雷达学报

姓名：邢航；学号：22021110042；学院：电子工程学院         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         什么是雷达极化技术？         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。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”。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。         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。         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。         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。         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)、德国的TanDEM卫星、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、荷兰的PARSAX气象雷达、加拿大的Radarsat-2卫星、美国的反导雷达GBR、法国的MERIC空中目标监视极化ISAR雷达等，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，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。         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、日本于2006年发射的ALOS/PALSAR星载极化SAR、加拿大于2007年发射的Radarsat-2星载极化SAR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、2003年法国研制的MERIC空中目标监视ISAR成像雷达、2009年荷兰改造完毕的PARSAX气象雷达等，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)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，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)，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。         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。 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.