)DOA和極化狀態(tài)估計(jì)也是研究的熱點(diǎn)之一。針對(duì)任意陣列結(jié)構(gòu)配置，文獻(xiàn)[74,75]基于流形分離技術(shù)提出了一種有效的解決方案，利用虛擬陣列轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換或多項(xiàng)式求根等方法實(shí)現(xiàn)DOA與極化信息的聯(lián)合估計(jì)，且能夠有效克服陣元位置誤差、方向圖、互耦等非理想因素的影響，具有很好的適用性，但虛擬陣列轉(zhuǎn)換時(shí)的內(nèi)插精度會(huì)影響算法的性能。

總之，在電磁波的極化狀態(tài)估計(jì)方面，基礎(chǔ)理論和算法已經(jīng)相當(dāng)完善，相關(guān)技術(shù)也漸趨成熟并已得到實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)極化參數(shù)估計(jì)的同時(shí)，由于提高了可利用的信息維度，對(duì)信號(hào)方位等其它參數(shù)的估計(jì)精度和分辨力也得到明顯提高，大大提高了系統(tǒng)性能。顯然，處理的信息維度增加必然帶來算法復(fù)雜度和運(yùn)算量的提升，如何在更苛刻的條件(如少快拍、低信噪比、信源相干、復(fù)雜噪聲環(huán)境、存在陣列誤差等)下以可接受的硬件、時(shí)間成本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的參數(shù)估計(jì)仍是未來需要努力的方向。

3 極化分集與編碼

極化分集與極化編碼是雷達(dá)極化領(lǐng)域的重要概念和技術(shù)，對(duì)于實(shí)際極化雷達(dá)系統(tǒng)而言，其工作方式無外乎在時(shí)域、頻域或空域上進(jìn)行信號(hào)的極化分集或極化編碼[21]。極化分集是極化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，也是極化信息獲取和極化信號(hào)處理的基礎(chǔ)；而極化編碼則是在發(fā)射信號(hào)層面提升雷達(dá)系統(tǒng)各方面性能的重要技術(shù)手段之一。

3.1 極化分集

分集技術(shù)是指利用電磁波在時(shí)間、頻率、空間、極化等特性上的差異，分別進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射/接收、處理和合并的方法。早在極化分集[76]的概念提出以前，時(shí)間分集、頻率分集、空間分集技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，而近年來隨著發(fā)射分集概念[77]的提出和MIMO技術(shù)[78]的逐漸火熱，聯(lián)合收發(fā)分集體制也展現(xiàn)出了更廣闊的應(yīng)用前景。

極化分集又可分為極化時(shí)間分集、極化頻率分集、極化空間分集。前兩者在不同的時(shí)間或頻率上發(fā)射不同極化的信號(hào)，再在時(shí)域或頻域上分離接收信號(hào)以獲取極化信息并加以利用；極化空間分集則一般用于SAR系統(tǒng)，通過在合成孔徑時(shí)間內(nèi)的子孔徑間切換發(fā)射信號(hào)極化方式以獲取全極化數(shù)據(jù)。顯然，除了單一極化體制以外，雙/多極化、分時(shí)/同時(shí)全極化測量體制都在一定程度上體現(xiàn)了極化分集的概念[79]，即利用極化狀態(tài)正交(垂直/水平極化、左旋/右旋圓極化)的兩路信號(hào)，通過適當(dāng)?shù)奶幚慝@得電磁波的極化狀態(tài)或目標(biāo)完備的極化特性。

極化分集的根本優(yōu)勢在于，引入了信號(hào)的極化信息從而提高了雷達(dá)獲取信息的維度，隨著極化分集技術(shù)的發(fā)展和極化測量體制的改革，獲取的極化信息完整性和精度也逐漸提高，為后續(xù)信號(hào)處理的有效性和可靠性提供了有力保證。以氣象雷達(dá)為例，降雨量觀測[80]、水汽凝結(jié)特征識(shí)別[81]等都依賴于極化分集技術(shù)，由于利用極化信息增加了特征空間的維度，雷達(dá)在雜波抑制[82]、目標(biāo)識(shí)別[83,84]等諸多方面也都有了長足的進(jìn)步[85]。其次，極化分集能夠有效克服雷達(dá)RCS起伏，以極化捷變干擾為例，陣元極化特性的差異會(huì)導(dǎo)致接收干擾的幅相起伏不同，從而影響干擾抑制效果，而綜合利用極化分集獲得的干擾極化信息，則可顯著提高雷達(dá)的探測能力和穩(wěn)定性。另外，由于其帶來的信道容量提升和良好的非相關(guān)衰落特性，極化分集技術(shù)在通信領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[86-88]。

3.2 極化編碼

極化編碼是繼頻率編碼(頻率捷變)、相位編碼后出現(xiàn)的一種新的雷達(dá)信號(hào)編碼方式，其思想是用適當(dāng)?shù)木幋a(以M序列、巴克碼等為例的固定編碼或隨機(jī)編碼)調(diào)制雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的極化方式，它既可以用于同時(shí)極化測量系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)極化散射矩陣的精確測量，同樣也是低截獲概率雷達(dá)信號(hào)優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)手段之一。

極化編碼技術(shù)最早應(yīng)用于X波段脈內(nèi)極化捷變雷達(dá)[89](IPAR)，發(fā)射波形采用脈內(nèi)的左、右旋圓極化進(jìn)行編碼，接收端信號(hào)處理部分則利用信號(hào)水平、垂直極化分量的相對(duì)相位特性實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。其優(yōu)勢在于：對(duì)多普勒頻移不敏感，能夠識(shí)別雜波覆蓋下的靜止目標(biāo)、削弱多徑干擾、降低截獲概率[90,91]。

為提高雷達(dá)系統(tǒng)的生存能力，脈內(nèi)多次線性調(diào)頻、隨機(jī)信號(hào)、頻率編碼、相位編碼等復(fù)雜調(diào)制信號(hào)引起了廣泛關(guān)注，而隨著極化編碼技術(shù)的發(fā)展，將之與其他編碼方式相結(jié)合的復(fù)合編碼方式逐漸展現(xiàn)出了在檢測性能、抗干擾等方面的潛力。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者提出脈內(nèi)采用其他調(diào)制(二進(jìn)制相位編碼[92]、線性調(diào)頻[93]、非線性調(diào)頻[94]、頻率捷變[95])、脈間采用極化編碼的復(fù)合編碼雷達(dá)信號(hào)，并對(duì)相應(yīng)的脈沖壓縮和相關(guān)檢測實(shí)現(xiàn)方法[93]做出了充分的討論(如圖1)，既保證了較高的距離、速度測量精度和分辨力，又提高了雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾(如箔條干擾、海雜波等)和抗截獲能力。此外，文獻(xiàn)[96]提出一種跳頻信號(hào)與極化編碼結(jié)合的信號(hào)形式，文獻(xiàn)[97]介紹了一種極化捷變編碼抗干擾雷達(dá)系統(tǒng)的簡易實(shí)現(xiàn)方式，提出利用干擾的極化相對(duì)不變性提取干擾波形并準(zhǔn)確估計(jì)其Jones矢量，以用于后續(xù)的抗干擾處理。

圖1 極化編碼雷達(dá)系統(tǒng)基本框圖Fig. 1 Block diagram of polarization-coded radar systems

4 極化抗干擾/雜波

雷達(dá)極化抗干擾/雜波技術(shù)發(fā)端于上個(gè)世紀(jì)70年代的極化研究低潮期，先后經(jīng)歷了從單一極化域?yàn)V波到現(xiàn)在的極化域與其他域聯(lián)合/協(xié)同濾波的發(fā)展過程，隨著時(shí)間的推移可以看到整個(gè)極化抗干擾技術(shù)在逐步提高。其最早被用于抑制雨雜波干擾[98]，接著逐漸擴(kuò)展到氣象雷達(dá)、航管雷達(dá)、對(duì)空情報(bào)雷達(dá)、火控雷達(dá)、制導(dǎo)雷達(dá)以及雷達(dá)導(dǎo)引頭等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。極化域?yàn)V波的本質(zhì)是對(duì)雷達(dá)接收端的不同極化天線接收的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之在保留目標(biāo)信號(hào)的同時(shí)，盡可能地抑制干擾信號(hào)。其濾波效果取決于對(duì)目標(biāo)與干擾信號(hào)極化狀態(tài)的估計(jì)和權(quán)值的設(shè)定，達(dá)到在最優(yōu)或次優(yōu)的準(zhǔn)則下對(duì)接收信號(hào)中的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行無失真保留。主要優(yōu)化準(zhǔn)則有：最大信號(hào)干擾噪聲比(SINR)準(zhǔn)則，最小均方誤差準(zhǔn)則，主瓣約束準(zhǔn)則，多線性約束準(zhǔn)則等[99]。一般來說，上述不同的準(zhǔn)則適用于不同的環(huán)境，但在某些條件下，一些準(zhǔn)則是等效的。

以往的綜述文獻(xiàn)[2,4,100]對(duì)極化抗干擾已有不同程度的提及和不同側(cè)重點(diǎn)的闡述，故本節(jié)結(jié)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)在該領(lǐng)域的研究成果，針對(duì)單一極化域?yàn)V波和包括極化的多域聯(lián)合/協(xié)同濾波，按照時(shí)間先后順序，分別作進(jìn)一步的補(bǔ)充和闡述。

4.1 單一極化域抗干擾/雜波

在單一極化濾波領(lǐng)域，繼1975年Nathanson提出自適應(yīng)極化對(duì)消器(APC)[98]后，Poelman于1981年提出虛擬極化自適應(yīng)濾波器[101]用于干擾抑制。隨后其于1984年提出多凹口邏輯積極化濾波器(MLP)[102]，用于提高抗干擾能力但實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜；同年其又提出一種基于非線性極化變換的單凹口極化濾波器[103]，減小了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度；張國毅于2000年提出一種實(shí)數(shù)加權(quán)極化變換法[104]，解決了上述算法隨非線性程度的增大而越來越復(fù)雜的問題。為了進(jìn)一步提升MLP的自適應(yīng)能力，Giuli和Gherardelli等人在APC和MLP的基礎(chǔ)上分別提出了MLP-APC[105]和MLP-SAPC[106]等算法。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，MLP被用于抑制雨雜波[107]，隨后極化濾波被逐漸推廣應(yīng)用到整個(gè)氣象雷達(dá)領(lǐng)域，例如在雙極化氣象雷達(dá)上，Moisseev等人先后提出多種在多普勒域上利用極化濾波器抑制地雜波的方法[108,109]。同時(shí)，從這一時(shí)期開始，國內(nèi)科研人員在極化抗干擾方面做出了突出的成果。在寬帶極化雷達(dá)背景下，文獻(xiàn)[110]提出一種橫向極化濾波器，以寬帶極化濾波和極化增強(qiáng)的方式實(shí)現(xiàn)了極化域的檢測性能優(yōu)化；文獻(xiàn)[111]則提出待定主瓣約束準(zhǔn)則以解決多目標(biāo)情形下的最優(yōu)濾波問題；為更全面地分析SINR準(zhǔn)則下的極化濾波器性能，王雪松等人給出了完全極化和部分極化情形下的理論性能上界并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[112,113]。另外，毛興鵬等從誤差成因、優(yōu)化方法以及信干比提升等方面充分分析了極化濾波技術(shù)的有效性[114]。

對(duì)于一類新體制雷達(dá)--高頻地波雷達(dá)，由于只能發(fā)射垂直極化波，且目標(biāo)信號(hào)的極化形式也以垂直極化為主，故在極化域上抑制干擾引起了研究者的關(guān)注。針對(duì)該類型雷達(dá)背景下的天波電臺(tái)干擾，利用虛擬極化技術(shù)對(duì)水平極化通道信號(hào)進(jìn)行加權(quán)后再做極化濾波，能夠在一定程度上提升極化濾波性能和雷達(dá)抗干擾能力[115]。為避免普通極化濾波器可能帶來的相位失真，文獻(xiàn)[116,117]提出一種自適應(yīng)零相移極化濾波器，使得電臺(tái)干擾被抑制的同時(shí)目標(biāo)相位保持不變。在此基礎(chǔ)上，為了抑制相參雷達(dá)系統(tǒng)中同時(shí)存在的多個(gè)干擾，結(jié)合線性極化變換、頻域極化濾波、幅相補(bǔ)償和多凹口技術(shù)可實(shí)現(xiàn)頻域零相移多凹口極化濾波[118,119]，既拓展了算法的適用性，又顯著提高了濾波性能，以高頻地波雷達(dá)電臺(tái)干擾抑制為例，該方法的信干比改善可達(dá)28 dB以上；此外，文獻(xiàn)[120,121]從極化子空間的角度提出基于斜投影算子的極化濾波器用于抑制電臺(tái)干擾。在電離層雜波抑制方面，文獻(xiàn)[122]提出一種基于距離-多普勒域(雜波能量較弱)或距離-時(shí)間域(雜波能量較強(qiáng))下的斜投影極化濾波算法。

當(dāng)前普遍使用的雙正交極化天線單元存在極化狀態(tài)隨角度的改變而變化起伏、極化純度退化等問題，這將制約陣列對(duì)接收信號(hào)的極化測量及干擾抑制等性能。于是，三極化天線作為一種較雙極化天線具有更高自由度的多極化天線，以其可更好地實(shí)現(xiàn)極化分集而廣受矚目，近年來在雷達(dá)濾波領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

Nehorai等人對(duì)三極化天線濾波性能進(jìn)行了研究[123]，理論驗(yàn)證了當(dāng)目標(biāo)信號(hào)與干擾的極化狀態(tài)不同時(shí)輸出信干噪比可獲得較理想的效果；在高頻地波雷達(dá)中，以3維極化天線接收數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，能夠聯(lián)合極化域和空域?yàn)V除雙正交極化濾波不能抑制的干擾，利用最佳實(shí)數(shù)加權(quán)法還可以進(jìn)一步提升干擾抑制能力[45]。為了實(shí)時(shí)處理快速變化的干擾，張國毅等人又提出一種瞬時(shí)極化濾波算法，該算法根據(jù)單快拍建立濾波極化矢量，且能通過調(diào)整采樣速率自適應(yīng)干擾極化狀態(tài)的變化[124]，并提出利用3維正交極化信息改進(jìn)的2維極化濾波器來降低上述3維極化濾波器的復(fù)雜度[125]。另外，為解決傳統(tǒng)3維極化濾波造成的目標(biāo)信號(hào)的極化損失，劉愛軍等人提出一種基于斜投影的3維極化濾波算法[126]，利用目標(biāo)和干擾的極化矢量分別構(gòu)建矢量子空間，然后構(gòu)造斜投影算子作為濾波矢量進(jìn)行3維極化濾波，該算法實(shí)現(xiàn)簡便，拓展了極化濾波技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

可以看到，在其他域抗干擾無法取得理想效果時(shí)，單一極化域抗干擾能顯示出其優(yōu)點(diǎn)，特別是在對(duì)抗主瓣干擾方面，極化域?yàn)V波不會(huì)造成主瓣波束的畸變，克服了空域等其他抗干擾方法無法解決的問題。在某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域(如高頻地波雷達(dá)抗射頻電臺(tái)干擾)，其優(yōu)勢顯得更加明顯。但也能看到，極化域參數(shù)受空域信息的影響，且自由度不高，這都制約了單一極化域抗干擾在復(fù)雜多變的環(huán)境下的應(yīng)用和效果。

4.2 包括極化的多域聯(lián)合抗干擾/雜波

正如上文所述，復(fù)雜的環(huán)境往往使得單一極化域抑制干擾/雜波的效果有限，例如當(dāng)目標(biāo)信號(hào)與干擾/雜波的極化參數(shù)較為接近時(shí)，單一極化濾波往往性能較差甚至失效[123]。于是極化抗干擾技術(shù)逐漸從單一的極化域向包含極化的多域聯(lián)合轉(zhuǎn)變和發(fā)展。

在充分研究天線空域極化特性[127,128]的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[129,130]分別針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中存在的欺騙性干擾和主瓣干擾設(shè)計(jì)了抑制算法，在一定程度上提高了雷達(dá)的工作性能。文獻(xiàn)[131-133]提出了均勻和非均勻雜波背景下極化空時(shí)自適應(yīng)處理技術(shù)，通過多域聯(lián)合處理使雷達(dá)的檢測和抗干擾能力有所提升[100,134]。

陶建武先后提出了基于超復(fù)數(shù)的極化-空域級(jí)聯(lián)濾波算法[135]和空-時(shí)-極化聯(lián)合濾波算法[136]，用于機(jī)載陣列中的干擾抑制。而對(duì)于機(jī)載雷達(dá)欺騙式的主瓣干擾，文獻(xiàn)[137]給出一種基于重疊滑窗子陣合成的空-極化域聯(lián)合自適應(yīng)波束形成算法。對(duì)于常規(guī)的極化敏感陣列，在空-極化域聯(lián)合自適應(yīng)處理中引入基于特征空間的廣義波束形成算法后[138]，可以獲得優(yōu)于傳統(tǒng)最優(yōu)濾波算法的濾波性能并削弱指向誤差影響；而對(duì)于交替極化敏感陣列，文獻(xiàn)[139]分析了其基于特征空間投影算法的抗主瓣干擾能力，并通過與常規(guī)極化敏感陣列的比較證明了其在性能和穩(wěn)健性上的優(yōu)勢。

在高頻地波雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，針對(duì)當(dāng)前該型雷達(dá)的接收陣列以均勻線性陣列為主，結(jié)合前述目標(biāo)信號(hào)的極化特性，毛興鵬、劉愛軍、洪泓等先后提出多種基于空-極化域的協(xié)同濾波算法[140-142]，用于抑制電離層雜波。此類協(xié)同濾波算法可同時(shí)抑制多個(gè)干擾/雜波，且只有當(dāng)目標(biāo)信號(hào)與干擾/雜波的空域和極化域參數(shù)都完全相同時(shí)，上述濾波方法才完全失效；而充分的對(duì)比分析也驗(yàn)證了其性能確實(shí)優(yōu)于空域和極化域級(jí)聯(lián)的聯(lián)合濾波算法。在處理實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，可依據(jù)當(dāng)時(shí)的外部干擾環(huán)境在多普勒域、距離-多普勒域或距離-時(shí)間域上運(yùn)用協(xié)同算法進(jìn)行干擾/雜波抑制。隨后，文獻(xiàn)[143]提出基于窄波束的斜投影空域-極化域協(xié)同濾波算法，可有效減小主瓣寬度并提升旁瓣抑制比，其算法的基本結(jié)構(gòu)框圖[143]如圖2所示。

圖2 窄波束空域-極化域協(xié)同抗干擾算法結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 Block diagram of narrow beam spatial-polarization collaborative mitigation

更一般地，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)與干擾/雜波在極化域、空域、時(shí)域或頻域上參數(shù)相差不大時(shí)，需要盡可能地將可測參數(shù)的多個(gè)域聯(lián)合起來，從而增大目標(biāo)信號(hào)與干擾/雜波的差異性，提升抗干擾能力。例如文獻(xiàn)[144]提出一種基于斜投影的多域(包括極化域)協(xié)同干擾抑制算法，理論分析表明其性能不僅好于單一極化域?yàn)V波，也強(qiáng)于多域級(jí)聯(lián)式的聯(lián)合抗干擾算法。

總地來看，包括極化的多域聯(lián)合提供了更多的關(guān)于目標(biāo)信號(hào)與干擾/雜波的參數(shù)信息及它們之間的差異，使得多域聯(lián)合抗干擾性能往往明顯優(yōu)于單一極化抗干擾，從而引起了國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域越來越強(qiáng)烈的興趣和關(guān)注。但在具體實(shí)現(xiàn)中還需注意：

(1) 相對(duì)于單一極化濾波算法，多域聯(lián)合處理的計(jì)算復(fù)雜度較高，在具體應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。需要從算法原理和算法的實(shí)現(xiàn)過程這兩個(gè)方面入手，優(yōu)化算法，降低計(jì)算量。

(2) 多域聯(lián)合處理性能好于單一極化域?yàn)V波這一結(jié)論，是以各域參數(shù)估計(jì)精度都較為精準(zhǔn)為前提的。例如，若空-極化域中的空域參數(shù)估計(jì)精度較差，則空-極化域聯(lián)合濾波性能不一定好于單一極化域?yàn)V波。

(3) 在實(shí)際應(yīng)用中，還需考慮極化陣元間的通道一致性、互耦、極化隔離度等非理想因素對(duì)干擾/雜波抑制算法的影響。

正是極化抗干擾良好的效果與前景，使得近年來國內(nèi)外多家單位或?qū)ΜF(xiàn)有雷達(dá)進(jìn)行極化改造[100]，或研發(fā)具備雙極化發(fā)射或接收能力的相控陣?yán)走_(dá)陣列[145]，總地來說，極化抗干擾技術(shù)在雷達(dá)中的研究與應(yīng)用越來越廣闊。

5 極化檢測、分類與識(shí)別

實(shí)際上，無論是極化信息獲取還是干擾/雜波抑制，其最終目的都是利用信號(hào)的極化信息提高對(duì)目標(biāo)的檢測、分類與識(shí)別能力。

5.1 目標(biāo)檢測

極化作為幅度、相位、頻率以外的另一個(gè)信息維度，在雷達(dá)目標(biāo)檢測中同樣起到了相當(dāng)重要的作用。

一般而言，基于極化信息的目標(biāo)檢測方法可分為最優(yōu)接收檢測和極化統(tǒng)計(jì)檢測兩種。前者的基本思想是：通過控制發(fā)射/接收端極化通道的加權(quán)，使接收信號(hào)中的目標(biāo)回波相對(duì)于噪聲或雜波最強(qiáng)以達(dá)到目標(biāo)檢測的目的[112,146]，其代表是虛擬極化適配技術(shù)[92]及一系列最佳極化檢測器[79,147,148]；后者則建立可靠的目標(biāo)、噪聲或雜波的極化信息模型并基于統(tǒng)計(jì)判決準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測，如高斯雜波背景下基于廣義似然比檢驗(yàn)(Generalized Likelihood Ratio Test, GLRT)的自適應(yīng)極化檢測器[131,149]。

近年來國內(nèi)外專家學(xué)者開始致力于提高目標(biāo)極化檢測方法的性能和適用性[150]。在最優(yōu)接收檢測方面，文獻(xiàn)[102]對(duì)多干擾條件下的虛擬極化適配進(jìn)行了推廣，文獻(xiàn)[151]從雷達(dá)波形設(shè)計(jì)方面討論了復(fù)合高斯雜波背景下的最佳極化自適應(yīng)問題，文獻(xiàn)[152]研究了雜波背景下的收發(fā)極化聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)，文獻(xiàn)[153]則針對(duì)非均勻噪聲環(huán)境以最大化檢測概率為準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了最佳極化發(fā)射波形，并提出一種恒虛警自適應(yīng)匹配檢測器。對(duì)于不同的雜波背景，極化檢測器的基本要求是能夠在未知雜波統(tǒng)計(jì)特性的情況下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自適應(yīng)檢測，以復(fù)合高斯背景為例，基于GLRT[154]、Wald檢驗(yàn)[155]、廣義匹配子空間準(zhǔn)則[156]的一系列次優(yōu)檢測器盡管不能達(dá)到一致最優(yōu)，但仍具有較高的檢測性能和良好的魯棒性。結(jié)合特定的極化信息(如極化特征量-聯(lián)合熵間距、極化聚類中心特征等)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)準(zhǔn)則(如GLRT、貝葉斯檢驗(yàn)等)，極化檢測理論逐漸開始在更廣泛的場景下得到應(yīng)用，文獻(xiàn)[157]還嘗試將極化信息融入檢測前跟蹤算法，以提高高頻地波雷達(dá)的目標(biāo)檢測和跟蹤性能。

在傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)檢測的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[158]利用多級(jí)決策融合思想提高檢測概率，而超光譜數(shù)據(jù)[159]、頻譜相干性[160]等信息也可與極化信息融合用于目標(biāo)檢測。實(shí)際上，目標(biāo)檢測也是對(duì)目標(biāo)和雜波進(jìn)行分類與識(shí)別的過程，因此同樣可以利用極化熵[161]、主散射成分[162]等特征量進(jìn)行目標(biāo)檢測，相關(guān)的極化分解方法將在下一小節(jié)有所論述。

顯然，目標(biāo)極化檢測技術(shù)的漸趨成熟使得雷達(dá)在復(fù)雜多變的電磁環(huán)境下的探測能力大大提高，然而，在更廣泛的應(yīng)用場景下，如何充分利用極化信息實(shí)現(xiàn)更好、更快的最佳極化適配和自適應(yīng)檢測仍是極具價(jià)值的研究方向。

5.2 目標(biāo)分類與識(shí)別

基于極化信息的目標(biāo)分類與識(shí)別是現(xiàn)代雷達(dá)提升戰(zhàn)場偵察、地理觀測等能力的重要技術(shù)手段之一，其基本思想是利用從觀測數(shù)據(jù)中提取的目標(biāo)極化特征進(jìn)行鑒別，處理流程[163]如圖3。顯然，對(duì)目標(biāo)極化特性的研究和極化特征的精確提取技術(shù)是整個(gè)過程的關(guān)鍵。

圖3 極化雷達(dá)目標(biāo)分類與識(shí)別流程Fig. 3 Routine of target classification and identification in polarimetric radar systems

自雷達(dá)極化學(xué)形成以來，大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證已經(jīng)極大程度上豐富了對(duì)各類目標(biāo)回波極化特性的了解。分類與識(shí)別所利用的目標(biāo)極化特征一般可分為以下幾類：由直接測量數(shù)據(jù)經(jīng)簡單運(yùn)算或統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)造的目標(biāo)特征，如極化不變量、瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)特性等；經(jīng)某些數(shù)學(xué)變換(如目標(biāo)極化分解、小波變換)得到的目標(biāo)特征；其他特征，如SAR圖像的紋理特征等。

早期的窄帶低分辨雷達(dá)主要利用散射矩陣的行列式、跡以及去極化系數(shù)、本征極化等“極化不變量[164]”作為衡量指標(biāo)進(jìn)行分類與識(shí)別，文獻(xiàn)[165]又引入了兩個(gè)新的不變量，即不可逆角度、散射矩陣對(duì)稱和反對(duì)稱部分的絕對(duì)相位差，進(jìn)一步豐富了可用的極化特征量。然而，盡管這些“極化不變量”反映了特定取向下的窄帶極化散射特性，但據(jù)此僅能獲得目標(biāo)結(jié)構(gòu)或特性的粗糙信息[166]，因此，目前多應(yīng)用于具有遠(yuǎn)距離探測、反隱身功能的窄帶雷達(dá)進(jìn)行不同目標(biāo)及誘餌的區(qū)分，以滿足防空反導(dǎo)等戰(zhàn)場需求[167]。

對(duì)于寬帶雷達(dá)系統(tǒng)而言，目標(biāo)的分類與識(shí)別多基于1維距離像或2維SAR/ISAR圖像，結(jié)合極化信息與雷達(dá)的高分辨能力以提高分類與識(shí)別的精細(xì)程度?；?維距離像的分類與識(shí)別的基本立足點(diǎn)是回波極化特征隨時(shí)域[168]、頻域[169]或聯(lián)合域[170]信息呈動(dòng)態(tài)變化，借助瞬態(tài)極化特性或散射中心特征實(shí)現(xiàn)對(duì)各類陸/海/空目標(biāo)的分類與識(shí)別[110,168,171]。在2維SAR/ISAR成像中，對(duì)目標(biāo)極化散射矩陣進(jìn)行特定的數(shù)學(xué)變換以進(jìn)一步提取用于分類和識(shí)別的目標(biāo)特征是主要的技術(shù)手段之一，其中最為常用的是極化目標(biāo)分解[172]。

目標(biāo)極化分解方法最早可追溯到上世紀(jì)70年代[166]，經(jīng)過不斷地研究和發(fā)展，已可用于揭示散射體的奇/偶次散射、面/體(球、二面角、螺旋體)散射、漫散射、交叉散射、布拉格散射等散射機(jī)理，其基本思想是：通過將目標(biāo)散射分解為各種簡單散射或各類基本目標(biāo)的加權(quán)組合，即可對(duì)各散射分量的成分進(jìn)行分析并提取有用的極化特征量(如散射矢量[19]，散射熵[173,174]，反熵[175]，散射角[176]，復(fù)Wishart距離[177])，從而描述各類復(fù)雜目標(biāo)的特性和幾何結(jié)構(gòu)。目前極化分解方法已經(jīng)相當(dāng)豐富，其針對(duì)的對(duì)象可以是相干或非相干目標(biāo)，利用的信息可以是目標(biāo)模型或特征矢量等參量，而按照分解針對(duì)的目標(biāo)矩陣不同，可將其分為以下4類：基于Sinclair散射矩陣的相干目標(biāo)分解法(如Krogager分解[178]以及Cameron分解[175,179]等)、基于Mueller散射矩陣的Huynen分解法[166,180]、基于目標(biāo)協(xié)方差矩陣的分解方法[181-183]、基于相干矩陣的非相干目標(biāo)分解方法[184](如H/alpha分解方法[176,185,186]等)。其中，第1種主要用于單視極化成像數(shù)據(jù)，后3種則用于多視極化成像數(shù)據(jù)。鑒于這4種目標(biāo)矩陣之間存在一定的映射關(guān)系，各類目標(biāo)極化分解方法實(shí)際上都可以互相推廣。

基于提取的極化特征量和其他有用信息，結(jié)合支撐向量機(jī)[187]、聚類[188,189]、小波理論[190,191]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[192]等適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理或圖像處理方法即可進(jìn)行目標(biāo)分類與識(shí)別。按照是否需要訓(xùn)練樣本等先驗(yàn)知識(shí)可將分類方法分為監(jiān)督分類[187,193,194]和非監(jiān)督分類[177,186,188,189,195]，前者以貝葉斯方法[194]為代表，其分類精度和復(fù)雜度都較高，但由于先驗(yàn)信息的獲取難度導(dǎo)致了算法應(yīng)用上的局限性；后者則以復(fù)Wishart分類器[177]為代表，由于不存在訓(xùn)練過程因此相對(duì)簡單高效。而目標(biāo)識(shí)別就是結(jié)合分類結(jié)果和已知的目標(biāo)特征信息進(jìn)行最終判決的過程[196,197]，隨著雷達(dá)極化理論的完善，可獲得的目標(biāo)特征量越來越豐富，目標(biāo)的分類與自動(dòng)識(shí)別結(jié)果也更加精確[198,199]，如今已在戰(zhàn)場監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測、地形分析等方面得到廣泛應(yīng)用。

另外，通過極化信號(hào)處理技術(shù)改善雷達(dá)成像質(zhì)量或?qū)δ繕?biāo)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、姿態(tài)等參數(shù)反演的精度也是提高分類與識(shí)別能力的途徑之一。文獻(xiàn)[200-202]利用極化白化濾波等方法對(duì)SAR圖像固有的相干斑進(jìn)行了抑制處理，文獻(xiàn)[203,204]利用極化對(duì)比增強(qiáng)技術(shù)顯著提高了SAR圖像的信雜比，文獻(xiàn)[175,205]則研究了利用極化信息進(jìn)行目標(biāo)特性或幾何結(jié)構(gòu)反演的方法。近年來極化干涉SAR[206]逐漸受到重視，該體制根據(jù)全局相干最優(yōu)[207]或子空間相干最優(yōu)[208]原則優(yōu)化兩幅干涉圖像對(duì)應(yīng)的極化狀態(tài)組合以提高其相干性，從而結(jié)合InSAR與PolSAR技術(shù)使雷達(dá)兼具對(duì)散射體空間分布和形狀、姿態(tài)等的敏感度，因此在地物分類[209]、植被高度估計(jì)[210]、隱藏目標(biāo)檢測[211]及艦船目標(biāo)識(shí)別[212]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)3維成像[213,214]，可利用同一場景下不同角度的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步結(jié)合層析成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直航向的目標(biāo)分辨，使雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的分類與識(shí)別能力得到質(zhì)的提升[215-218]。而除了全極化干涉SAR以外，基于簡縮極化干涉SAR[219]的目標(biāo)分類與識(shí)別也成為了近幾年的熱門研究方向之一，其本質(zhì)是利用簡縮極化測量數(shù)據(jù)重構(gòu)偽全極化干涉數(shù)據(jù)，再通過適當(dāng)?shù)乃惴▽?shí)現(xiàn)目標(biāo)分類與識(shí)別[220,221]，但由于目前簡縮極化測量體制應(yīng)用仍十分有限，因此相關(guān)的理論和算法仍處于論證和探索階段。

6 總結(jié)與展望

得益于極化信息的充分利用，極化信號(hào)處理技術(shù)顯著地提高了雷達(dá)的信息獲取、抗各類雜波/干擾、目標(biāo)檢測、分類與識(shí)別能力，并已廣泛應(yīng)用于防空反導(dǎo)、戰(zhàn)場監(jiān)視預(yù)警、氣象觀測、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、地理遙感與成像等軍用和民用領(lǐng)域。極化雷達(dá)的顯著優(yōu)勢為其帶來了巨大的機(jī)遇，使其得以飛速發(fā)展，但仍然存在一些亟待解決的問題：

(1) 降低系統(tǒng)軟/硬件升級(jí)帶來的成本。極化分集增加了硬件設(shè)備單元的數(shù)量和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而為追求各方面更高的性能，復(fù)雜的極化信號(hào)處理技術(shù)帶來的大數(shù)據(jù)量和高時(shí)間成本問題也對(duì)存儲(chǔ)、運(yùn)算設(shè)備提出了更高的要求，因此，必須在系統(tǒng)性能和時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本之間取得適當(dāng)?shù)恼壑小?/p>

(2) 復(fù)雜目標(biāo)電磁散射機(jī)理的深刻揭示。現(xiàn)有的電磁散射機(jī)理建模與表征方法雖然能夠適用于典型目標(biāo)甚至復(fù)雜目標(biāo)[222,223]，但多未考慮極化；而早期對(duì)目標(biāo)極化散射特性的獲取方法一般是由現(xiàn)象到本質(zhì)的總結(jié)與驗(yàn)證過程，對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)(電大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、寬帶)全極化散射特性的建模與表征仍不充分，難以為后續(xù)信號(hào)處理提供有力的理論支撐。

(3) 從提高性能、降低復(fù)雜度、減小運(yùn)算量、擴(kuò)展適用性等方面對(duì)極化信號(hào)處理算法進(jìn)行優(yōu)化。

盡管如此，隨著國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)對(duì)極化雷達(dá)重視程度、科研成本投入以及軟/硬件水平的不斷提高，極化雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)必將得到更強(qiáng)力的推動(dòng)和更廣泛的應(yīng)用，擁有廣闊的發(fā)展前景。

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趙春雷(1992-)，男，黑龍江人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)殛嚵行盘?hào)處理、高頻地波雷達(dá)抗干擾。

E-mail: zhaochunlei@hit.edu.cn

王亞梁(1992-)，男，山東人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)成像技術(shù)。

E-mail: wyl920504@163.com

陽云龍(1988-)，男，廣西人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)極化敏感陣列信號(hào)處理技術(shù)。

E-mail: yangyl@hit.edu.cn

毛興鵬(1972-)，男，遼寧人，現(xiàn)任教于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娮觽刹炫c電子對(duì)抗、弱信號(hào)檢測、雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail: mxp@hit.edu.cn

于長軍(1962-)，男，黑龍江人，現(xiàn)任教于哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)電子與信息工程學(xué)院，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)天線理論等。

E-mail: yuchangjun@hit.edu.cn

Review of Radar Polarization Information Acquisition and Polarimetric Signal Processing Techniques

Zhao Chunlei①Wang Yaliang①Yang Yunlong①M(fèi)ao Xingpeng①②Yu Changjun②③

①(School of Electronics and Information Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)

②(Collaborative Innovation Center of Information Sensing and Understanding at Harbin Institute of Technology,Harbin150001,China)

③(School of Information and Electronical Engineering,Harbin Institute of Technology(Weihai),Weihai264209,China)

As one of the topical research area in the field of radar, polarimetric signal processing techniques gradually receive the attention of scholars worldwide and have been widely applied in various fields. The basis of polarimetric signal processing is to acquire polarization information. In this paper, the research statuses of several relevant key aspects are reviewed, including polarization information acquisition, polarization diversity and coding, polarization anti-interference/clutter, polarization detection, and classification and identification of targets. Finally, the problems faced by radar polarimetry techniques are concluded, and the prospects of future development of the techniques are discussed.

Polarimetric signal processing; Polarization measurement; Polarization parameter estimation; Antiinterference/clutter; Target detection; Target classification and identification

TN95

A

2095-283X(2016)06-0620-19

10.12000/JR16092

趙春雷, 王亞梁, 陽云龍, 等. 雷達(dá)極化信息獲取及極化信號(hào)處理技術(shù)研究綜述[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2016, 5(6): 620-638.

10.12000/JR16092.

Reference format:Zhao Chunlei, Wang Yaliang, Yang Yunlong,et al.. Review of radar polarization information acquisition and polarimetric signal processing techniques[J].Journal of Radars, 2016, 5(6): 620-638. DOI: 10.12000/JR16092.

2016-09-12；改回日期：2016-11-14；

2016-12-19

*通信作者：毛興鵬 mxp@hit.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(61171180, 61571159)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HIT. MKSTISP. 2016 13, HIT. MKSTISP. 2016 26)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61171180, 61571159), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (HIT. MKSTISP. 2016 13, HIT. MKSTISP. 2016 26)